Analyse complète des causes de panne et des techniques de réparation des câbles XLPE 35 kV

1. Pannes causées par des défauts de terminaison de câble

Les terminaisons et les jonctions de câbles constituent des points faibles de l'isolation, et la qualité de leur installation influe directement sur la sécurité d'exploitation. Les statistiques des rapports de pannes d'une entreprise de distribution d'électricité de 2023 indiquent que 72 % des défaillances de terminaison étaient dues aux problèmes suivants :

(1) Défaillance de l'installation du cône de contrainte
Les terminaisons à rétreint à froid utilisent des structures à cône de contrainte pour réduire l'intensité du champ au point de coupure du blindage en modifiant la distribution du champ électrique. Les erreurs courantes lors de la construction sur site comprennent :
① Désalignement du cône de contrainte supérieur à 5 mm du point de coupure du semi-conducteur (exigence de spécification : ±2 mm), provoquant une distorsion du champ électrique et une intensité de champ localisée atteignant 25 kV/mm (normal : ≤12 kV/mm).
② Lissage inadéquat du point de coupure du blindage en cuivre, laissant des bavures qui créent une décharge à la pointe (l'intensité du champ mesurée aux pointes peut augmenter de 3 à 5 fois).
③ Vitesse de traction excessive (>50mm/s) lors de l'installation, provoquant un plissement du cône de contrainte et la formation d'espaces d'air (niveaux de décharge partielle > 10pC).

(2) Manipulation incorrecte de la couche semi-conductrice
Lors d'une panne de câble 35 kV dans une aciérie, l'examen a révélé des rayures de 0,3 mm de profondeur sur la surface isolante principale (voir Fig. 2). Ces rayures étaient dues à l'utilisation d'un cutter avec un angle trop prononcé (45°) lors du dénudage de la couche semi-conductrice. La norme GB50150 exige explicitement l'utilisation d'outils de dénudage spécifiques pour le dénudage de la couche semi-conductrice, formant une pente douce de 15° à la coupe, la profondeur des rayures ne devant pas excéder 0,1 mm.

(3) Défaillance d'étanchéité/d'imperméabilisation
Les statistiques des régions pluvieuses montrent que 43 % des défaillances de terminaison sont dues à des infiltrations d'humidité. Les erreurs typiques incluent :
① Non-respect du processus triple scellé (gaine extérieure, blindage en cuivre, couche semi-conductrice).
② Épaisseur insuffisante du composé d'étanchéité (<2 mm) et compression inadéquate des ressorts à force constante (la compression doit atteindre 1/3 de la longueur d'origine).
③ Espaces entre le tube thermorétractable et le corps du câble (l'inspection à l'aide d'une jauge d'épaisseur ne doit montrer aucun espace ≥ 0,05 mm).

2. Mécanisme de dégradation de l'isolation principale

(1) Vieillissement des arbres électriques
L'isolation XLPE peut induire la formation d'arborescences électriques lorsque l'intensité du champ localisé dépasse 10 kV/mm. Des tests de vieillissement accéléré menés dans un centre de recherche le démontrent :
① Pour chaque augmentation de température de 10°C, le taux de croissance des arbres augmente de 2,3 fois.
② En présence d'humidité, la propagation des canaux de l'arbre s'accélère de 3 à 5 fois (de manière significative lorsque la teneur en humidité est de 0,02 %).
③ Les particules d'impuretés (>50µm) provoquent une concentration du champ et deviennent facilement des points d'initiation d'arbres.

(2) Défaillance due au vieillissement thermique
Lorsque les câbles sont continuellement surchargés (courant >120 % de la valeur nominale), ce qui entraîne une température d'isolation supérieure à 90 °C, les chaînes moléculaires XLPE se rompent :
① Le temps d’induction d’oxydation (OIT) passe de 30 min à moins de 5 min (GB/T 11026.1 exige ≥20 min).
② Le facteur de dissipation (tanδ) passe de 0,002 à plus de 0,01 (mesuré à 20 °C).
③ La résistance à la traction diminue de plus de 25 % et l’allongement à la rupture diminue de 40 %.

(3) Dommages mécaniques cumulatifs
Les dommages mécaniques courants lors de l'installation comprennent :

• Rayon de courbure insuffisant (câbles monoconducteurs : ≥20× diamètre extérieur ; multiconducteurs : ≥15×).

