Performance sismique des isolateurs en porcelaine dans les sous-stationsLes isolateurs en porcelaine font partie intégrante des systèmes électriques depuis plus d'un siècle en grande partie en raison de leur rigidité, qui assure l'alignement des composants des équipements des sous-stations. De plus, ces dernières années, de grands progrès ont été réalisés dans la compréhension des événements sismiques qui affectent ces isolateurs dans les sous-stations. Les fréquences de résonance de ces événements peuvent provoquer d’immenses forces dynamiques et, en raison de son poids et de sa nature fragile, la porcelaine est plus sensible aux fréquences harmoniques destructrices. Mais avec de bonnes pratiques de conception, des matériaux avancés et des méthodes de fabrication modernes, les isolateurs en porcelaine peuvent toujours s'avérer une forme d'isolation fiable dans les environnements sismiques. Les caractéristiques des matériaux jouent un rôle majeur dans la conception des équipements soumis à de telles forces dynamiques et, alors que l'acier et l'aluminium sont ductiles et offrent une résistance prévisible, la porcelaine est non-ductile et sa résistance peut varier considérablement. Les performances sismiques des isolateurs en porcelaine peuvent donc être améliorées en maximisant leur résistance et en réduisant leur poids. On comprend également mieux de nos jours que l'isolateur n'est qu'un composant d'un ensemble complexe qui constitue tout dispositif trouvé dans une sous-station. C’est donc l’ensemble du dispositif qui doit être évalué. Par exemple, les isolateurs sont souvent montés sur des structures en béton ou en acier et soutiennent l'équipement lui-même, tandis que les bagues se trouvent généralement au sommet de l'équipement. La réponse de l'équipement et de ses sous-composants aux fréquences d'entrée dépendra donc de ces facteurs et d'autres facteurs. Lorsque la fréquence naturelle d'un équipement correspond étroitement à la fréquence d'entrée, une résonance se produit, amplifiant ainsi le mouvement dynamique et la réponse d'accélération résultants. Le spectre de réponse requis (RRS) simule les amplitudes, les fréquences et l'énergie lors d'événements sismiques typiques. Les équipements ayant des fréquences naturelles de 1,1 à 8 Hz sont les plus étroitement couverts par les RRS.
Les types typiques d'équipements haute tension présentent plusieurs caractéristiques qui les rendent plus réactifs aux entrées sismiques. Étant grands et lourds, ils présentent des niveaux de fréquence naturelle inférieurs à ceux normalement observés lors d’événements sismiques. Lorsque deux objets vibrent à la même fréquence naturelle, un mouvement accru est observé et induit d’importantes charges en porte-à-faux. Comprendre les forces auxquelles un isolant est soumis par rapport aux résistances et faiblesses de son matériau céramique est une première étape importante. Les caractéristiques mécaniques de l'isolateur comprennent : a. Moments en porte-à-faux/de flexion ; b. Torsion; c. Tension; et d. Compression. Les charges en porte-à-faux déterminent le diamètre du noyau et donc le poids.
où : D – diamètre du noyau ; F – résistance requise (charge de rupture minimale) ; l – longueur ; résistance spécifique de la porcelaine. Les matériaux céramiques ont des indices de compression élevés et des indices de tension faibles. Les moments de flexion induisent des contraintes de compression et de tension et les contraintes de traction sont amplifiées par l'action du levier de la hauteur de l'isolant (comme sur la Fig . 1).
Figue. 1.
Les moments de flexion augmentent avec une force plus grande et/ou des isolateurs plus grands (selon la figure . 2). Dans le cas d'un mouvement dynamique, la force est basée sur : 1. la masse de l'isolateur et la masse montée au-dessus de l'isolateur ; et 2. l'accélération due à l'événement sismique.
Figue. 2.
Essayer d'apporter des modifications à la conception pour garantir que la fréquence naturelle d'un équipement reste en dehors de la fréquence d'un événement sismique n'est souvent pas possible. Étant donné que le poids est un facteur clé lors du calcul de la force/énergie transmise à l'équipement lors d'un événement sismique, le défi consiste à optimiser la conception et à maximiser le rapport résistance/poids.
Réduction de poids
Il existe des moyens de réduire le poids d'un isolant en porcelaine de résistance donnée. Tout d’abord, les isolateurs devraient idéalement être spécialement conçus pour répondre aux besoins. De plus, maximiser la longueur des sections permet de réduire le poids des isolateurs multi-pile. Les fabricants disposent également de choix de matériaux offrant une résistance supérieure et le maintien de normes d’assurance qualité strictes peut encore améliorer la résistance globale.
