Recommandations d'essais des systèmes de câbles CC rubanés de transport d'électricité de tensions nominales allant jusqu'à, et y compris, 800 kV

Introduction

La technologie CCHT a significativement évolué depuis la publication des dites recommandations, et le Comité d'Etudes B1 de CIGRE a décidé de mettre en place le Groupe de Travail (GT) B1.66 "Recommandations pour les essais des systèmes de câbles CC rubanés de transport d'électricité de tensions nominales allant jusqu'à, et y compris, 800 kV", pour rassembler dans une Brochure Technique (BT) les recommandations existantes publiées dans Electra, avec une mise à jour des spécifications d'essais tenant compte des derniers développements de la technologie CCHT.

Les travaux du GT ont été conduits en parallèle avec ceux d'autres GT travaillant également sur des questions d'essais des systèmes de câble CCHT, dont le GTC B4/B1/C4.73 “Essais de tenue des systèmes de câbles CCHT aux tensions de choc et aux surtensions de longue durée", qui a étudié les surtensions transitoires survenant dans les systèmes CCHT à convertisseurs à source de tension (VSC), et a fourni des informations très utiles à la mise à jour des essais de tenue aux tensions transitoires des systèmes de câbles CCHT. De plus le GT s'est aligné, quand c'était justifié, au contenu des travaux du GT B1.62 "Recommandations pour les essais des systèmes de câbles CC extrudés de transport d'électricité à des tensions nominales allant jusqu'à, et y compris, 800 kV". 

Les recommandations sont applicables aux câbles à isolation papier, c. à d. aux câbles imprégnés en masse, avec papier kraft, ou papier laminé polypropylène, et aux câbles à huile sous pression. Elles peuvent aussi être appliquées à tout autre câble à isolation rubanée.

Description of the Technical Brochure

La BT présente des recommandations pour différents types d'essai : essais de développement, essais de pré-qualification, essais de type, essais de routine, essais d'échantillonnage, essais spéciaux de tenue aux surtensions temporaires et essais après installation.

Le Chapitre 1 constitue une introduction du sujet, du domaine couvert par les travaux, avec la présentation des limitations des recommandations et des définitions.
Les recommandations mises à jour s'appliquent aux câbles et aux accessoires, câbles sous-marins ou câbles terrestres, qui sont destinés à être utilisés dans des systèmes CC de transport d'électricité, à des tensions nominales allant jusqu'à, et y compris, 800 kV entre conducteur et terre.

Ces recommandations ne s'appliquent pas aux câbles CCHT à isolation extrudée.

Dans le premier chapitre on donne aussi les spécifications des "objets" mis en œuvre dans les essais de type et des boucles d'essai (Figure 1). Maitriser les effets d'extrémité est très important pendant les essais de type et de pré-qualification des câbles à isolation imprégnée sans pression, et les exigences exposées dans ELECTRA No. 189 "Recommandations pour les essais des câbles CC de transport d'électricité de tension nominale allant jusqu'à 800 kV" ont été maintenues. Le fabricant doit démontrer que la méthode d'essai ne provoque pas un déplacement axial du composé d'imprégnation qui pourrait impacter les propriétés diélectriques des objets soumis aux essais.

Une définition nouvelle, et plus correcte, des tensions est introduite dans la nouvelle BT.

Dans le Chapitre 2 est fournie une liste d'essais de développements faisables, qui peuvent être réalisés avant les essais de pré-qualification ou les essais de type. L'enveloppe des activités de développement et des essais est laissée à la discrétion du fabricant.

Les recommandations d'essais de pré-qualification à exécuter sur les matériaux isolants nouveaux font l'objet du Chapitre 3. Il s'agit d'un nouvel essai pour les câbles à isolation rubanée, qui ne s'applique pas aux câbles à papier kraft imprégné dans la masse/ou sous pression, de fabricants ayant déjà une expérience d'exploitation.

