Facteurs de correction atmosphérique et d'altitude pour les intervalles d'air et les isolateurs non pollués

Ces paramètres influents peuvent être regroupés en trois catégories (Figure 1) :

1. Les conditions ambiantes : température, pression, humidité, pluie, neige et pollution.
2. La tension appliquée : (les formes d'onde de la tension appliquée) : LI (choc de foudre), SI (choc de manœuvre), CA, CC, et autres formes d'onde appliquées.
3. La configuration de l'isolation (caractéristiques de l'isolation) : forme de l'électrode, taille et configuration de l'intervalle d'air, complexité de l'intervalle d'air, etc.

Les appareillages à moyenne et haute tensions (c. à d. les disjoncteurs, sectionneurs, parafoudres, traversées, transformateurs de mesure, etc.) ont besoin de critères fiables, pour leur développement et leur conception, et par là pour assurer un fonctionnement de longue durée en exploitation.

Pour atteindre ces objectifs des essais diélectriques (Essais de type, par échantillonnage, et de routine) sont exécutés dans des laboratoires HT, qui sont situés à des altitudes diverses. De plus les appareillages eux-mêmes sont normalement destinés à être installés, et à assurer pleinement leurs fonctions, à diverses altitudes, avec des conditions d'environnement différentes.

Différentes normes et directives d'application concernant la coordination de l'isolement et les essais sont disponibles. Mais dans ces documents on trouve plusieurs approches de la correction atmosphérique et de la correction d'altitude, ce qui est source de confusion et d'ambiguïtés. Par conséquent il est nécessaire d'apporter des clarifications et de préconiser de nouvelles recommandations.

En matière de facteurs de correction à appliquer pour les essais, deux procédures différentes de correction sont utilisées :

• Soit on corrige la valeur de la tension de décharge disruptive constatée pour des conditions atmosphériques données, pour la ramener à la valeur qui aurait été obtenue pour les conditions atmosphériques de référence.
• Soit on corrige la tension d'essai particulière pour définir une tension d'essai dans un laboratoire dans conditions atmosphériques réelles de l'exécution de l'essai (méthode inverse).

Dans le cas de la coordination de l'isolement et dans la phase de conception des équipements, on ne connait pas, normalement, tous les paramètres des conditions atmosphériques de leur exploitation, ni tous les éléments de leur configuration géométrique et de l'isolation. Cela veut dire que des simplifications sont nécessaires, qui vont en pratique conduire à suivre une approche de correction d'altitude seulement, avec les implications suivantes :

• Pour satisfaire les exigences de tenue diélectrique pour des altitudes supérieures, on doit calculer la correction à appliquer à la tension de tenue de référence, au niveau de la mer.
• L'application de la méthode simplifiée impose que l'on prenne en compte des marges pour les paramètres non inclus, c. à d. la température, l'humidité, pour éviter le claquage, qui dans beaucoup de cas se révèlent insuffisantes.

Teneur des travaux

Le programme du Groupe de Travail (GT) était de :

1. Vérifier, et évaluer, les facteurs de correction (température, pression, humidité absolue) pour des tensions d'essai CA, SI, LI et CC, pour les systèmes de tension supérieure à 1000 V, pertinentes pour des installations à des altitudes allant jusqu'à 6000 m au-dessus du niveau de la mer, applicables aux intervalles d'airs et aux isolateurs non pollués.
2. Recueillir de nouveaux résultats d'essai  disponibles et de lancer des essais comparatifs inter-laboratoires, si nécessaire.
3. Proposer des directives pour la modification des corrections, atmosphérique et d'altitude, en cas de besoin.

Structure de la BT

La BT présente de façon résumée les travaux du GT D1.50, qui réunissait des représentants des mondes des compagnies d'électricité, des OEM, des institutions académiques, des consultants, des organismes de R&D et de l'industrie, experts de la coordination de l'isolement, de l'ingénierie et des technologies HT. Tous ces experts ont sur la période 2012 à 2022 contribué par leur expérience et leur connaissance à la production de la BT.