• Tension de traction excessive (câbles en cuivre : ≤3 kN ; aluminium : ≤2 kN).

• Gaines extérieures endommagées non réparées, permettant l'infiltration d'humidité (taux de pénétration radiale de l'humidité : ~0,1 mm/jour).

3. Impact des facteurs environnementaux externes

(1) Surtensions
La foudre et les surtensions de commutation sont des déclencheurs importants :

• Les impacts directs de foudre peuvent générer jusqu'à 200 kV, dépassant largement la tension de tenue aux impulsions nominale de 32 kV du câble de 35 kV.

• La coupure de courant par les disjoncteurs à vide peut produire des surtensions atteignant 3,5 fois la tension de phase.

• Lors de défauts monophasés à la terre dans un système, la tension de phase saine monte jusqu'à la tension de ligne (pour un système de 35 kV : 60,6 kV).

(2) Corrosion chimique
Les mesures effectuées dans les zones industrielles montrent, dans les sols dont le pH est inférieur à 4 ou inférieur à 9 :

• Le taux de corrosion de la gaine extérieure atteint 0,2 mm/an (sol normal : 0,05 mm/an).

• Le blindage en ruban d'acier peut se perforer en moins de 5 ans, permettant à l'humidité d'accéder directement à l'isolant.

• Les acides organiques issus de la corrosion microbienne réduisent la rigidité diélectrique du XLPE de 5 % par an.

(3) Contraintes liées aux cycles de température
Les terminaisons extérieures subissent une dilatation/contraction thermique périodique avec des différences de température diurnes de l'ordre de 15 °C :

• La contrainte de cisaillement aux interfaces atteint 1,2 MPa (dépassant la limite de fatigue du matériau EPDM).

• Des microfissures se forment dans le composé d'étanchéité (profondeur observée jusqu'à 0,5 mm au microscope).

• Des espaces supérieurs à 0,1 mm se forment entre les accessoires métalliques et l'isolant, amorçant une décharge partielle.

Technologie de diagnostic et de localisation des pannes

1. Caractérisation et évaluation des défauts

1. (1) Essai de résistance d'isolement
   Utilisation d'un mégohmmètre de 2500 V :
   • Une résistance d'isolation interphase < 1000 MΩ ou une résistance d'isolation à la terre < 500 MΩ indique des défauts graves.
   • Un rapport d’absorption (R60s/R15s) < 1,3 suggère une entrée d’humidité.
   • Un indice de polarisation (R10min/R1min) < 2,0 indique un vieillissement de l'isolation.

2. (2) Détection des décharges partielles
   Utilisation combinée des méthodes à ultra-haute fréquence (UHF) et des méthodes ultrasoniques :
   • Une décharge d'amplitude > 5 pC (à 1,73U₀) aux terminaisons nécessite une action immédiate.
   • Schémas de décharge typiques : la décharge en pointe présente des amplitudes d’impulsion dispersées ; la décharge en vide présente des groupes d’impulsions réguliers.

3. (3) Mesure du facteur de perte diélectrique (tan δ)
   À une tension d'essai de 10 kV :
   • Câble normal tan δ < 0,005 ; les valeurs > 0,01 indiquent une dégradation sévère de l'isolation.
   • Une augmentation significative de tan δ avec l'augmentation de la tension (Δtan δ > 0,002/kV) suggère la présence de défauts.

2. Technologies de localisation précises

1. (1) Localisation par réflectométrie temporelle (TDR)
   Utilisation d'un réflectomètre à impulsions (résolution minimale de 0,5 m) :
   • Formule de distance de défaut : L = v × t / 2 (v = vitesse de l'onde, 172 m/μs pour les câbles XLPE).
   • Les défauts de faible résistance (< 100 Ω) utilisent la méthode d'impulsion basse tension ; les défauts de haute résistance utilisent la méthode de contournement haute tension CC.
   • Caractéristiques de la forme d'onde : polarité de l'impulsion réfléchie opposée (faible résistance) ou identique (forte résistance) à celle de l'impulsion incidente.

2. (2) Localisation synchrone acoustique-magnétique
   Application d'une haute tension impulsionnelle (3 à 5 fois U₀) au point de défaut :
   • Signaux de champ magnétique détectés par bobine ; signaux acoustiques reçus par capteur piézoélectrique.
   • Localisation par différence de temps : Δt = ΔS / v (v = 340 m/s), avec une erreur de localisation < 0,5 m.
   • Optimal dans un faible niveau de bruit ambiant (< 40 dB la nuit) ; casque antibruit recommandé.

