Recommandations d'essais des systèmes de câbles à isolation extrudée pour une transmission d'énergie sous tension continue allant jusqu'à 800kV inclus

Objectives of the Technical Brochure

Le grand nombre de projets, et le besoin de développements rapides pour satisfaire à la demande de systèmes de câbles HVDC plus performants requièrent l'accord sur des exigences d'essais définies en commun, afin de minimiser de délai de commercialisation des nouvelles solutions techniques.

En 2017 le comité d'études B1 lança un nouveau Groupe de Travail B1.62 en charge de la préparation de recommandations d'essais des systèmes de câbles à isolation extrudée pour une transmission d'énergie sous tension continue allant jusqu'à 800kV inclus. Cette décision était motivée par le fait que des systèmes de câble de tension supérieure à 500kV apparaissaient dans les laboratoires. De fait, lors de la préparation de cette recommandation, les tensions des systèmes de câble atteignaient 640 kV en laboratoire, des liaisons sous 400kV étaient opérationnelles, tandis que des contrats étaient attribués jusqu'à 525 kV. On peut s'attendre maintenant à la demande d'une élévation supplémentaire de la tension nominale, aussi cette recommandation couvre le niveau 800kV.

De nouvelles configurations de réseau (point à point, en étoile, maillé) on pour conséquence de nouveaux types de surtensions (communément appelées Surtensions Transitoires, TOVs) qui pourraient ne pas être traitées par les essais normalisés de choc de foudre ou de manœuvre. Des échanges avec le JWG B4/B1/C4.62 on permis d'établir de nouvelles formes d'ondes d'essais, qui sont incluses dans la brochure.

Scope / Methodology

This document recommends a series of tests on extruded cables for DC power transmission systems (land or submarine cables with their accessories in fixed installations) up to and including 800 kV. The “extruded” insulation materials covered by this recommendation include thermoplastic polyolefins, mixtures of thermoplastic polyolefins, crosslinked polyolefins, mixtures thereof, and rubber-like materials. The materials maybe filled (e.g. with minerals or nano-particles) or unfilled.

The requirements have been differentiated as a function of the cable design and performance:

• Cables of voltage ≤ 400kV designed with an average stress ≤ 20 kV/mm, named HVDC in the TB
• Cables of voltage > 400kV or cables designed with an average stress > 20 kV/mm named EHVDC in this brochure

HVDC cables are of well-established technology, the requirements are the same as in TB 496, description of the tests has been improved when some uncertainty was detected.
EHVDC cables are of new technology and submitted to higher electric stresses. Additional tests have been introduced to assess their performance, namely:

• Thermal stability test 
• Sample tests such as by product content in the case of XLPE

To comply with long link and converters technology requirements, new tests have been introduced. They can be applied to both HVDC and EHVDC:

• Transient overvoltage test
• Test of the screen insulation and sectionalisation of accessories.

Structure et Contenu de la brochure technique Structure

Cette Brochure Technique étant un document de pré-normalisation, elle est organisée comme une norme internationale : elle liste les essais et les exigences correspondantes. Cette structure a pour but de faciliter la transmission des éléments techniques aux sociétés de normalisation. Lorsque c'est nécessaire, en particulier lorsque les essais sont nouveaux par rapport à la TB 496, le raisonnement qui conduit à la sélection de l'essai et du niveau de performance, est précisé.

Chapter 1 - Introduction

Le chapitre "Introduction" de la TB présente l'historique du projet au sein du comité technique B1 ainsi que l'état de l'art du marché et des développements en laboratoire. Il décrit également le contenu du document, particulièrement vis-à-vis de la brochure TB 496.

Il donne la définition des différents corps d'essais (essais de Développement, essai de Type, essai de Préqualification, essais de Stabilité Thermique…), celle des objets d'essai, tensions d'essais, des paramètres thermiques de conception de câble, et des conditions thermiques des essais.