Le sujet traité dans la BT est d'intérêt pour toutes les parties prenantes du domaine des équipements de transport et de distribution (T&D) et de leur technologie, dont font partie tous ceux qui sont impliqués dans la sélection, les spécifications, la conception, la construction, et dans la gestion de l'exploitation des appareillages MT et HT. Le sujet central est la mise en œuvre de la correction atmosphérique et la correction d'altitude (AACF) de la tenue diélectrique des intervalles d'air et des isolateurs, non pollués, qui sont habituellement utilisés dans les lignes aériennes, les postes et dans les matériels.

La BT donne une vue d'ensemble des méthodologies actuelles d'AAFC, exposées dans diverses normes CEI. Elle présente également les tendances actuelles, ou à venir, à prendre en compte dans la révision des normes et des procédures, en soulignant le besoin d'efforts futurs en matière de recherche, d'essais et de normalisation.

La BT est structurée en huit chapitres et 6 Annexes.

Le premier chapitre (Chapitre 1 "Introduction") présente les objectifs et les motivations des travaux, ainsi que certains aspects des travaux. Les termes "correction atmosphérique" et "correction d'altitude" sont souvent utilisés en parallèle et l'un à la place de l'autre. Dans le chapitre on souhaite montrer les aspects qui leur sont communs et ceux qui les différencient. On y présente les principes de l'utilisation de la correction atmosphérique pour les essais diélectriques et la coordination de l'isolement, et on explique, pour ces cas, les différences entre correction atmosphérique et correction d'altitude

Le Chapitre 2 “Bases physiques des corrections atmosphériques pour les décharges dans l'air", fournit une vue d'ensemble des mécanismes des décharges dans l'air. Le comportement des décharges par streamer et par leader sont expliqués, pour les intervalles d'air, longs et courts. Cette partie se termine par une discussion des influences de la densité et de l'humidité de l'air, et de leur impact sur les décharges dans l'air.

Le Chapitre 3 “Bases historiques des méthodes de correction actuelles et leurs déficiences" donne un aperçu de l'historique et des bases des méthodologies de correction actuelles, de leurs limites et de leurs inadéquations. La correction atmosphérique appliquée aux essais, (telle qu'exposée dans les normes CEI, publiées en 1973, 1989 et 2010), et à la coordination de l'isolement (CEI 60071), est traitée.

Le Chapitre 4 “Comparaison des méthodes actuelles de correction exposées dans différentes normes et des résultats d'essai historiques" est consacré à l'analyse de la précision des méthodes actuelles de correction, préconisées dans différentes normes (CEI et IEEE), par comparaison à des résultats d'essai publiés. La comparaison entre les résultats de ces essais et les rares données des essais sur lesquelles les méthodes sont basées montre que des investigations complémentaires sont nécessaires.

L'analyse des données historiques des essais de chocs de manœuvre, dans le chapitre 4, sur lesquelles sont basées les méthodes de correction, doit être vue avec circonspection du fait du volume plutôt limité des données. On peut constater cependant que les méthodes des CEI 60-1 [S-1], CEI 60060-1 [S-3] et CEI 60071-2 [S-5], donnent des résultats comparables, et conduisent à des corrections plus fortes pour les impulsions à temps de montée normalisé, alors qu'elles conduisent à des corrections trop faibles pour les temps de montées plus courts ou critiques.

Le Chapitre 5 “Méthodes de correction pour les intervalles longs (densité de l'air) – Essais de claquage et correction d'altitude” présente une analyse approfondie des méthodes de correction appliquées pour les intervalles d'air longs (densité de l'air). On y rapporte des résultats d'essais récents sur des intervalles d'air longs, à des altitudes élevées allant jusqu'à 4200 m, pour des contraintes CA, CC, LI et, SI, et on analyse ces nouveaux résultats en relation avec les méthodes de correction actuelles (Figure 2).

Les Figures 3 et 4 montrent des données d'essais CA et CC, sur des configurations tige-plan, de longueurs de 1 à 3 m, après application de la correction aux conditions atmosphériques normalisées. Elles démontrent la nécessité d'un facteur de correction pour les hautes altitudes, à appliquer après les facteurs de correction atmosphériques normalisés.

Dans le Chapitre 6 “Méthodes de correction pour les intervalles d'air courts (densité de l'air)” on donne diverses informations sur les méthodes de correction actuelles applicables aux intervalles courts. On y expose rapidement la physique du claquage dans les intervalles courts, et on propose des directives pour appliquer des corrections en fonction de la longueur et des caractéristiques de l'intervalle, pour des expositions à différents types de tension.