De nouveaux matériaux pour isolation rubanée pourraient être introduits à l'avenir et le GT a conclu que l'essai de pré-qualification devrait être exigé pour démontrer les propriétés à long terme des nouveaux matériaux isolants.

Pour les essais de pré-qualification les exigences sont les mêmes que celles demandées pour les systèmes de câbles extrudés, et la durée des essais est de 360 jours.

Les séquences d'essai recommandées sont destinées aux systèmes de câbles à qualifier pour un fonctionnement avec des convertisseurs à commutation par la ligne (LCC) impliquant des inversions de polarités, et pour des systèmes de câbles à qualifier pour un fonctionnement avec des convertisseurs à source de tension (VSC). Un système de câble pré-qualifié pour un fonctionnement avec des convertisseurs LCC est aussi pré-qualifié pour un fonctionnement avec convertisseurs VSC

Dans le Chapitre 4 on propose une extension de l'essai de qualification des câbles isolés par papier kraft imprégné en masse. Il s'agit d'un nouvel essai destiné aux câbles à imprégnation en masse appelés à supporter des modifications des conditions de fonctionnement importantes en regard des conditions de fonctionnement antérieures. Ces modifications peuvent être des augmentations élevées de température de fonctionnement, de contraintes électriques, de niveau de tension, etc.

La séquence d'essai recommandée a été appliquée à plusieurs projets à systèmes à convertisseurs LCC, pour vérifier la tenue pour des modifications importantes des conditions d'exploitation. Une séquence d'essai similaire est également recommandée pour les systèmes de câbles pour convertisseurs VSC. Un système de câble qualifié pour un fonctionnement avec des convertisseurs LCC est également qualifié pour un fonctionnement avec des convertisseurs VSC.

Le Chapitre 5 est dédié aux recommandations pour les essais de type. Ces nouvelles recommandations comportent des spécifications d'essais destinés aux systèmes de câbles utilisés dans des systèmes VSC dans lesquels les câbles ne subissent pas d'inversion de polarité. Les essais spécifiés pour les câbles des systèmes VSC suivent le même principe que les essais recommandés pour les câbles CC extrudés, et la durée d'essai est identique à celle des essais des câbles pour systèmes LCC.

L'essai de choc de manœuvre recommandé a aussi été mis à jour pour prendre en compte les conditions particulières de fonctionnement des câbles des systèmes VSC.

Deux nouveaux essais de types non électriques ont été introduits dans la recommandation mise à jour :

• Dans le premier, il s'agit d'un essai de pénétration longitudinale d'eau pour des câbles non-pressurisés, à réaliser pour évaluer les caractéristiques de propagation longitudinale de l'eau dans les câbles. Le résultat de cet essai peut être utilisé pour estimer la longueur de câble à couper pour garantir l'absence d'humidité dans le câble avant de réaliser une jonction.
• Dans le second, on mesure la résistivité thermique du système d'isolation pour vérifier la valeur utilisée dans les calculs des capacités nominales. La résistivité thermique à la température maximale de fonctionnement des câbles imprégnés en masse modernes n'est pas normalisée et la valeur réelle doit être démontrée par des essais.

Dans le Chapitre 6 se retrouvent les recommandations d'essais de routine. Dans la recommandation mise à jour les essais de routine ont été séparés des essais d'échantillons, et font l'objet des chapitres 6 et 7, respectivement.

La durée des essais CCHT a été portée de 15 à 30 minutes, pour tenir compte du retour d'expérience des derniers projets.

Les recommandations d'essais d'échantillons figurent dans le Chapitre 7. L'ensemble des essais d'échantillons des recommandations précédentes se retrouvent dans le chapitre, et quelques nouveaux essais ont été ajoutés.