Chapter 2 - Qualification d'un système de câble

Les corps d'essais ci-dessous sont requis pour la qualification totale d'un système de câbles :

L'essai de stabilité thermique des câbles EHVDC a été inclus du fait de l'augmentation du champ électrique dans l'isolant. Cet essai n'est pas demandé pour les câbles HVDC.

Les corps d'essais de Préqualification et de Type sont relatifs au type de convertisseur (convertisseur commuté par le réseau LCC ou convertisseur source de tension VSC) qui alimente le système de câble.

Chapitre 3 - Essais de Développement

Le fabricant devrait réaliser les analyses et essais de Développement avant de commencer l'essai de Préqualification. La nature et l'étendue de ces essais sont de son initiative, mais une liste de points à prendre en compte est proposée :

• Evaluation diélectrique du système d'isolation : résistivité, tension de claquage, comportement des charges d'espace ;
• Stabilité sur le long terme : pour différentes contraintes de champ électrique, de température et d'environnement ;
• Sensibilité aux variations attendues en termes de dimension du câble, composition des matériaux, et conditions de mise en œuvre ;
• Distribution du champ électrique au sein de l'isolant du câble pour une gamme d'installations et de condition de charge typiques.

Chapitre 4 - Essai de Préqualification

L'essai de Préqualification (PQ) est effectué avant la livraison, sur une base commerciale générale, d’un type de système de câble, afin de démontrer que les performances à long terme de l’ensemble du système de câble sont satisfaisantes.

Le corps d'essais dépend du type d'application visé (VSC ou LCC).

La durée de l'essai est d'un an, le système de câble est soumis successivement à des contraintes élevées, diélectriques et thermiques : Cycles de chauffage – chauffage continu – inversion de polarité (cas du convertisseur LCC) – pas de chauffage – essais de chocs superposés.

Chapitre 5 - Essai de Type

L'essai de Type (TT) est effectué avant la livraison, sur une base commerciale, d'un type de système de câble. Tous les composants du système de câble (câble et accessoires) doivent satisfaire à l'essai de Type.

L'essai de Type comprend deux sous-ensembles :

• Les essais de Type électriques
• Les essais de type non électriques

Les essais de Type électriques sont semblables à ceux de la TB 496. Ils ont été étendus au cas des câbles sous-marins. Ils consistent en : conditionnement mécanique - cycles de chauffage -inversion de polarité (cas du convertisseur LCC) - essais de chocs superposés. Du fait de la présence de longues liaisons, les essais diélectriques de l'isolation de l'écran métallique et de l'arrêt d'écran (cas de jonctions avec arrêt d'écran) ont été ajoutés.

Les essais de Type non électriques ont été étendus par rapport à ceux de la TB 496 pour prendre en compte les contraintes plus élevées des systèmes de câble EHVDC, et des essais de caractérisation des nouveaux matériaux : thermoplastique et LXLPE, ont été ajoutés.

Ils comprennent la mesure des sous-produits présents dans l'isolation, l'essai de pression des isolants thermoplastiques et les exigences de fluage à chaud du matériau LXLPE.

Chapitre 6 - Essai de stabilité thermique

L'essai de Stabilité Thermique (TST) a été introduit pour démontrer la stabilité thermique du câble et pour mettre en évidence, le cas échéant, la un emballement thermique indésirable.

Généralement, l'emballement thermique se produit lorsque des pertes diélectriques entraînent une augmentation des températures locales et qu'une rétroaction positive se produit conduisant à une augmentation de température incontrôlée et catastrophique.

Pendant 'essai de stabilité thermique, l'augmentation de température de l'échantillon de câble à tester est comparée à celle du câble de référence, où les pertes diélectriques ne se produisent pas car le champ électrique est négligeable, pour vérifier si le comportement thermique diffère significativement entre les deux objets

La procédure de l'essai TST exige que le câble à tester et le câble de référence soient chauffés, sans tension appliquée, jusqu'à ce que les conducteur des câbles aient atteint la température Tcond,max de façon permanente. Ce courant de chauffage doit être maintenu pendant la durée de l'essai ; la tension de 1,45 Uo est ensuite appliquée au câble à tester.