3. (3) Surveillance distribuée par fibre optique
   Utilisation des systèmes DTS (détection de température distribuée) :
   • Résolution spatiale : 1 m ; précision de la température : ±0,5 °C.
   • Augmentation anormale de la température aux points de faille (5 à 10 °C de plus que dans les sections normales).
   • Associé à une fibre de détection des vibrations, il peut localiser les points de dommages externes (alarme déclenchée à une fréquence de vibration de 5 Hz).

Spécifications techniques de réparation des pannes de câbles de 35 kV

1. Procédure de terminaison et de re-terminaison de câble
Prenons comme exemple une terminaison rétractable à froid de 35 kV (modèle WLS-35/1×300), les étapes clés sont les suivantes :

(1) Phase de prétraitement

• Redressage des câbles : Utilisez une machine de redressage dédiée (appliquant une tension de 2 à 3 kN) pour garantir une erreur de rectitude < 1‰.

• Décapage de la gaine extérieure : Couper en anneau à 550 mm de l'extrémité, conserver 30 mm de blindage, rugosifier une zone de 50 mm à partir de la découpe de la gaine à l'aide de papier de verre grain 80.

• Traitement du bouclier en cuivre : Conserver 20 mm de bouclier en cuivre, polir la coupure en une transition d'arc lisse (R ≥ 2 mm) à l'aide de tissu de verre n° 0.

(2) Traitement de la couche semi-conductrice

• Longueur de dénudage : Conserver 15 mm de la couche semi-conductrice extérieure, couper en anneau à l'aide d'un couteau à dénuder dédié (angle de 15°), en évitant strictement d'endommager l'isolation principale.

• Chanfreinage : Chanfreiner l'extrémité principale de l'isolation à un angle de 45° (profondeur 0,5 mm), arrondir le bord coupé du semi-conducteur (R = 1 mm).

• Procédé de nettoyage : Essuyer dans un seul sens à l'aide d'un chiffon non pelucheux imbibé d'éthanol anhydre (pureté ≥ 99,7 %), changer de chiffon tous les 100 mm.

(3) Installation du cône de contrainte

• Application de graisse silicone : Appliquer une graisse silicone dédiée (tan δ < 0,001) à moins de 5 mm de la coupure du semi-conducteur, épaisseur 0,2 mm.

• Marque de positionnement : Enroulez un ruban de positionnement (largeur 10 mm) à 75 mm de la coupure du semi-conducteur.

• Opération de rétraction à froid : Tirer la gaine centrale à une vitesse constante de 50 mm/s, éviter de faire tourner l’extrémité pendant la rétraction.

(4) Procédé de scellage

• Triple étanchéité : Enveloppez successivement un ruban semi-conducteur bloquant l'eau (chevauchement de 25 %), un composé d'étanchéité (épaisseur ≥ 2 mm) et un boîtier en acier inoxydable.

• Connexion à la terre : Utiliser un câble en cuivre de 25 mm², compression du ressort à force constante atteignant 1/3 de la longueur d'origine, espacement de liaison ≤ 10 mm.

• Identification de phase : Appliquer un tube thermorétractable de couleur de phase (jaune phase A, vert phase B, rouge phase C), longueur 100 mm.

2. Principales technologies de réparation d'isolation
Pour les défaillances d'isolation localisées (surface < 5 cm²), réparation à l'aide d'une technologie brevetée (brevet n° ZL202210666205.8) :

(1) Traitement des points de faille

• Isolation par découpe annulaire : Créez une rainure en forme d'haltère (diamètre 50 mm, profondeur 20 mm) centrée sur le point de rupture avec une pente de 1:5.

• Traitement de surface : Poncer circonférentiellement avec du papier de verre de grain 200 jusqu'à ce que l'isolant neuf (sans couche carbonisée) soit exposé.

• Contrôle de propreté : Utilisez un compteur de particules pour garantir une propreté de classe 100 (< 3500 particules/m³ pour les particules ≥ 0,5 μm).

(2) Infusion de liquide de réparation nanométrique

• Rapport des matériaux : 15 % de nano-SiO₂ (taille des particules de 50 nm), 75 % de matrice de résine époxy, 10 % d'agent de durcissement (en poids).

