Apprenez comment la pollution affecte les caractéristiques de flashover des isolateurs en caoutchouc silicone et explorez les considérations essentielles pour garantir la fiabilité dans la gestion des transmissions haute tension.
Dans les systèmes haute tension, l’isolation est un élément critique qui doit être soigneusement pris en compte pour une transmission et une distribution d’électricité sûres et fiables. L’isolation influence directement l’efficacité du réseau car elle est conçue pour éviter les chemins indésirables pour le courant ou les fuites de courant en isolant les conducteurs haute tension des structures de support. Au cours de la durée de vie de l’isolation installée dans les systèmes de distribution haute tension, l’exposition à des conditions météorologiques rigoureuses et à des contaminants dans l’environnement a un impact considérable sur leur fiabilité. Cela peut entraîner des dommages coûteux ou des pannes.
Figure 1. Isolateur pour systèmes de transmission haute tension. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Pixabay
Avec les avancées dans le domaine des matériaux, l’évolution des isolateurs électriques extérieurs a connu un grand progrès dans les réseaux modernes, passant de l’utilisation de verre et de porcelaine au caoutchouc silicone (SiR). L’hydrophobicité des isolateurs SiR réduit le risque de flashover dans des conditions polluées ou humides. Ces types d’isolateurs sont résistants au vieillissement et aux rayons ultraviolets (UV), et ils présentent souvent un design léger. Bien qu’ils offrent une isolation haute tension fiable, les isolateurs SiR sont confrontés à des polluants environnementaux qui dégradent leurs performances au fil du temps. Pour remédier à une dégradation prématurée, il est essentiel d’avoir une compréhension complète de la manière dont la densité des dépôts de sel équivalente (ESDD) et la densité des dépôts non solubles (NSDD) influent sur la performance des isolateurs dans le temps.
Mécanisme de flashover sur les isolateurs SiR
Le flashover sur les isolateurs SiR est observé lorsque les propriétés d’isolation de surface d’un conducteur électrique sont compromises en raison de facteurs tels que la pollution, l’humidité, le mouillage ou le stress dû à une haute tension. En cas de pollution sévère, les isolateurs SiR peuvent perdre leur hydrophobicité, ce qui affecte finalement leur résistance au flashover. Les isolateurs peuvent échouer lorsqu’il y a un arc localisé résultant d’un séchage et d’un mouillage inégaux, ce qui peut entraîner un flashover. Lors de la planification du développement de systèmes haute tension, le choix du matériau isolant est un aspect essentiel à considérer. Avant de sélectionner le matériau, il est également important de réaliser des simulations et des expérimentations sur la performance du matériau lorsqu’il est exposé à différents facteurs environnementaux. Dans ce cadre, considérons quelques tests courants qui peuvent être utilisés pour évaluer la performance de flashover de SiR par rapport aux isolateurs en porcelaine traditionnels.
Un des tests courants qui peut être réalisé pour simuler des environnements marins est le test de brouillard salin, dans lequel des couches de pollution conductrice sont créées sur l’isolateur après que de l’air chargé de sel a été laissé se déposer. Grâce aux variations des niveaux d’ESDD, le niveau de sel dans la brume peut être ajusté, une tension alternatif haute tension peut être appliquée sur l’isolateur, et la tension de flashover peut être enregistrée. À partir de cette simulation, il est facile de considérer l’hydrophobicité de l’isolateur à choisir pour l’application haute tension. Dans ce cas, les propriétés hydrophobes du SiR empêchent la formation d’un film conducteur continu sur la surface de l’isolateur contrairement aux isolateurs en porcelaine, qui permettent aux couches de sel sur leur surface de conduire rapidement l’électricité en conditions humides. Dans les deux types d’isolateurs, la tension de flashover diminue à mesure que les niveaux d’ESDD augmentent. Cependant, les isolateurs SiR ont des tensions de flashover élevées sous des niveaux d’ESDD similaires à ceux des isolateurs en porcelaine. Les niveaux de contamination sur les isolateurs SiR peuvent également être affectés par les niveaux de NSDD, influençant la conductivité et l’adhésion des polluants dans des conditions humides ou moites. Exprimé en mg/cm2, le NSDD se concentre sur la manière dont les polluants à la surface de l’isolateur interagissent avec l’humidité de l’environnement en relation avec l’hydrophobicité. Lorsque l’ESDD et le NSDD sont combinés, le risque de flashover AC diminue jusqu’à 50 %. Cependant, le risque de flashover augmente considérablement lorsque l’ESDD atteint un seuil critique supérieur à 0,3 mg/cm2 et le NSDD à un seuil de 0,15 mg/cm2.