Optimisation de la conception
La conception d’un isolant doit tenir compte de son application dans des conditions sismiques. Souvent, les isolateurs utilisés dans les sous-stations sont basés sur des conceptions standard destinées à fonctionner dans une gamme d'applications. Un exemple est un isolateur avec des âmes cylindriques uniformes qui peut être appliqué verticalement mais qui est considérablement plus lourd lorsqu'il est suspendu. Alors que les isolateurs coniques sont de plus en plus utilisés dans les applications HT, il est important de déterminer la conicité optimale. Lorsqu'un équipement est envisagé pour une application dans des conditions sismiques, l'ensemble de la structure assemblée et montée doit être évalué à l'aide du logiciel applicable. L'analyse par éléments finis (FEA), par exemple, identifiera les zones à fortes contraintes dans n'importe quelle configuration donnée. Les zones de faible stress seront également identifiées. Le concepteur/consultant de l'équipement doit également travailler en étroite collaboration avec le fabricant de l'isolateur pour garantir que toutes les zones disposent d'une marge de sécurité égale. En fait, plusieurs itérations peuvent être nécessaires pour identifier pleinement toutes les augmentations et diminutions optimales de résistance à des endroits donnés le long de l’isolant. Chaque fois que des zones de contraintes inférieures sont identifiées et corrigées, le poids dans cette région peut être réduit et les réductions de poids dans les sections supérieures peuvent réduire la résistance nécessaire dans les sections inférieures. Ce processus entraîne moins de masse, moins de mouvements provoqués par la masse et moins de stress global. Le coût des tests sur table vibrante est très élevé pour les gros équipements de sous-station. Une évaluation approfondie par un spécialiste sismique compétent peut contrôler ces coûts en évitant de devoir refaire des tests. L’emplacement d’un isolateur dans n’importe quelle pièce d’équipement est également d’une importance fondamentale. Dans de nombreux cas, les isolateurs supportent des équipements lourds. Si l'équipement est rendu plus compact en termes de masse près du sommet, très peu de contrainte de flexion
Figue. 3.
Si l'équipement a un centre de gravité élevé avec la masse positionnée bien au-dessus de l'isolateur, le raccord supérieur sera soumis à une contrainte de flexion beaucoup plus importante et une conception plus robuste pour cette partie supérieure sera nécessaire. Comme illustré sur la figure . 4, par exemple, le haut de l'isolateur est soumis à 50 % de la charge de flexion maximale.
Figue. 4.
La masse au sommet de l’isolant a le plus grand effet de flexion. Par exemple, dans le cas d'un interrupteur à coupure d'air en position ouverte avec le mât complètement déployé, il existe des moments de flexion élevés au sommet de l'isolateur (voir Fig . 5).
Fig. 5 : interrupteur 500 kV, mât ouvert.
Un interrupteur à coupure d'air typique de 500 kV est monté à 4,6 m de hauteur sur une structure et en position ouverte l'interrupteur peut être à 9,75, soit une distance totale de 14,35 m du niveau du sol au sommet du mât. L'optimisation de la résistance nécessaire au sommet d'un isolateur peut s'avérer une zone critique de réduction de matériau puisque la réduction de poids est l'endroit où la masse est la plus éloignée du moment de flexion.
Poids réduit
Le profil de hangar est un moyen d'augmenter la ligne de fuite, mais les hangars contribuent au poids d'un isolateur. Dans le passé, les chutes mesuraient généralement jusqu'à 19 mm au centre et se rétrécissaient jusqu'à 12 mm à la pointe. Grâce à une science des matériaux améliorée, la taille du hangar peut être réduite, ce qui entraîne une réduction de 20 % du poids du hangar.
Sections réduites
Les isolateurs sont constitués de sections simples ou multiples boulonnées ensemble. Les isolateurs sont généralement constitués d'une seule pièce jusqu'à 750 kV BIL. Les isolateurs haute tension peuvent être constitués de plusieurs sections en fonction du niveau de tension. Des concentrations de contraintes se trouvent au niveau des joints où les raccords en fonte sont collés sur la porcelaine. Le diamètre de la porcelaine au niveau du raccord est augmenté en raison des niveaux de contraintes concentrés. La réduction du nombre de sections réduira les emplacements à fortes contraintes ainsi que le poids des raccords supplémentaires (voir Fig . 6).
Figue. 6.
Matériel
Les isolants en porcelaine sont des céramiques techniques contenant un mélange de kaolin, d'alumine, de feldspath et de silice (quartz). La CEI 60672-3 fait référence à trois types principaux : C-110, C-120 et C-130. Le C-110 est connu sous le nom de porcelaine de quartz tandis que le C-120 et le C-130 sont des porcelaines à l'alumine. Le C-120 contient 20 à 30 % d'alumine alors que le C-130 a normalement une teneur en alumine supérieure à 30 %. Une résistance accrue se traduit par le rapport résistance/poids le plus élevé. Les valeurs de résistance indiquées dans le tableau 1 sont des minimums et peuvent être largement dépassées. Les isolants fabriqués avec de l'argile C-130 avec des niveaux supérieurs au minimum peuvent offrir jusqu'à 40 % de réduction de poids.
