Utilisation de gaz non-SF6 ou de mélanges gazeux dans les appareillages à isolation gazeuse en moyenne et haute tensions

Introduction

Depuis l'introduction des postes à isolation gazeuse (GIS), à la fin des années 1960, l'hexafluorure de soufre (SF₆ ) est devenu, du fait de ses caractéristiques remarquables, le matériau favori pour l'isolation et pour la coupure d'arc. Mais le SF₆ présente un inconvénient important parce qu'il possède un potentiel de réchauffement global (GWP) quand il est relâché dans l'atmosphère 23 500 fois plus élevé que le C0₂, et a une durée de vie dans l'atmosphère d'environ 3 200 ans, selon le Rapport d'évaluation n°5 de l'IPCC (AR5) de 2014. A cause de ces propriétés, il est un des six gaz figurant sur la liste du Protocole de Kyoto de 1997. Cependant, pour situer le problème, il est important de rappeler que la contribution du SF₆ aux émissions provoquant le réchauffement global est relativement faible.

Au début de notre siècle, les constructeurs et les universités ont accéléré leurs recherches d'un remplaçant du SF₆ comme milieu d'isolation, de commutation et de coupure du courant (photos 1 et 2). Les progrès récents se sont traduits par des utilisations de gaz sans SF₆ (non-SF₆) et de mélanges de gaz dans des appareillages à moyenne et haute tensions, avec des installations pilotes mises en service par plusieurs constructeurs dans différents pays. La plupart de ces solutions mettent en œuvre un mélange de gaz au lieu d'un gaz unique. Les gaz alternatifs (non-SF₆) peuvent contenir gaz présents dans l'air (tels que N₂, O₂ ou CO₂) et peuvent contenir une certain quantité de composés fluorés.

En principe les fonctions fondamentales d'un gaz alternatif sont similaires à celles du SF₆ : isolation diélectrique, interruption du courant et extinction de l'arc. Néanmoins il faut savoir qu'en cas d'utilisation de gaz alternatifs les effets peuvent être différents, et on doit en avoir conscience.

Les normes CEI et IEEE actuelles relatives aux appareillages ciblent l'utilisation du SF₆ et ne sont pas, par conséquent, complètement transposables aux cas des gaz sans SF₆ et des mélanges gazeux. Les normes concernées sont en cours d'évaluation et pour partie déjà en cours de révision.

Dans la BT on expose les besoins d'adaptation ou les nouvelles spécifications permettant une utilisation sure, fiable et durable des gaz non-SF₆ et des mélanges gazeux dans les appareillages à isolation gazeuse. On présente également les propriétés attribuées et effectives, des gaz non-SF₆ et des mélanges gazeux qui ont été étudiés et utilisés dans des appareillages à isolation gazeuse, en MT et HT.

Les aspects couverts par le Groupe de travail

Exigences de qualité et de pureté

Pour les équipements à haute tension à isolation par gaz alternatifs la qualité et la pureté du gaz sont des éléments clés. On présente les facteurs qui impactent la qualité et la pureté de ces gaz alternatifs, et on procède à un examen des techniques de mesure applicables. Des normes portant sur la définition et l'utilisation des gaz alternatifs, et les unités de mesure associées, sont proposées.
Avec ces propositions de normes les nouvelles alternatives de gaz pourront être évaluées.

Aspects de vieillissement pour les gaz non-SF₆

Les gaz ou mélanges gazeux isolants sont en contact avec une grande variété de matériaux, à des températures très différentes, pendant très longtemps, jusqu'à 40 ou 50 ans. Il faut par conséquent bien connaitre l'interaction entre le gaz, ou les constituants du gaz, et les matériaux utilisés, comme il faut comprendre la stabilité chimique du gaz, intrinsèque ou dans les conditions telles que la présence des arcs de commutation ou des décharges électriques, quand c'est le cas. L'impact sur la durée de vie du gaz ou du mélange de gaz doit être évalué, sachant que les interactions avec les dessiccatifs ou les adsorbeurs peuvent avoir une influence sur cette durée de vie. Avec des gaz purs, une pression, ou une densité, sont un indicateur pour une spécification fonctionnelle d'un minimum; pour un mélange de gaz une composition fonctionnelle minimale du gaz est requise (voir Figure 1).

Manipulation des gaz et précision du remplissage

Les procédures de manipulation des gaz durant l'exploitation normale et les maintenances sont décrites, en abordant les séquences étape par étape, et les exigences concernant les procédures de manipulation et de récupération des gaz non-SF6 et des mélanges de gaz. On expose en outre les spécifications des équipements de manipulation, en fonction du gaz ou des mélanges gazeux. Le processus de remplissage des gaz non-SF6 et des mélanges de gaz est abordé, en rapport avec leur pureté, les proportions des mélanges et la précision du remplissage, et les exigences de précision du remplissage sont examinées.

Exigences d'étanchéité

Les besoins d'étanchéité liés à l'utilisation des gaz non-SF₆ et des mélanges gazeux dans les appareillages à isolation gazeuse à haute et moyenne tensions sont décrits. Quand c'est pertinent on se réfère aux cas de l'utilisation du SF₆ ou de mélanges contenant du SF₆. Dans la Brochure les exigences d'étanchéité couvrent les isolations à gaz ou à mélanges de gaz sans adjonction intentionnelles de SF₆, pour des systèmes sous enveloppes sous pression, scellées ou fermées.

Composition fonctionnelle minimale des gaz

La composition fonctionnelle minimale du gaz, et sa relation avec la pression fonctionnelle minimale d'isolation et/ou de commutation sur la durée de vie de l'appareillage, sont évaluées. On s'intéresse au cas des mélanges gazeux qui contiennent plus d'un composant. Si le constructeur de l'appareillage peut prouver que l'accroissement de la pression compensée en température provoquée par la décomposition peut être négligé, un manomètre compensé en température ou une technique de mesure similaire de la densité peuvent être suffisants pour surveiller le gaz. Si ce n'est pas le cas des dispositions complémentaires doivent être appliquées.