Dans le passé on pensait que pour les intervalles courts (< 1 m), la correction d'humidité n'était pas nécessaire pour des équipements installés en altitude (à 1000 m au-dessus du niveau de la mer et plus), ou dans des conditions atmosphériques différentes. Cependant des travaux récents, présentés dans le chapitre 6, montrent que les influences de l'humidité sont plus prononcées pour les intervalles courts quand le niveau de claquage dépasse les 500 kV/m, normalement nécessaires à la propagation des streamers. Les données disponibles montrent des divergences dans la méthode de correction de la CEI 60060-1, essentiellement en rapport avec les corrections de l'humidité, qui ne sont pas définies dans les normes pour les intervalles courts. La norme CEI ne mentionne pas spécifiquement les intervalles courts, mais il est vrai que le paramètre g n'est plus applicable aux intervalles courts, puisque le gradient moyen de propagation des streamers positifs est plus élevé que les 500 kV/m.

Le Chapitre 7 “Correction d'humidité” donne les grandes lignes des efforts actuels de normalisation concernant la correction de l'humidité absolue, et met en exergue les besoins futurs de normalisation dans ce domaine. Dans les normes actuelles les corrections d'humidité sont fortement intriquées avec les corrections de densité de l'air.

Pour les claquages diélectriques, il existe des différences essentielles entre les intervalles d'air courts et longs. La correction d'humidité est divisée en correction pour les intervalles courts (≤ 1 m, avec prédominance des claquages par streamers), en correction pour les intervalles intermédiaires (1 m < d ≤ 2 m), et correction pour les intervalles longs (d > 2 m, avec prédominance des claquages par leaders). L'attention est portée principalement sur les intervalles longs qui sont majoritaires pour les lignes de transport de haute altitude. Le but est de proposer une mise à jour de l'approche de correction de l'actuelle CEI 60060-1 limitée à 2000 m au-dessus du niveau de la mer, pour couvrir les hautes altitudes.

On donne aussi des informations de base sur la manière dont les mécanismes de claquage sont impactés par l'humidité. Pour les intervalles longs les facteurs importants sont :

1. Le type de la contrainte de tension, c. à d. CC, CA, SI et LI,
2. La forme des pré-décharges,
3. Le nombre des impulsions consécutives pour les SI, les intervalles de temps entre les impulsions pour les LI, et l'accumulation des ions à proximité des surfaces, qui sont analysés.

Le Chapitre 8 rassemble les conclusions issues des travaux présentés, et fait un point résumé de l'état de la recherche et des applications des corrections, atmosphériques et d'altitude, et se projette sur les besoins de futures recherches.

La BT se termine par les Annexes suivantes :

L'Annexe B, “Références”, est une liste des documents qui ont été utilisés pour préparer la BT. Elle comporte 140 publications (normes et rapports) et pourrait être utile aux personnes qui ont besoin d'informations plus complètes dans ce domaine particulier d'ingénierie.

L'Annexe C est une proposition préparatoire du Comité National Allemand de nouvelle Annexe à la norme CEI 60071-2, 3rd Ed.

L'Annexe D expose toutes les données compilées utilisées pour établir les courbes de correction de la Section 4.2 de la BT.

L'Annexe E présente toutes les données d'essai couramment accessibles, dont celles utilisées pour formuler les méthodes de correction actuelles.

L'Annexe F est un exemple d'application des facteurs de correction atmosphériques pour les essais disruptifs.

Enfin, le GT D1.50 est convaincu que des nouveaux essais et recherches sont indispensables pour perfectionner les normes actuelles.

Le GT souhaite remercier le "China Electric Power Research Institute", Eskom et l'Université de Witwatersrand, qui ont fourni des données propres aux altitudes élevées, ainsi qu'aux claquages CA et CC de différents intervalles d'air.
Le GT souhaite remercier les Membres Correspondants J. C. Martinez Magdaleno, M. Ramirez et G. Rizzi, pour leur aide dans la récupération des données originales d'essais qui ont été utilisées pour établir les méthodes de correction actuelles.