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Un disjoncteur à vide de 12 kV est arrivé dans une cimenterie des Andes, installée à 2 800 mètres d'altitude. Six mois plus tard, il est tombé en panne lors d'une commutation de routine, non pas à cause d'un défaut de fabrication, mais à cause d'un embrasement sur des surfaces d'isolation qui fonctionnaient parfaitement lors des tests effectués en usine au niveau de la mer.
La cause première : un niveau d'impulsion de base inadapté aux contraintes combinées de la haute altitude et de la poussière de ciment. Le niveau d'impulsion de base standard de 75 kV, suffisant à 1 000 mètres dans un air propre, ne pouvait pas résister aux surtensions transitoires lorsque la densité de l'air chutait de 30% et que la pollution recouvrait toutes les surfaces exposées.
La coordination de l'isolation permet précisément d'éviter ce mode de défaillance. Elle fait correspondre la résistance diélectrique de l'équipement aux contraintes de tension réelles, en tenant compte de l'endroit où l'équipement fonctionne, et pas seulement de la tension qu'il transporte. La BIL quantifie la capacité de résistance aux surtensions transitoires, exprimée en kilovolts de crête pour une forme d'onde d'impulsion de foudre normalisée.
Trois facteurs dominent la sélection des BIL moyenne tension : l'altitude (réduction de la densité de l'air), la sévérité de la pollution (contamination de surface) et les caractéristiques du système de câble (adaptation de l'impédance de surtension). Ce guide fournit des méthodes de sélection pratiques pour chacun de ces facteurs, avec des calculs basés sur la CEI et des tableaux de décision que les ingénieurs peuvent appliquer directement aux spécifications d'approvisionnement.
Pour une compréhension fondamentale de principes de fonctionnement des disjoncteurs à vide, La ressource liée couvre les mécanismes d'extinction de l'arc et la conception des contacts qui influencent les exigences en matière d'isolation.
Le niveau d'impulsion de base définit l'amplitude de la tension de crête que l'équipement électrique doit supporter lors d'événements de surtension transitoires, en particulier les coups de foudre et les surtensions de commutation. Pour les systèmes à moyenne tension entre 3,6 kV et 36 kV, les valeurs BIL sont généralement comprises entre 40 kV et 170 kV, ce qui représente un rapport de 5:1 à 6:1 entre la résistance aux impulsions et la tension nominale de fonctionnement.
La physique est centrée sur la relation tension-temps pendant les impulsions. Une impulsion de foudre standard atteint sa crête en 1,2 microseconde et décroît jusqu'à 50% en 50 microsecondes (la forme d'onde 1,2/50 μs définie par la norme CEI 60060-1). Cette pointe de tension rapide sollicite l'isolation différemment de la tension continue à fréquence industrielle.
Trois catégories de tensions nécessitent une coordination :
| Type de stress | Durée | Ampleur typique | Source |
|---|---|---|---|
| Fréquence d'alimentation | En continu | 1,0 × tension nominale | Fonctionnement normal |
| Surtension temporaire | De secondes en minutes | 1,2-1,5 × la tension nominale | Élimination des défauts, rejet de la charge |
| Surtension transitoire | Microsecondes | 3-12 × tension nominale | Foudre, commutation |
Selon la norme CEI 60071-1 (Coordination de l'isolement - Partie 1 : Définitions, principes et règles), les valeurs BIL standard suivent une série préférentielle. Pour les systèmes Um = 36 kV, la BIL standard est de 170 kV, tandis que les systèmes Um = 12 kV nécessitent généralement des BIL de 75 kV ou 95 kV en fonction de la configuration de la mise à la terre du neutre et de la sévérité attendue de la surtension.
La capacité de résistance diélectrique dépend de trois facteurs interconnectés : la résistance à la rupture du matériau d'isolation (généralement 20-40 kV/mm pour les câbles XLPE), la configuration géométrique déterminant la distribution du champ électrique et les conditions environnementales, y compris la pression atmosphérique.
Valeurs nominales BIL standard pour les équipements à moyenne tension :
| Tension nominale (kV) | Options BIL standard (kV crête) |
|---|---|
| 3.6 | 20, 40 |
| 7.2 | 40, 60 |
| 12 | 60, 75, 95 |
| 17.5 | 75, 95 |
| 24 | 95, 125, 145 |
| 36 | 145, 170 |
Le choix des options dépend de la méthode de mise à la terre du système, de la fréquence d'exposition à la foudre et des facteurs environnementaux du site critique qui réduisent la rigidité diélectrique effective.