Santé, sécurité des personnes, aspects environnementaux

Les aspects liés à l'environnement, à la santé et à la sécurité (EHS), sont abordés et les propriétés des gaz alternatifs connus sont présentées.

Comme la production des arcs électriques peut impacter les propriétés des gaz, les aspects EHS et les conséquences qui en découlent doivent être évalués à chaque fois qu'un gaz alternatif est utilisé. Ceci n'est pas lié seulement aux arcs de coupure mais aussi aux arcs des défauts internes. Comme pour l'utilisation du SF₆, les produits de décomposition sont émis et doivent être traités pour garantir la disponibilité du système, la santé, la sécurité et la protection de l'environnement. On présente les aspects EHS liés à l'exploitation normale et à la maintenance, et à la suite, on aborde le problème des fuites anormales de gaz consécutives à une défaillance d'équipement.

Il faut en outre être conscient de ces problèmes lors des phases de manipulation, de transport, de stockage et de mise au rebut, et les prendre en compte.

Maintenance et aspects du cycle de vie

Les instructions existantes relatives à la maintenance et à l'exploitation des appareillages à isolation SF₆ sont examinées, et leur validité pour des appareillages à isolation gazeuse non-SF₆ et à mélanges gazeux est évaluée. Diverses stratégies existantes de maintenance des appareillages à isolation gazeuse (GIS) sont prises en compte et les impacts potentiels de l'introduction de nouveaux gaz sont discutés. Les analyses de gaz et les méthodes associées d'évaluation d'état des appareillages à isolation gazeuse non- SF₆ sont examinées, et avance des idées de procédures nouvelles de régénération, de manipulation et mise au rebut des gaz.

Il en ressort les principaux résultats suivants:

• La stratégie de maintenance périodique (basée sur le temps) pour les travaux de maintenance sur les gaz est facilement adaptable aux équipements à haute tension à isolation gazeuse avec des gaz non-SF₆ ou des mélanges gazeux.
• Par rapport à l'emploi du SF₆, l'emploi de mélanges gazeux dans les GIS, les proportions du mélange gazeux constituent un indicateur relatif au gaz supplémentaire, qui doit être mesuré ou surveillé pour évaluer le besoin d'une action de maintenance.
• Quand on manipule des mélanges gazeux, il faut à la différence du SF6 maintenir les proportions correctes du mélange, lors des travaux de remplissage ou de régénération. Les phénomènes de liquéfaction des gaz constitutifs du mélange doivent être pris en compte car ils peuvent impacter le temps de manipulation lors des travaux de maintenance.
• Pour les mélanges de gaz il faut évaluer au cas par cas la manière la plus économique de mettre à disposition de grands volumes de gaz, en réalisant le mélange sur site, ou en utilisant des conteneurs de gaz pré-mélangés.
• Le recyclage des mélanges gazeux est théoriquement réalisable (par ex. par séparation des constituants du mélange), mais il n'est pas encore bien défini pour la plupart des gaz non-SF₆ et pour les mélanges gazeux du marché.
• Aujourd'hui il n'existe pas de normes similaires à la CEI 60376 ou à la CEI 60480, pour les gaz non-SF₆ ou les mélanges gazeux. Les procédures de manipulation des gaz non-SF₆ et des mélanges gazeux décomposés sont spécifiées par les constructeurs de chaque équipement.
•  Les utilisateurs finaux doivent discuter au cas par cas avec le constructeur de l'équipement les différents critères d'évaluation qui s'appliquent en cas de défaillance de l'équipement.
• Les méthodes de prolongation de durée de vie, comme une maintenance perfectionnée ou une rénovation, sont généralement adaptables aux équipements à gaz non-SF₆ ou à mélanges gazeux. Cependant la rénovation ou le remplacement des équipements à SF₆ existants n'est pas faisable avec des équipements à gaz non-SF₆ ou à mélanges gazeux disponibles sur le marché, essentiellement à cause de spécifications de conception différentes.
• Quand la fin durée de vie est atteinte, la planification du démontage de l'installation GIS et la mise au rebut (incluant le recyclage des matériaux) peut se faire conformément aux meilleures pratiques suivies pour les équipements à SF₆.

Conclusions

La faisabilité d'une utilisation à grande échelle des gaz alternatifs dépend des développements, des résultats des projets pilotes, de la disponibilité des gaz alternatifs, d'une part, et de la fiabilité et des aspects de santé, de sécurité et environnementaux de ces nouvelles solutions, d'autre part.

Les résultats du Groupe de Travail existant, A3.41 “Interrupting and switching performance with SF₆-free switching equipment” présentent potentiellement beaucoup d'intérêt pour la question. Il existe en outre des relations et des coopérations avec des Groupes de Travail du CE D1, portant sur la tenue diélectrique et sur le comportement aux décharges partielles (D1.51 and D1.67).

Pour les utilisateurs et les constructeurs divers aspects sont encore incertains. Des informations de base sont disponibles, mais certains aspects de l'utilisation doivent être évalués plus en détail. Il est recommandé de produire des directives, d'évaluer les projets pilotes et d'en faire une synthèse.

Les termes de référence d'un nouveau Groupe de Travail ont été validés, et il sera composé très probablement de membres du GT B3.45, accompagnés par les premiers utilisateurs sur site et des représentants des compagnies d'électricité intéressées. L'objectif est de produire un guide d'utilisation et d'aborder tous les sujets liés à l'utilisation des gaz alternatifs.