Qu'est-ce qu'un système isolé au gaz (SIG)? Guide complet

UN Système isolé au gaz (SIG) est un compact, système électrique à haute tension où des composants tels que l'appareillage de commutation, disjoncteurs, sectionneurs, et les transformateurs sont logés dans une enceinte étanche remplie d'un gaz isolant, généralement de l'hexafluorure de soufre (SF6), au lieu de l'air à pression atmosphérique. Cette conception réduit considérablement l'espace requis par rapport aux sous-stations isolées par l'air (AIS). L'utilisation du gaz SF6, avec sa rigidité diélectrique supérieure et ses capacités d'extinction d'arc, permet un encombrement beaucoup plus réduit, ce qui rend le SIG idéal pour les zones urbaines, installations souterraines, et autres environnements à espace limité. La conception fermée protège également les composants des facteurs environnementaux tels que la pollution, brouillard salin, et des conditions météorologiques extrêmes, améliorer la fiabilité et réduire la maintenance.

1. Introduction

Gas-Insulated Systems (SIG) represent a significant advancement in high-voltage electrical technology. Traditional air-insulated substations (AIS) require large clearances between energized components due to the relatively low dielectric strength of air. This results in large substation footprints, making them unsuitable for many urban and space-constrained locations. SIG technology overcomes this limitation by enclosing all live parts within a grounded metallic enclosure filled with a pressurized insulating gas, most commonly sulfur hexafluoride (SF6).

The concept of using a gas as an insulating medium is not new, but the development of SF6 gas with its exceptional properties revolutionized the design of high-voltage equipment. SF6 has a dielectric strength approximately 2.5 à 3 fois celui de l'air, permettant une réduction spectaculaire de la taille de l'équipement. Il possède également d’excellentes capacités d’extinction d’arc, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans disjoncteurs.

2. Pourquoi utiliser un Système isolé au gaz?

L'adoption de SIG la technologie repose sur plusieurs avantages clés:

• Gain de place: L'avantage le plus important de SIG est sa taille compacte. UN SIG la sous-station peut occuper aussi peu que 10% de l'espace requis par une sous-station AIS comparable. Ceci est particulièrement crucial dans les zones urbaines où les terrains sont chers et rares..
• Haute fiabilité: La conception ci-jointe de SIG protège les composants internes des facteurs environnementaux tels que la pollution, brouillard salin, humidité, et intrusion d'animaux. Cela réduit considérablement le risque de pannes et améliore la fiabilité globale du système..
• Sécurité améliorée: Toutes les pièces sous tension sont enfermées dans un boîtier métallique mis à la terre, minimiser le risque de contact accidentel et améliorer la sécurité du personnel.
• Entretien réduit: L’environnement scellé et l’utilisation de SF6 gaz, qui est chimiquement inerte et non dégradant, réduire considérablement le besoin de maintenance par rapport à l’AIS.
• Installation intérieure et souterraine: SIG convient aux installations intérieures et extérieures. Sa taille compacte et sa conception fermée le rendent idéal pour les sous-stations souterraines, minimisant davantage son impact visuel.
• Apparence esthétique: SIG les sous-stations ont une apparence beaucoup plus petite et plus esthétique par rapport aux sous-stations AIS.

3. Composants d'un SIG

• Disjoncteurs: Utilisé pour interrompre les courants de défaut et isoler des sections du système. SIG les disjoncteurs utilisent généralement SF6 gaz pour l'isolation et l'extinction de l'arc.
• Sectionneurs (Isolateurs): Utilisé pour fournir une isolation visible de l'équipement à des fins de maintenance. They are not designed to interrupt load current.
• Earthing Switches: Used to ground de-energized equipment, assurer la sécurité during maintenance.
• Actuel Transformateurs (CT): Used to measure the current flowing in the high-voltage conductors for protection and metering purposes.
• Transformateurs de tension (VT): Used to measure the voltage of the high-voltage system for protection and metering purposes.
• Jeux de barres: The main conductors that carry the current between different components of the SIG.
• Parafoudres: Used to protect the SIG from overvoltages caused by lightning strikes or switching operations.
• Gas-Tight Enclosure: The grounded metallic enclosure that houses all the components and contains the SF6 gaz. The enclosure is typically made of aluminum or steel.
• Gas Monitoring System: Monitors the pressure, densité, and purity of the SF6 gas.

Chiffre 1: Schematic diagram of a typical Système isolé au gaz (SIG), showing the main components.

4. The Role of SF6 Gaz

Sulfur hexafluoride (SF6) is a colorless, inodore, non toxique, and non-flammable gas that has exceptional dielectric and arc-quenching properties. These properties make it the ideal insulating medium for SIG.