Dans le Chapitre 8 sont présentées des recommandations d'essais des systèmes de câbles aux surtensions transitoires, qui ne sont couvertes par les essais aux tensions de choc de foudre et de choc de manœuvre. Ce sont de nouveaux essais et il n'est pas prévu que l'ensemble des essais décrits dans le chapitre soit automatiquement inclus dans le programme d'essai des systèmes de câbles CCHT, mais que ces essais soient appliqués par exception, pour étudier ou pour répondre à des problèmes spécifiques à un projet, ou pour information technique. Selon les travaux du GTC B4/B1/C4.73 de CIGRE, deux nouvelles surtensions peuvent être rencontrées dans les systèmes de câbles CCHT, en plus des tensions de choc de foudre et de manœuvre conventionnelles. Ces deux tensions identifiées sont des tensions à front très lent de même polarité que la tension CC, et des surtensions oscillantes avec des pics de polarité opposés à la tension CC réelle. Ces surtensions peuvent apparaitre lors de défauts à la terre dans le système, et à ce titre il n'est pas anticipé qu'elles se manifestent de nombreuses fois au cours de la vie du système. L'amplitude effective et la durée de ces surtensions dépendent de la configuration du système CCHT et des protections incluses dans ce système. 

Les formes d'onde recommandées sont conçues pour reproduire, autant que c'est faisable, l'enveloppe des surtensions identifiées par le GTC B4/B1/C4.73 de CIGRE, en sachant que l'on rencontre certaines limitations dans les équipements de laboratoire qui peuvent créer ces formes d'onde.

La forme d'onde proposée pour la surtension à temps de montée long avec la même polarité que la tension CC est montrée sur la Figure 2. Cette tension peut se produire sur le pôle sain quand un défaut à la terre affecte l'autre pôle. Le temps de montée, T₁,  est dans la recommandation de l'ordre de 1 à 3 ms, et la durée pendant laquelle la tension est supérieure à 90% de la valeur crête, T₂, est recommandée se situer dans la plage 10 à 150ms.

La figure 3 représente la forme d'onde recommandée pour tester le système de câble à la surtension temporaire oscillante amortie. Cette tension put apparaitre sur le pôle en défaut lors d'un défaut à la terre. On recommande que l'intervalle de temps entre deux oscillations amorties, T₄, et le nombre n₄ des passages par zéro des oscillations de surtension temporaire amorties avant que la tension crête devienne inférieurs à 5% de U₀, soient t définis en accord entre le fabricant et le client.

L'essai spécial de surtension temporaire de la recommandation du GT est en ligne avec la recommandation préparée par le GT B1.62 de CIGRE pour les câbles extrudés. Mais il existe quelques différences: les spécifications de pré-conditionnement avant essais sont en ligne avec les spécifications  des essais de type concernant le temps de repos entre cycles de charge de polarité différente.

L'essai de surtension amortie évoluant de part et d'autre de zéro sur les câbles à isolation rubanée doit être réalisé à un moment où la température du câble est en train de diminuer depuis sa température maximale. Cette condition vient de ce que le câble doit être soumis à la tension oscillante quand la pression au sein du câble est en train de diminuer et que des cavités se forment dans le composé d'imprégnation du câble non pressurisé. La tension oscillante peut alors provoquer des décharges partielles et un vieillissement du système d'isolation.

Le Chapitre 9 fournit des recommandations sur les essais après installation. La durée de l'essai HT a été augmentée de 15 minutes à 30 minutes.

Conclusion

Les essais recommandés pour les câbles CC à isolation rubanée, présentés dans les Electra no. 189 et 218, ont été combinés dans une Brochure Technique nouvelle, et les recommandations d'essais ont été mises à jour pour tenir compte des conditions actuelles d'exploitation des câbles utilisés dans les systèmes LCC et VSC. Des guides pour la qualification des matériaux isolants nouveaux, et pour l'extension des qualifications en cas de modifications des conditions de fonctionnement des systèmes d'isolation existants, ont été ajoutés. Ces mises à niveau constituent un apport intéressant aux essais des systèmes de câbles CC à isolation rubanée des projets à venir, et à la qualification des systèmes de câbles de tension nominale d'exploitation allant jusqu'à 800 kV.