Modélisation de la probabilité de flashover avec ESDD et NSDD
Pour quantifier au mieux le risque de flashover lié aux contaminants sur les isolateurs SiR dans les systèmes haute tension, il est essentiel d’avoir une meilleure perspective de référence grâce à des modèles comme la régression linéaire. Avec la régression linéaire, la relation entre la tension de flashover, qui est une variable dépendante, et les variables indépendantes comme l’ESDD et le NSDD peut être comparée pour quantifier les facteurs qui influent sur les événements de flashover. Cela est essentiel pour la prise de décisions dans le processus de conception et pour des objectifs de maintenance prédictive. La première étape de ce modèle consiste à collecter des données expérimentales sur les événements de flashover et à analyser les données en fournissant des statistiques descriptives pour comprendre la distribution de la tension de flashover, du NSDD et de l’ESDD. Pour évaluer la tension de flashover (Vf) des isolateurs SiR, des facteurs non modélisés tels que l’humidité et la température peuvent être pris en compte avec le terme d’erreur (ϵ). Les coefficients de régression (β1) et (β2) peuvent être dérivés en appliquant la régression linéaire aux données collectées montrant le changement dans la tension de flashover pour une augmentation d’unité dans les niveaux de NSDD ou d’ESDD. Vf peut être modélisé à l’aide de la formule :
\[V_{f}=\beta_{0}+\beta_{1}\times ESDD+\beta_{2}\times NSDD +\epsilon\]
Où (β0) est l’ordonnée à l’origine de la tension de flashover de base à contamination nulle.
Un autre modèle qui peut aider à optimiser la conception des isolateurs haute tension ayant de meilleures performances contre la pollution est le modèle basé sur la physique. Ce modèle ne nécessite pas d’expériences sur le terrain et est particulièrement utile pour tester l’interaction des propriétés du matériau, des facteurs environnementaux et de la contamination dans des conditions extrêmes avec une pollution industrielle intense. Pour mieux estimer les événements de flashover à l’aide d’un modèle basé sur la physique, la gravité de l’ESDD et du NSDD est d’abord évaluée, et les facteurs environnementaux tels que l’humidité et la température sont pris en compte. La géométrie de l’isolateur est également considérée, et le profil de la surface de l’isolateur, la forme de la goutte et la distance de fuite sont examinés pour évaluer la distribution et l’accumulation des polluants. La distribution du champ électrique forme la base de ce modèle, exprimant la relation entre la conductivité de surface, le stress de tension et le courant de fuite. Cette interaction est généralement décrite en résolvant l’équation électrique (E) en considérant le potentiel électrique (ϕ).
\[\nabla^{2}\phi=0,E=-\nabla\phi\]
La force effective du champ électrique diminue lorsque la distance de fuite (L) augmente, améliorant ainsi la performance de flashover de l’isolateur SiR. La conductivité de surface (σ) est souvent représentée comme une relation entre l’humidité de surface, les niveaux d’ESDD, et de NSDD où (k1) et (k2) sont des constantes exponentielles. La conductivité de surface peut être calculée comme :
\[\sigma=\sigma_{0}+k_{1}\times ESDD \times k_{2}\times NSDD\]
Une fois la conductivité de surface déterminée, la tension critique de flashover (Vf) peut être déterminée lorsque le courant de fuite dépasse un seuil prédéterminé.
\[V_{f}=\frac{C}{\sqrt{\sigma L}}\]
Les évaluations ci-dessus sont des aspects importants non seulement pour l’optimisation de la conception des isolateurs SiR haute tension, mais aussi essentiels pour la planification de la maintenance afin d’assurer un réseau fiable. Avec des modèles de régression linéaire et basés sur la physique, une base peut être créée pour des insights qui garantissent une transmission d’énergie efficace et sûre.
Faire progresser la technologie des réseaux
En plus d’optimiser la conception des isolateurs SiR, le réseau peut également être amélioré en intégrant l’IoT avec le réseau intelligent. La combinaison des modèles ESDD et NSDD avec des capteurs IoT peut automatiser les décisions de maintenance en fournissant des informations sur la pollution en temps réel, permettant ainsi une gestion dynamique du réseau. En ce qui concerne les solutions pilotées par l’IA, les approches adaptatives utilisent l’apprentissage automatique pour des prévisions précises des facteurs environnementaux. En s’appuyant sur des données historiques, des actions recommandées peuvent garantir la fiabilité dans la maintenance prédictive. Les ingénieurs peuvent tirer parti de techniques de modélisation avancées pour concevoir des isolateurs standard qui sont fiables, efficaces et conformes aux exigences réglementaires.