L'évolution des terminaisons de câbles GIS : de l'innovation à remplissage fluide à l'innovation à sec

La connexion entre les câbles haute tension et les appareillages de commutation isolés au gaz (GIS) a connu une transformation remarquable au cours des cinquante dernières années. Les installations autrefois encombrantes et immergées dans l'huile, nécessitant d'importants travaux sur site, ont évolué vers des systèmes compacts, secs et enfichables, plus rapides, plus sûrs et plus fiables que jamais. Cet article retrace l'évolution des terminaisons de câbles GIS, de leurs origines à fluide jusqu'aux technologies sèches de pointe actuelles.

1. Les débuts : Terminaisons remplies de liquide

Avant la mise au point des bornes enfichables compactes de type sec, les connexions des transformateurs et des appareillages de commutation étaient réalisées avec des bornes isolées à l'air ou remplies d'huile.À la fin des années 1970, les premiers accessoires ont été réalisés avec des compartiments de câbles contenant des terminaisons GIS remplies d'huile ou des transformateurs avec des cônes de contrainte pré-moulés..

Les terminaisons traditionnelles remplies de fluide étaient composées d'un isolateur de support (en porcelaine ou composite) rempli d'huile ou de SF₆, avec un cône de contrainte en caoutchouc pré-moulé glissé sur le câble préparé.L'espace entre le câble, son cône de contrainte et l'isolateur de support était rempli d'un fluide diélectrique tel que de l'huile ou du SF₆.Ce modèle avait fait ses preuves depuis longtemps, mais présentait également des inconvénients importants..

2. Les défis des conceptions remplies de fluide

Bien que les interruptions de grossesse par remplissage liquidien se soient avérées efficaces, elles ont présenté plusieurs défis persistants :

Installation complexe sur site
Le compartiment du câble GIS a dû être ouvert sur place. L'installateur de câbles haute tension a alors monté l'isolateur époxy et inséré le câble avec le cône de contrainte et le connecteur déjà en place. L'isolateur a ensuite été mis sous vide et rempli d'huile.Pour les raccordements de transformateurs, la procédure était encore plus exigeante : il fallait pomper l'huile du transformateur hors du compartiment des câbles et la remettre en place..

Risques de fuite
La présence de liquide exigeait une étanchéité très soignée de la terminaison afin d'éviter toute fuite susceptible d'entraîner une panne électrique.Le point le plus critique était l'interface entre le câble et la plaque de base de terminaison, où le système d'étanchéité devait s'adapter à des câbles de différentes tailles.Ce risque potentiel de fuite nécessitait une inspection périodique pour vérifier le niveau d'huile ou la pression du gaz..

Risques pour la sécurité
En cas d'arc interne, les terminaisons remplies de fluide, notamment celles remplies d'huile, peuvent causer des dommages importants aux équipements environnants et présenter des risques pour le personnel.L'étanchéité du système devait être parfaitement réalisée afin d'éviter toute fuite et de garantir un bon fonctionnement tout au long de la durée de vie du produit..

Besoins en espace
Malgré ces difficultés, le principal avantage de ces connexions internes résidait dans l'installation isolée et protégée, pouvant être située à l'intérieur des bâtiments plutôt qu'à l'extérieur – même si cela impliquait un besoin considérable d'espace..

3. Le passage au XLPE et à l'isolation solide

Un tournant majeur s'est produit avec l'évolution des matériaux d'isolation des câbles. Au cours des dernières décennies, le matériau d'isolation dominant est passé du papier imprégné d'huile au polyéthylène réticulé (XLPE).De plus, les matériaux isolants des accessoires de câbles ont été remplacés par des matériaux solides tels que des élastomères isolants comme le caoutchouc de silicone (SIR)..

Cette transition a fondamentalement modifié les possibilités de conception des terminaisons de câbles. Avec les câbles à isolation polymère, les facteurs justifiant l'utilisation d'huile ont disparu.L'industrie a commencé à explorer des alternatives sans fluide qui pourraient éliminer les risques associés à l'isolation liquide.