• Dégazage sous vide : Procédé à -0,09 MPa pendant 30 min pour éliminer les bulles (diamètre des bulles < 5 μm).

• Infusion sous pression : Appliquer une pression de 0,3 MPa pendant 2 h pour assurer une profondeur de pénétration du liquide de réparation ≥ 10 mm.

(3) Durcissement et finition

• Cuisson par étapes : 60 °C/2 h + 80 °C/4 h + 100 °C/2 h, éviter la surchauffe locale (vitesse de chauffage ≤ 5 °C/min).

• Finition de surface : Meuler à ras de l'isolation d'origine (écart < 0,1 mm) à l'aide d'une meule diamantée (grain 400).

• Restauration du blindage : Ruban de cuivre enroulé en chevauchement de 0,1 mm d'épaisseur (chevauchement de 20 %), sceller avec de la soudure (longueur du joint de soudure ≥ 30 mm).

3. Intervention de remplacement articulaire
Lorsque le point de rupture se situe au milieu du câble, remplacez-le par un joint droit préfabriqué de 35 kV (modèle JLS-35/1×400) :

(1) Prétraitement des câbles

• Section de défaut coupée : Conservez 1,5 m de câble sain à chaque extrémité, assurez-vous que la surface isolante est exempte de rayures (vérifiez avec un détecteur de défauts à courants de Foucault).

• Connexion du conducteur : Utiliser un moule à compression (hexagonal), comprimer du centre vers l'extérieur, facteur de compression ≥ 0,9.

• Échelon d'isolation : Créer un échelon conique 1:10 (longueur 50 mm), rugosité de surface Ra ≤ 0,8 μm.

(2) Assemblage conjoint

• Restauration du blindage Semicon : Enrouler le ruban semicon (largeur 50 mm) pour assurer un contact fiable avec le semicon d'origine (résistance de contact < 50 mΩ).

• Installation des composants d'isolation : Chauffer l'isolateur préfabriqué à 70 °C, le glisser en place, appliquer une pression axiale de 5 kN pendant 30 min.

• Joint d'étanchéité du boîtier métallique : utiliser deux joints toriques (en caoutchouc fluoré), contrôler la compression à 25-30 %.

(3) Blindage et mise à la terre

• Liaison du blindage en cuivre : Utiliser une tresse de cuivre de 35 mm², connexion par boulon (couple 25 N·m).

• Système de mise à la terre : Adoptez une mise à la terre à double extrémité, section transversale du fil de terre ≥ 50 mm², résistance de terre < 10 Ω.

• Traitement anticorrosion : Revêtement du boîtier avec un primaire époxy (épaisseur du film sec 80 µm) + une couche de finition polyuréthane (épaisseur du film sec 120 µm).

La prévention et la réparation des défaillances des câbles XLPE de 35 kV doivent respecter le principe « prévention d'abord, réparation ensuite ». Il est recommandé de renforcer la gestion dans les domaines suivants :

• Contrôle des matériaux : Mettre en place un système de liste blanche des fournisseurs et appliquer des contrôles à réception pour les terminaisons rétractables à froid (tests de perte diélectrique, de décharge partielle et de performance d'étanchéité).

• Optimisation des processus : Promouvoir l'utilisation de robots de construction intelligents pour automatiser les processus critiques tels que le décapage des couches semi-conductrices et l'installation des cônes de contrainte.

• Surveillance de l'état : Effectuer des diagnostics d'isolation (perte diélectrique, tanδ, décharge partielle) sur les câbles en service depuis plus de 15 ans afin d'évaluer leur durée de vie restante.

• Capacité d'intervention d'urgence : Constituer des équipes de réparation d'urgence professionnelles équipées de localisateurs acoustiques-magnétiques, de véhicules d'essai haute tension et d'autres outils pour assurer la localisation des pannes en 2 heures et la remise en service en 24 heures.

Les méthodes techniques décrites dans cet article permettent de réduire efficacement le taux de défaillance des câbles de 35 kV. Après la mise en œuvre de ce système, une entreprise de réseau électrique a réduit le temps moyen de réparation des câbles défectueux de 48 heures à 12 heures en 2024. À l'avenir, grâce aux progrès réalisés dans le domaine des matériaux de réparation à l'échelle nanométrique et des technologies de surveillance intelligente, la réparation des câbles évoluera vers une localisation précise, une réparation minimalement invasive et une meilleure connaissance de leur état.