Tableau 1 : CEI 60672-3 1984
Processus de production
La fabrication de matériaux en argile présente une gamme intrinsèquement large de résistances matérielles. Une telle variation peut se produire au sein d’un lot ou entre des lots. Il est difficile d’atteindre une force corporelle constante, surtout si les processus ne sont pas étroitement contrôlés. En effet, il a été démontré que la résistance des matériaux céramiques peut présenter un écart type de plus de 35 %. Plus l'écart est grand, plus la conception de l'isolateur nécessaire pour garantir le respect de la charge mécanique spécifiée (SML) est lourde. La réduction de l'écart type réduit directement le poids des paramètres de conception d'un fabricant donné. Par exemple, conception d'un isolant avec SML de 10 kN et std. dév. de 3,5 kN signifie que la conception doit être telle que la moyenne soit de 17 kN. En revanche, si std. dév. n'est que de 1 kN, la conception peut être basée sur une moyenne de 12 kN. Cela peut entraîner une réduction d'environ 40 % du poids de l'isolant (voir figures 7 et 8).
Fig . 7 : Grand écart type.
Fig . 8 : petit écart type.
Pour mieux comprendre les causes possibles des variations de résistance du corps, il est nécessaire d’en savoir plus sur la manière dont les isolateurs en porcelaine sont produits. Beaucoup sont fabriqués par la méthode humide ou plastique, dans laquelle les recettes d'argile sont mesurées et mélangées avec de l'eau pour créer le matériau de base, appelé barbotine. Un broyeur à boulets broie la barbotine pour garantir une taille de particule appropriée et contient environ 50 % d'eau. La barbotine est ensuite filtrée pour éliminer les contaminants naturels présents dans les argiles, qu'ils soient organiques ou ferreux. La barbotine est ensuite pressée en gâteaux de filtration à environ 22 % d'humidité, ceux-ci sont hachés et extrudés en blocs. Enfin, des flans cylindriques ou carlins sont extrudés. Sur une période de 5 à 6 semaines, le flan est retourné et séché jusqu'à une teneur en humidité inférieure à 1 %. Pour maintenir une force corporelle constante, toutes ces étapes menant au produit fini doivent également être gérées de manière cohérente. La taille des particules, la composition chimique, la teneur en eau des gâteaux de filtration, la dureté des ébauches et les techniques de séchage détermineront toutes la prévisibilité de la résistance du corps. Les multiples étapes de séchage de l'argile humide – du pressage des gâteaux de filtration à l'utilisation de séchoirs qui préparent les isolateurs tournés pour la cuisson – sont des étapes clés de la production des isolateurs en porcelaine, la plus critique du séchage étant peut-être de faire passer la forme tournée humide de 18 % d'humidité à moins de 1 %. En effet, les hangars minces et le noyau épais doivent sécher au même rythme, même si les hangars relativement minces sont beaucoup plus susceptibles de dégager de l'eau. Jusqu'à 6 semaines peuvent être nécessaires pour sécher lentement un isolant et de nombreux fabricants ont mis en place des contrôles appropriés pour garantir cela. Des employés qualifiés et une attention constante aux détails sont néanmoins nécessaires.
Tournage (photo de droite) et séchage d'isolateurs en porcelaine fabriqués par procédé plastique/humide.
Une méthode alternative de fabrication des isolateurs en porcelaine a été développée et élimine de nombreuses étapes du processus de séchage évoqué ci-dessus. Un avantage important offert est un processus beaucoup plus cohérent qui contribue à réduire le risque de variation possible de la résistance des matériaux. Cette méthode, appelée isostatique, commence par sécher la barbotine en une poudre fine, qui est ensuite pressée sous grande force dans un cylindre sec. L'avantage inhérent est de pouvoir produire des ébauches cylindriques sèches dans un temps relativement court. En fait, les isolants produits par la méthode isostatique ont un temps de production de moins de deux semaines, contre 6 semaines ou plus nécessaires pour une production humide/plastique. De plus, le tournage s'effectue à sec. Cela élimine le retrait des profils tournés humides à l'état séché/prêt à cuire et entraîne des tolérances plus strictes. Les flans pressés à sec n’ont pas d’orientation de grain particulière, comme c’est le cas des flans extrudés humides. Puisqu'un corps humide est extrudé à travers le col de l'extrudeuse, l'écoulement de l'argile peut être beaucoup plus lent le long des parois en raison de la friction entre l'argile et la paroi de l'extrudeuse. À l’intérieur de l’ébauche, un cisaillement se produira, provoquant des contraintes internes pouvant entraîner des défaillances dans le four et réduire la résistance mécanique. Selon l'endroit d'où provient l'isolant dans le flan, ces zones de cisaillement peuvent se retrouver près de la surface. Un trait notable est la cambrure qui se forme lors du séchage de l’isolant en porcelaine.
Conclusions
L'amélioration des performances des isolateurs en porcelaine dans des conditions de service sismique est possible principalement grâce à des méthodes de réduction de poids. L'optimisation de la conception en fonction d'une application réelle spécifique utilisant des matériaux à haute résistance ainsi que le maintien d'un processus de fabrication cohérent garantiront les meilleures performances possibles.