En surveillant la différence de température entre les gaines de l'objet à tester et de la boucle de référence, il est possible de déterminer si une instabilité thermique se produit.

Les possibilités d'extension de la période d'observation sont données dans la TB, en outre, des règles pour répéter l'essai avec des conditions différentes sont également fournies dans la TB.

Chapitre 7 - Essai d'extension de Préqualification

L'essai d'extension de qualification (EQT) est introduit pour vérifier les performances à long terme d'un système de câble préalablement qualifié lorsque des changements substantiels sont mis en œuvre. Des accessoires de conception/type différent peuvent être insérés dans la boucle d'essai pour un EQT.

L'EQT est réalisé sur une longueur de câble et au minimum un accessoire de chaque type, les séquences de l'essai ont été établies avec la même philosophie que celle sélectionnée pour les PQ et TT. Sa durée est de 82 jours.

La même philosophie, les mêmes procédures d'examen et les mêmes critères de réussite que ceux appliqués aux PQ et TT ont été retenus pour l'EQT.

Chapitre 8 - Essai individuel de série

Les essais individuels de série sont effectués par le fabricant sur chacun des composants fabriqués (longueur de câble ou accessoire) afin de démontrer leu intégrité. Le GT a introduit plusieurs modifications aux essais de routine décrits dans la TB 496 :

• Chaque longueur de câble de livraison doit être soumise à un essai sous tension continue, et un essai sous tension alternative à convenir entre le fabricant et le client. À titre indicatif, la contrainte de champ de Laplace maximale associée à la tension d'essai AC pourrait être de 20 kV/mm pour une durée de 30 minutes pour les câbles HVDC et de 23 kV/mm pour une durée de 60 minutes pour les câbles EHVDC. Il est recommandé d'effectuer l'essai AC avant l'essai DC pour des raisons de sécurité liées à la polarisation de l'isolation après l'essai DC
• Selon le contrat ou la commande, la gaine extérieure peut être soumise à l'essai électrique spécifié dans la CEI 60229.
• Une mesure de réflectométrie dans le domaine temporel (TDR) peut être effectuée pour information.
• L'isolation principale des accessoires préfabriqués doit subir un essai sous tension continue ; un essai AC combiné à une mesure de DP est également recommandé. La tension d'essai AC doit être choisie de manière à obtenir des contraintes au moins identiques à celles présentes dans l'accessoire lorsqu'il est soumis à la tension d'essai individuel de série AC du câble.

Chapitre 9 - Essais sur prélèvements

Les essais sur prélèvements sont effectués par le fabricant sur des échantillons de câble complet ou sur des composants prélevés sur un câble ou accessoire complet, à la fréquence spécifiée, afin de vérifier que le produit fini satisfait aux exigences spécifiées

Les essais sur prélèvements pour les câbles HVDC sont ceux sélectionnés et décrits dans TB 496, en outre des essais spécifiques au LXLPE et à l'isolation thermoplastique ont été ajoutés.

Les essais sur prélèvements pour les câbles EHVDC comprennent tous les essais pour les câbles HVDC plus la mesure des sous-produits.

Chapitre 10 - Guide pour le choix des procédures d'essai en cas de modification d'un système de câbles qualifié

Ce chapitre est conçu comme un guide pour réduire le temps de mise sur le marché et le coût global de qualification des améliorations, en prenant en compte les innovations attendues dans la technologie des câbles. La philosophie introduite pour les systèmes de câbles HVAC par la TB 303 a été adoptée. Une approche système est appliquée, même si les modifications considérées sont basées sur les composants. Chaque modification nécessite que les essais soient effectués sur l'ensemble du système de câbles.

50 modifications sont traitées. Modifications du conducteur du câble, du système d'isolation (matériau et procédé), de la gaine, de la conception générale ; matériau de la jonction, isolation principale, isolation de l'écran, conception générale ; procédé de réalisation de la jonction d'usine ; les matériaux des extrémités, leur conception générale. Dans chaque cas, une série d'essais est recommandée afin que le système de câbles reste qualifié pour les mêmes T_cond,max, T_max et, le cas échéant, T_min que le système de câbles de référence.