4. L'essor des terminaisons sèches

Les extrémités étanches sans fluide, également appelées terminaisons sèches, ont été introduites plus récemment dans les systèmes haute tension, mais sont désormais largement utilisées pour le raccordement des câbles extrudés..

Principaux avantages de la technologie à sec :

• Élimination des risques de fuite

• Risque d'explosion réduit en cas d'arc interne

• Pas besoin de vérifications périodiques du niveau de liquide

• Conception plus légère et plus compacte

Les extrémités à étanchéité sèche sont utilisées depuis de nombreuses années pour les terminaisons GIS jusqu'au niveau de très haute tension (550 kV), et ces conceptions sont désormais couramment acceptées et tendent à devenir la norme pour de telles applications.Pour les applications intérieures, telles que les connexions SIG ou de transformateurs, les systèmes secs deviennent désormais la norme, leurs avantages surpassant nettement les systèmes traditionnels à fluide..

5. La révolution du branchement

L'une des innovations les plus importantes dans la technologie de terminaison des câbles GIS a été le développement desystèmes de terminaison enfichables à secDes systèmes de terminaison compacts, à sec et enfichables, sont disponibles depuis 1966 pour le raccordement de transformateurs, de boîtes de jonction et d'appareillages de commutation isolés au gaz..

Ce qui rend la conception par plug-in révolutionnaire :

Pré-assemblage en usine
L'isolateur époxy (bagues) est préinstallé en usine par le fabricant GIS.Cela garantit une installation parfaite et élimine le risque de contamination dans le compartiment SIG..

Installation simplifiée sur site
La bague de l'équipement est préinstallée en usine conformément aux normes CEI pour les systèmes secs.Sur site, le câbleur prépare simplement l'extrémité du câble et branche la partie enfichable qui contient le cône de tension et le connecteur du conducteur..

Temps d'installation réduit
Les temps de montage sont considérablement réduits par rapport aux terminaisons conventionnelles, car le système se passe totalement de matériaux isolants liquides.La possibilité de connexion rapide permet de déconnecter facilement et rapidement le câble du composant du système en cas de panne..

Conception compacte
Les systèmes enfichables offrent une longueur d'installation considérablement réduite de 50 % par rapport à la conception conventionnelleComme ces systèmes fonctionnent sur des matériaux isolants solides, toute configuration spatiale souhaitée peut être réalisée : des agencements horizontaux, verticaux et même inclinés, vus du haut ou du bas, sont possibles..

Haute fiabilité
L'utilisation de composants préfabriqués et testés garantit un niveau élevé de sécurité et de fiabilité, tout en minimisant les erreurs d'assemblage.Plus de 2 000 de ces systèmes enfichables sont utilisés dans le monde entier sur des réseaux câblés jusqu'à 145 kV..

6. Cône intérieur vs. Cône extérieur : deux normes d’interface

Avec la maturation de la technologie des prises sèches, deux conceptions générales différentes ont émergé :"inner-cone" et "outer-cone"systèmesLes systèmes d'étanchéité traditionnels à fluide ont été éliminés et remplacés par une interface caoutchouc/époxy sous pression mécanique..

Système à cône interne :
Le cône de contrainte s'insère dans l'isolant époxy, créant une interface compacte et blindée. Cette conception est largement utilisée dans les applications GIS et est souvent normalisée pour les gammes de moyenne tension..

Système du cône externe :
Le cône de contrainte s'insère à l'extérieur de l'isolateur époxy, offrant des caractéristiques mécaniques et d'installation différentes. Chaque système a ses partisans, et les fabricants continuent de développer des variantes pour différentes classes de tension et applications..

7. Le rôle des normes : de la CEI 60859 à la CEI 62271-209

L'évolution des terminaisons de câbles GIS s'est accompagnée du développement de normes internationales définissant les interfaces, les dimensions et les exigences de test.

