Densité de gaz

Dans les appareils Trafag, la densité du gaz isolant est surveillée selon les principes de la chambre de référence ou de la fourche vibrante à quartz. Ces deux méthodes se caractérisent par une fiabilité et une précision maximales. En outre, les appareils peuvent parfaitement fonctionner dans des chambres à température et à pression variables. Les systèmes peuvent être exploités en toute sécurité et sans interruption, même pendant les travaux de maintenance et d'inspection. Et Trafag se prépare déjà à relever d'autres défis techniques: les réglementations environnementales plus strictes et l'utilisation de gaz neutres pour le climat.

Le développement des appareillages de commutation à haute tension isolés par air (AIS), qui sont passés de la taille d'un terrain de football à ceux qui ne nécessitent plus que dix pour cent de l'espace occupé auparavant, s'est fait par étapes de plus en plus importantes à partir des années 1980, notamment grâce aux moniteurs de densité innovants de Trafag AG: la base en est que les composants à haute tension sont installés dans des chambres de pression dans lesquelles un gaz isolant hautement comprimé et efficace empêche ou éteint les défauts d'arc et les courts-circuits.

L'hexafluorure de soufre gazeux (SF₆) possède le meilleur effet isolant et extincteur à haute et très haute tension (66 à >1000kV). Cependant, le SF₆ dépasse l'effet de serre du CO₂ par un facteur de 23500. Par conséquent, aucun gaz ne doit s'échapper des appareils de commutation. Les régulateurs de tous les pays imposent des exigences élevées en matière de surveillance du gaz SF₆. En coopération avec les fabricants d'appareils de commutation renommés, Trafag AG a développé dans les années 1980 le système de chambre de référence pour la surveillance de la densité du gaz, qui offre une plus grande précision que les principes conventionnels de manomètre e évite les fausses alarmes évitables.

Aujourd'hui, les exploitants d'installations de commutation à haute tension sont confrontés à de nouveaux défis. D'une part, les compagnies d'électricité s'efforcent d'exploiter leurs installations en permanence, sans interruption. À cette fin, l'industrie mise de plus en plus sur la mesure électronique continue de la densité et sur la maintenance prédictive, au lieu de se fier exclusivement aux mécanismes d'avertissement et d'arrêt comme par le passé. D'autre part, la taille des installations doit encore être réduite, ce qui se traduit par des diamètres et des surfaces d'isolation plus petits. Enfin, des mélanges de substitution de gaz isolants plus respectueux du climat prennent visiblement la place du SF₆. Et une fois de plus, c'est Trafag AG qui propose dès aujourd'hui les bonnes solutions.

L'appareillage de commutation isolé par air (AIS) (photo ci-dessus) a cédé la place à un appareillage de commutation isolé par gaz (GIS) très compact dans les endroits où l'espace est limité

Trafag a fixé les exigences de qualité et de précision des contrôleurs de densité de manière à ce que les points d'alarme soient limités à une plage étroite. Plus la fiabilité et la précision des systèmes sont élevées, plus les tolérances dans lesquelles l'installation peut être utilisée sont réduites. Les distances d'isolation peuvent ainsi être réduites, l'installation complète peut être optimisée pour répondre aux exigences et sa taille peut être réduite: la surface du site requise pour les appareillages de commutation diminue. Une mesure de densité inexacte nécessite des volumes plus importants, tandis qu'une mesure de densité précise permet d'obtenir des tailles d'installation sur mesure et des zones compactes.

La fiabilité et la sécurité de fonctionnement des systèmes haute tension à isolation gazeuse ne peuvent être garanties que si la densité de gaz isolant requise est maintenue à l'intérieur des compartiments sous pression. Une fuite mettrait en danger la fonctionnalité et la sécurité de l'appareillage et violerait en même temps les réglementations environnementales. Les exigences réglementaires stipulent donc une surveillance permanente du compartiment sous pression. Les systèmes doivent rester étanches à tout moment et les contrôleurs de densité doivent fonctionner avec la précision spécifiée.

Tant qu'il n'y a pas de fuite dans la chambre de pression isolée au gaz, le nombre de molécules de gaz dans l'espace fermé reste le même. Le nombre de molécules (densité), la pression et la température interagissent physiquement, sur la base de ce que l'on appelle des isochores. Plus la température est élevée dans un espace fermé rempli de gaz, plus la pression est élevée. Les systèmes isolés au gaz sont également installés à l'extérieur, où les températures peuvent varier de -40°C à +60°C. Il est donc impératif que l'ensemble du système soit compensé en température, car sinon l'affichage de la densité montrerait des valeurs plus élevées lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil et des valeurs plus faibles lorsqu'il est exposé au gel - même si le même nombre de molécules se trouve dans le système.

Surveillance et mesure précises - et donc également sûres - de la densité du gaz isolant dans la technologie haute tension: influences environnementales, sécurité opérationnelle ou maintenance efficace, réglementations - ce ne sont là que quelques-uns des défis auxquels sont confrontés les exploitants d'appareillages de commutation haute tension

On attribue au gaz isolant SF₆ , qui est principalement utilisé aujourd'hui, une part de 0,5% dans le réchauffement de la planète. De nombreux exploitants s'efforcent donc d'équiper dès le départ les nouvelles installations de gaz alternatifs neutres pour le climat. Les installations existantes, dont des centaines de milliers sont en service dans le monde, sont également partiellement modernisées. Avec les gaz alternatifs, seuls le type et le nombre de molécules utilisées pour l'isolation électrique changent. Trafag AG peut fournir les instruments appropriés pour tous les gaz alternatifs utilisés aujourd'hui, qui sont conformes aux normes existantes. Les instruments Trafag sont ajustés en usine pour le gaz spécifique et la pression de remplissage spécifique. Les instruments sont ensuite scellés et prêts à être utilisés.

