Conception de la terminaison de câble pour les tests de tension de claquage CA

En ingénierie, une solution ou un projet idéal doit être établi en raison de limitations économiques, techniques, pratiques et environnementales. Dans la conception et la construction de lignes de transmission ou de distribution d'énergie, deux types de câbles peuvent être utilisés, à savoir des câbles aériens ou souterrains [1]. Les câbles souterrains à haute tension ont été largement utilisés comme conducteurs électriques dans différentes applications telles que les installations industrielles à moyenne tension, les connexions de transmission souterraines et sous-marines, les centrales d'énergie renouvelable [1], l'alimentation des bâtiments résidentiels et des centres urbains, ainsi que dans les installations où les aspects environnementaux et visuels nécessitent l'utilisation de câbles souterrains. Cependant, l'installation de câbles souterrains représente une dépense financière importante par rapport à l'application de câbles aériens [1,2].

 De plus, la complexité du processus de fabrication des câbles souterrains et la diversité des produits et des fabricants peuvent conduire à la commercialisation de câbles peu performants. L'utilisation de câbles performants est essentielle pour les applications souterraines, car les câbles sont soumis à plusieurs contraintes au cours de leur durée de vie, telles qu'électriques (dues aux tensions de fonctionnement, aux surtensions, et autres), thermiques (puisque les câbles sont soumis à des températures anormales élévations, dilatation thermique et contraction), mécaniques (tels que dommages externes, impact latéral et anomalies de pression) et environnementales (dues à l'humidité, à l'oxydation, au rayonnement solaire et à d'autres phénomènes)

Par conséquent, afin d'assurer un fonctionnement sous les contraintes susmentionnées et d'améliorer la fiabilité et la continuité de l'alimentation électrique, les câbles doivent être soumis à des tests électriques de routine et de type pour garantir, essentiellement, les performances diélectriques du matériau isolant et réduire, par conséquent, les pertes financières. pour les services publics d'électricité et les industries. L'un des matériaux les plus utilisés est le polyéthylène réticulé (XLPE)

Bien que la plupart des défaillances d'un câble d'alimentation se produisent au niveau de ses jonctions et de ses terminaisons, l'évaluation du matériau d'isolation du câble est extrêmement nécessaire. L'un des tests requis pour cette évaluation est la détermination de la tension de claquage du câble. Les normes internationales CEI 60229 et CEI 60520-2 [6,7] établissent les exigences d'essai pour les câbles haute tension. Au Brésil, les normes NBR 10299 et NBR 16132 [8,9] fournissent les spécifications relatives aux tests de distribution statistique de l'intensité du champ électrique de perforation dans les câbles pour les systèmes avec une tension supérieure à 15 kV. NBR 10299 vise à définir le taux de défaillance minimum en fonction de la longueur de câble installée. Une valeur généralement acceptée est de 6,7 × 10−4 défaillance/(année × km)

Les essais prescrits doivent être effectués en utilisant un échantillon d'au moins 3 m de longueur efficace, c'est-à-dire sans tenir compte des terminaisons des deux côtés. Le blindage externe est mis à la terre et une tension alternative croissante est appliquée sur le câble jusqu'à ce que le claquage interne soit atteint. Le montage expérimental doit garantir l'occurrence de la panne sur le câble de longueur efficace. Considérant que les essais peuvent soumettre le câble à des surtensions avec des valeurs de 5 à 10 fois supérieures à la tension normale de fonctionnement, le principal problème rencontré lors des essais est la distorsion du champ électrique aux extrémités du câble, qui provoque une rupture externe et empêche l'évaluation de le matériau isolant intérieur. Pour effectuer l'installation sur le terrain ou des tests de tension de claquage dans des câbles isolés, il est nécessaire d'enlever une partie de l'isolation du câble. Alors que le champ électrique à l'intérieur de la longueur efficace a une distribution prévisible, avec une direction radiale et un comportement logarithmique [1,2,10], il y a une grande intensification du champ aux extrémités du câble. Le champ électrique au voisinage de l'extrémité du blindage est illustré sur la figure 1. Ainsi, une telle distribution prévisible doit être garantie pour permettre des tests réussis.

L'extrémité du câble se compose d'un conducteur, de couches semi-conductrices, d'une couche isolante et d'un ruban conducteur pour le blindage, en plus de l'air. La diversité des matériaux avec des caractéristiques électriques, une rigidité diélectrique et une permittivité relative différentes fournit des champs électriques hautement non uniformes avec des composantes de champ axiales et tangentielles. Le champ électrique tangentiel est l'une des principales causes de défaillances dans les bornes [12,13]. L'amélioration du champ à l'extrémité du câble produit des décharges superficielles et externes dans l'air, qui peuvent être évitées en utilisant des terminaisons correctement conçues [1,9,10,14]. En ce sens, des arrangements aux caractéristiques différentes ont été étudiés par [12–19].

La plupart des études qui ont traité de la distribution du champ électrique dans les terminaisons de câbles haute tension appliquent un logiciel commercial basé sur la méthode des éléments finis (FEM) à des fins d'analyse et/ou de conception de terminaisons, de joints ou de cônes de détente. Dans [12,15,16], des simulations ont été utilisées pour aider à la conception de cônes de contrainte basés sur des supraconducteurs à haute température (HTS). Les auteurs de [16] ont proposé l'utilisation d'une couche conductrice époxy/ZnO pour améliorer la répartition du champ électrique. D'autres études ont comparé différents matériaux et options de classement sur le terrain pour les câbles. Dans [13], par exemple, différents types d'options de classement de champ pour les câbles de plomb isolés au papier (PILC) de 36 kV et les câbles en polyéthylène réticulé (XLPE) ont été comparés. Dans [17], l'impact des défauts sur les jonctions de câbles a été analysé, et [18] ont étudié le champ électrique dans une terminaison de câble subissant des contraintes transitoires. Lors de la phase projet d'une terminaison, un autre objectif possible est d'estimer les zones plus sensibles aux défauts et ainsi d'améliorer les prototypes. A cet égard, [19] a calculé le champ électrique dans un manchon pour un câble de 110 kV en utilisant FEM, afin d'estimer les zones plus sensibles au claquage diélectrique et ainsi améliorer un prototype de manchon.

Certaines des études susmentionnées ont présenté des projets de terminaison basés sur le concept de cône de contrainte et analysé la distribution du champ électrique ou l'influence de différents matériaux. Cependant, il y a un manque d'études liées aux performances des terminaisons lors des tests de surtension ou des tests de tension de claquage. De plus, certains prototypes proposés nécessitent des matériaux coûteux. Par conséquent, une méthodologie pour la conception, le dessin et la simulation électrostatique d'une terminaison réalisable est rapportée dans cet article. La terminaison doit pouvoir assurer la réalisation des tests de surtension sur les câbles. La procédure proposée peut également être utilisée pour la conception de terminaisons de câbles optimisées. De telles terminaisons sont généralement responsables, par exemple, de la liaison entre différentes lignes de transmission, fonctionnant comme des connecteurs. Pour les analyses des contraintes électriques à la terminaison, des simulations informatiques ont été effectuées à l'aide d'un logiciel commercial basé sur la méthode des éléments finis et un modèle de câble monophasé de 35 kV, qui a été utilisé comme échantillon. Les matériaux conventionnels ont été considérés dans le projet, ce qui représente une réduction potentielle des coûts.