Key Properties of SF6 Gaz:

• High Dielectric Strength: SF6 has a dielectric strength approximately 2.5 à 3 times that of air at the same pressure. This allows for much smaller clearances between energized components.
• Excellent Arc-Quenching Capability: SF6 is very effective at extinguishing arcs that occur when a circuit breaker interrupts current. It absorbs the energy of the arc and rapidly cools it down, preventing re-ignition.
• Chemical Stability: SF6 is chemically inert and does not decompose under normal operating conditions. This ensures long-term stability and performance.
• Thermal Stability: SF6 has good thermal stability, allowing it to operate over a wide range of temperatures.
• Non-Toxicity: SF6 itself is non-toxic. Cependant, in the presence of an arc, il peut se décomposer en sous-produits pouvant être toxiques. Des procédures de manipulation et de ventilation appropriées sont nécessaires.

Alors que le SF6 est un gaz très utile pour les SIG, c'est aussi un puissant gaz à effet de serre, avec un potentiel de réchauffement climatique (PRP) environ 23,500 fois celui du dioxyde de carbone (CO2). À cause de ça, l'accent est de plus en plus mis sur la réduction des émissions de SF6 et la recherche de gaz alternatifs.

5. Alternatives à SF6 Gaz

En raison du PRP élevé de SF6, l'industrie recherche et développe activement des gaz isolants alternatifs pour SIG. Ces alternatives visent à réduire l'impact environnemental tout en maintenant les performances et la fiabilité des SIG. Certaines alternatives potentielles incluent:

• **Fluorocétones:** Ceux-ci ont un GWP nettement inférieur à celui du SF6 et de bonnes propriétés diélectriques.
• **Fluoronitriles:** Ceux-ci offrent également un GWP inférieur et une bonne rigidité diélectrique.
• **Mélanges de gaz:** Combiner des gaz comme le CO2, N2, and O2 with small amounts of fluorinated compounds can reduce the overall GWP while maintaining acceptable performance.
• **Clean Air (Dry Air):** While air has a lower dielectric strength than SF6, advances in design and higher operating pressures are making "clean air" GIS a viable option for some voltage levels.

The transition to alternative gases is ongoing, with ongoing research and development efforts focused on optimizing performance, coût, and environmental impact.

6. Monitoring and Maintenance of SIG

Although GIS requires less maintenance than AIS, regular monitoring and maintenance are still essential to ensure its long-term reliability et la sécurité. Key aspects of Surveillance SIG inclure:

• SF6 Surveillance des gaz: Regularly monitoring the pressure, densité, and purity of the SF6 gas is crucial. Leaks can reduce the insulating properties of the gas and increase the risk of failure. Gas density monitors and leak detection systems are used for this purpose.
• Décharge partielle (PD) Surveillance: PD is a localized electrical discharge that can occur within insulation defects. PD monitoring can detect early signs of insulation degradation, allowing for timely intervention before a major fault occurs. Techniques used for PD monitoring in SIG include UHF (Ultra-haute fréquence) capteurs, acoustic emission (AE) capteurs, and HFCT (Transformateur de courant haute fréquence) capteurs.
• Surveillance de la température: Overheating can indicate various problems, such as poor connections, excessive current, ou dégradation de l'isolation. Temperature monitoring can be performed using traditional sensors (thermocouples, RTD), infrarouge (ET) thermographie, ou capteurs à fibre optique. Basé sur la fluorescence capteurs à fibre optique are particularly well-suited for GIS due to their immunity to EMI, petite taille, et une grande précision.
• Surveillance des disjoncteurs: Monitoring the operation of circuit breakers, including operating times, usure des contacts, and mechanism performance, is essential for ensuring reliable fault interruption.
• Visual Inspections: Periodic visual inspections can help identify external signs of problems, such as gas leaks, corrosion, or damage to the enclosure.

7. Applications of SIG

• Sous-stations haute tension: SIG is the preferred technologie for high-voltage substations in urban areas where space is limited.
• Underground Substations: The compact size and enclosed design of SIG make it ideal for underground substations.
• Plateformes offshore: SIG is used in offshore wind farms and oil and gas platforms due to its compact size, fiabilité, and resistance to harsh environmental conditions.
• Installations industrielles: SIG is used in industrial plants with high power requirements, such as steel mills, aluminum smelters, and chemical plants.
• Hydroelectric Power Plants: SIG is often used in hydroelectric power plants, where space may be limited and environmental considerations are important.
• Mobile Substations: SIG can be used in mobile substations for temporary alimentation during emergencies or maintenance.