Deux changements supplémentaires ont été évalués : le cas de différents grades de propreté des matériaux isolants, et le cas de la jonction d'interface, c'est-à-dire une jonction entre deux systèmes de câbles extrudés qualifiés différents.

Chapitre 11 - Essais après pose

Les essais après pose sont effectués pour démontrer l'intégrité du système de câbles tel qu'il est installé. Ils consistent en un essai haute tension de l'isolation principale, un essai en tension de l'isolation de l'écran et, le cas échéant, une signature de la propagation des ondes dans le système de câbles, par réflectométrie dans le domaine temporel.

Chapitre 12 - Essais spéciaux de surtension transitoire (TOV)

Selon les travaux du CIGRE JWG B4/B1/C4.73, deux nouvelles surtensions peuvent être rencontrées sur les systèmes de câbles HVDC en plus des chocs de foudre et de manœuvre conventionnels : des surtensions à front très lent de la même polarité que la tension continue appliquée et des surtensions oscillantes avec un maximum de polarité opposée à la tension continue appliquée. Ce dernier cas se produit le long d'un câble défectueux pendant le processus de décharge du câble. Pour le premier cas, deux types de défauts, les défauts phase-[terre côté AC] et les défauts [DC pôle]-[terre côté DC], se sont avérés générer des surtensions conduisant aux valeurs de crête les plus élevées. À partir de l'étude des paramètres, il a été conclu que les amplitudes apparaissant sont généralement plus élevées pour les défauts [DC pôle]- [terre côté DC] et qu'il suffit de se concentrer sur ces défauts pour traiter le comportement TOV des câbles HVDC. L'enveloppe typique des formes de surtension étudiées par le CIGRE JWG B4/B1/C4.73 a été prise en compte pour la définition des paramètres d'essai.

Le but des essais est de vérifier que la conception du système de câbles donne des résultats satisfaisants dans ces conditions spéciales. Étant donné que ces types de surtensions sont liés à des conditions de défaut et que leur nombre devrait être limité pendant la durée de vie du système de câble, les essais sont uniquement destinés à évaluer les limites du système ; par conséquent, les valeurs d'essai (à savoir la tension, le temps et le nombre de surtensions appliquées) ne doivent pas être considérées comme des paramètres de coordination d'isolement pour l'interface système de câbles / convertisseurs. Ces paramètres peuvent être mieux argumentés techniquement par le fabricant du système de câbles.

Trois essais de surtensions transitoires sont définis dans la brochure :

Conclusion

Cette Brochure Technique est un document de pré-normalisation qui recommande un corps d'essais des systèmes de câbles à isolation extrudée (terrestres ou sous-marins, en incluant leurs accessoires d'installation fixe) pour une transmission d'énergie sous tension continue allant jusqu'à 800kV inclus.

Les matériaux extrudés pris en compte sont les polyoléfines thermoplastiques et leurs mélanges, les polyoléfines réticulées et leurs mélanges, les élastomères. Ces matériaux peuvent être chargés (e.g. par une charge minérale ou de nanoparticules) ou non.

Lors de la préparation de cette recommandation, les tensions des systèmes de câble atteignaient 640 kV en laboratoire, des liaisons sous 400kV étaient opérationnelles, tandis que des contrats étaient attribués jusqu'à 525 kV. On peut s'attendre à la demande d'une élévation supplémentaire de la tension nominale, aussi cette recommandation couvre le niveau 800kV. Cependant, il convient de noter que le manque d'expérience en réseau au-dessus de 400 kV, et le nombre restreint d'essais à une tension supérieure induisent une incertitude quant à la l'adéquation des exigences demandées. En conséquent toute connaissance pertinente issue d'essais ou de l'expérience en réseau peut conduire à une mise à jour de cette recommandation.