CEI 60859 (1986) :La première version de cette norme a été publiée en 1986.Il traitait des connexions de câbles pour les appareillages de commutation à isolation gazeuse et enveloppe métallique, où les extrémités des câbles étaient remplies de fluide..

CEI TS 60859 (1999) :Cette version a été étendue pour couvrir à la fois les terminaisons remplies de fluide et les terminaisons sèches..

CEI 62271-209 (2007, 2019) :La norme actuelle couvre le raccordement des câbles remplis de fluide et extrudés aux GIS, lorsque les terminaisons des câbles sont de type fluide ou sec.Il spécifie les interfaces entre la terminaison et l'appareillage de commutation, garantissant ainsi l'interchangeabilité des composants de différents fabricants..

CIGRE TB 784 (2019) :Cette brochure technique fournit des recommandations de conception standard pour une interface enfichable sèche commune pour les câbles GIS et d'alimentation jusqu'à 145 kV..

8. La technologie de séchage mature d'aujourd'hui

Les systèmes à sec sont aujourd'hui bien établis et prédominants pour les terminaisons de câbles destinées au raccordement aux GIS et aux transformateurs jusqu'à 550 kV.Pour les terminaisons de câbles se connectant aux GIS et aux transformateurs, la technologie sèche domine désormais largement le marché..

La conception standard de terminaison enfichable a été étendue aux niveaux de tension jusqu'à 245 kV et aux sections de câble jusqu'à 1600 mm².Plus récemment, la technologie enfichable a été introduite pour les terminaisons extérieures THT jusqu'à des tensions nominales de 550 kV..

Principaux avantages des terminaisons SIG modernes de type sec :

• Aucun liquide – éliminant les risques de fuites et les inspections périodiques

• Temps d'installation réduit – réduisant les travaux sur site

• Conception compacte – gain d'espace précieux dans la sous-station

• Pré-assemblage en usine — gage de qualité et réduction des risques de contamination

• Flexibilité spatiale — toute orientation possible

9. La prochaine étape : des solutions durables et sans SFC₆

L'évolution des terminaisons de câbles GIS se poursuit, avec une nouvelle priorité accordée au développement durable. Le gaz SF₆, bien qu'excellent isolant, est un puissant gaz à effet de serre. L'industrie développe actuellement des conceptions GIS sans SF₆ avec des terminaisons sèches..

Développements récents :

• Nexans a réalisé en 2023 le premier essai de type électrique au monde pour les terminaisons de câbles sans SF₆ de 525 kV CC..

• En éliminant l'utilisation du gaz SF₆, les terminaisons de câbles peuvent réduire leurs émissions potentielles de gaz à effet de serre de 99 % ou plus..

• Des postes GIS de 420 kV sans SF₆, avec terminaisons enfichables de type sec, sont actuellement en cours de conception et de mise en œuvre..

• Les fabricants développent des terminaisons compatibles avec des gaz alternatifs tels que les mélanges à base de fluoronitrile et l'air pur avec interruption du vide.

L'évolution des terminaisons de câbles GIS reflète l'évolution plus générale du génie électrique : des conceptions à fluide et à forte intensité de main-d'œuvre des années 1970 aux systèmes secs et enfichables d'aujourd'hui, assemblés en usine, installés sur site en quelques heures et conçus pour des décennies de service sans entretien.Cette technologie a été développée en fonction d'objectifs constants : éliminer les risques de fuite, réduire le temps d'installation, gagner de la place et améliorer la fiabilité..

Alors que le secteur s'oriente vers des solutions sans SF₆ et des niveaux de tension encore plus élevés, l'évolution se poursuit. Le concept de terminaison sèche enfichable, autrefois révolutionnaire, est devenu la nouvelle norme, témoignant du pouvoir de l'innovation pour rendre notre infrastructure électrique plus sûre, plus fiable et plus durable.Des premiers systèmes enfichables de 1966 aux terminaisons sèches de 550 kV d'aujourd'hui, les accessoires pour câbles GIS ont parcouru un long chemin, et le voyage est loin d'être terminé.