Les manomètres étaient autrefois la norme pour les systèmes de surveillance. En raison de leur conception mécanique simple avec un tube de Bourdon et une compensation bimétallique de la température, ils sont généralement moins chers, mais moins précis en raison de leur conception. Les mesures avec un tube de Bourdon doivent être compensées en température dans chaque cas afin que les valeurs de densité réelles puissent être vérifiées. Les éléments bimétalliques utilisés pour la compensation de la température doivent être spécifiquement adaptés au gaz isolant respectif. En cas de grandes fluctuations de température, ce mécanisme conduit à des inexactitudes de mesure plus élevées. À des températures particulièrement élevées ou basses, le changement de précision avec de tels manomètres à compensation bimétallique est disproportionné. Il en résulte des fausses alarmes évitables.

Pour contrer les imprécisions des densimètres classiques, Trafag a développé le principe de la chambre de référence basé sur la technologie des pressostats. Le principe est simple - mais ingénieux: dans les contrôleurs de densité de gaz, un gaz de référence est utilisé dans la chambre de référence qui a les mêmes propriétés que le gaz d'isolation dans les composants de l'appareillage de commutation. Le gaz de référence et le gaz d'isolation sont couplés thermiquement et à la même température, de sorte que les fluctuations de pression dues aux changements de température sont éliminées. Par conséquent, les contrôleurs sont entièrement compensés en température par conception et atteignent donc une précision plus élevée que les manomètres compensés en température.

Aujourd'hui, la quatrième génération d'instruments est déjà sur le marché. Chaque instrument a une durée de vie de plus de 25 ans. De plus, ces instruments sont eux-mêmes sans entretien. Si la chambre de pression à surveiller perd effectivement du gaz d'isolation, c'est-à-dire que la pression s'échappe, le système de chambre de référence actionne mécaniquement des points de commutation via des microcontacts. Dès le premier niveau d'alarme, le gaz d'isolation doit être rempli à nouveau. Seule une chute rapide de la pression entraîne l'arrêt du système, qui est déclenché par la commutation appropriée et fiable d'autres microcontacts.

Principe de la chambre de référence simplifié. Intégrées aux produits Trafag, elles permettent aux exploitants d'appareillages de commutation à haute tension d'assurer un fonctionnement ininterrompu et sûr

Ces dernières années, l'industrie de la distribution d'énergie a connu une demande croissante pour la mesure continue de la densité, qui fournit des informations en temps réel sur la quantité de gaz réellement perdue et sur le moment où les valeurs critiques sont atteintes, de sorte que des mesures immédiates peuvent être prises. Les problèmes généraux dans l'installation peuvent être détectés plus tôt et le remplissage ou, par exemple, le remplacement des joints toriques peut être initié à temps dans le sens de la maintenance prédictive.

La méthode conventionnelle de mesure de la densité consiste en une mesure de pression combinée à un capteur de température intégré afin de pouvoir corriger la pression en fonction de la température. Trafag a révolutionné ce principe en reprenant les fourchettes à quartz oscillantes de la technologie horlogère et en les incorporant dans des capteurs. L'oscillation d'un quartz dans un gaz est amortie par le nombre de molécules. Le degré d'amortissement est directement proportionnel à la densité. Cette forme de mesure continue de la densité est nettement plus stable et précise que la mesure de la pression compensée en température.

Entre-temps, chaque quatrième contrôleur de densité comprend un capteur sans entretien pour la mesure continue de la densité du gaz. Le signal de mesure est transmis par un signal de courant ou le système de capteurs dispose d'une sortie numérique Modbus. Le système de contrôle de l'opérateur calcule ensuite, à partir des valeurs transmises, la quantité de gaz actuellement présente dans le système et analyse les actions nécessaires, le cas échéant.

Principe simplifié de la comparaison du diapason à quartz. Le principe de mesure détermine l'amortissement de l'oscillation du quartz par la quantité de molécules (densité)

L'inspection régulière des appareillages de commutation isolés au gaz est régie par diverses réglementations nationales, en Europe, par exemple, par le règlement F-Gas. Selon celui-ci, le contrôleur de densité doit être contrôlé tous les six ans pour les installations mises en service à partir de 2017 et contenant plus de 22 kilogrammes de gaz SF₆. De nombreux exploitants d'installations sont déjà passés d'eux-mêmes à la réalisation de l'inspection tous les deux à quatre ans. Pour ce faire, il fallait auparavant mettre hors tension la partie concernée de l'installation et capturer le gaz isolant. Le contrôleur de densité du gaz est démonté et relié à un appareil de contrôle séparé.

Trafag est le premier fournisseur à développer une vanne intégrée qui permet de tester le moniteur pendant le fonctionnement sans avoir à arrêter le système. Le moniteur de densité de gaz est combiné à une vanne de remplissage et de test et soudé de manière étanche, ce qui rend le système étanche. Grâce à la vanne, il est possible de vérifier le fonctionnement de l'unité pendant le fonctionnement et de remplir le gaz si nécessaire sans avoir à arrêter le système.

En fonctionnement normal, la connexion de test est hermétiquement fermée de l'extérieur. Si un instrument de test est connecté, une connexion directe est établie entre l'instrument de test et la chambre de référence du contrôleur de densité.