La densité de l'air diminue avec l'altitude, ce qui réduit proportionnellement la rigidité diélectrique. Au niveau de la mer (1 013 hPa), l'air standard offre une capacité d'isolation de base. À mesure que l'altitude augmente, les molécules s'écartent les unes des autres et la tension de claquage diminue. Un équipement évalué à 75 kV BIL au niveau de la mer peut ne fournir que 60 kV BIL à 3 000 mètres sans correction.
La correction devient obligatoire au-delà de 1 000 mètres selon la norme IEC 60071-2. La formule :
K_a = e^(H/8150)
Où K_a est le facteur de correction de l'altitude et H représente l'altitude en mètres.
Facteurs de correction d'altitude précalculés :
| Altitude (m) | Facteur de correction K_a | Réduction effective de la BIL |
|---|---|---|
| 1,000 | 1,00 (référence) | 0% |
| 1,500 | 1.06 | 6% |
| 2,000 | 1.13 | 13% |
| 2,500 | 1.20 | 20% |
| 3,000 | 1.28 | 28% |
| 3,500 | 1.36 | 36% |
| 4,000 | 1.45 | 45% |
Application pratique : Une TBT de 12 kV destinée à un site de 2 500 m nécessite une BIL d'au moins 75 × 1,20 = 90 kV. Sélectionnez le calibre standard suivant : 95 kV BIL.
Il existe deux options de mise en œuvre pour la compensation d'altitude. Premièrement, spécifier des équipements de classe BIL plus élevée - 95 kV au lieu de 75 kV pour la même tension nominale. Deuxièmement, demander une augmentation proportionnelle des lignes de fuite et des distances d'isolement. La plupart des fabricants de disjoncteurs à vide proposent des variantes adaptées à l'altitude. Spécifiez l'altitude d'installation dans les documents d'appel d'offres - un rééquipement coûte beaucoup plus cher qu'une spécification initiale correcte.
[Regard d'expert : Choix de l'altitude]
- Les sites de plus de 2 000 m doivent être classés par défaut dans la classe BIL immédiatement supérieure, quels que soient les résultats des calculs.
- Les environnements secs, à faible taux d'humidité et à haute altitude permettent une récupération plus rapide de la tension après des décharges partielles.
- Les effets combinés de l'altitude et de la pollution s'additionnent - appliquez les deux corrections l'une après l'autre.
- Demander au fabricant des certificats de test d'altitude pour les installations situées à plus de 3 000 m d'altitude
La contamination de surface - brouillard salin, poussière de ciment, particules industrielles, produits chimiques agricoles - crée des chemins conducteurs lorsqu'elle est combinée à l'humidité. La norme CEI 60815 définit quatre niveaux de gravité de la pollution en fonction de l'exposition environnementale :
| Niveau de pollution | Description | Environnements typiques |
|---|---|---|
| I - Lumière | Pollution industrielle minimale, pas de sel | Zones rurales, faible densité de trafic |
| II - Moyen | Exposition modérée à l'industrie ou à la circulation | Zones suburbaines, industrie légère |
| III - Lourd | Activité industrielle dense, zone côtière 1-10 km | Industrie lourde, près du littoral |
| IV - Très lourd | Poussière conductrice, brouillard salin direct, produits chimiques | Cimenteries, installations côtières, traitement chimique |
La distance de fuite, c'est-à-dire la longueur du chemin de surface entre les parties actives et le sol, doit augmenter avec la gravité de la pollution :
| Niveau de pollution | Ligne de fuite minimale (mm/kV) |
|---|---|
| I - Lumière | 16 |
| II - Moyen | 20 |
| III - Lourd | 25 |
| IV - Très lourd | 31 |
Exemple de calcul : Un équipement de 12 kV dans un environnement de niveau III nécessite une ligne de fuite minimale de (12 ÷ √3) × 25 = 173 mm.
Les équipements intérieurs situés dans des salles de commutation correctement scellées et climatisées sont généralement classés au niveau de pollution I ou II. Cependant, l'expérience sur le terrain révèle que les espaces intérieurs mal ventilés - en particulier dans les exploitations minières et cimentières - accumulent une contamination sur 5 à 10 ans qui crée des voies de cheminement en surface. Évaluer la qualité réelle de l'air plutôt que de supposer qu'un espace intérieur est automatiquement propre.
Pour sélection de la VCB en extérieur ou en intérieur, La détermination du niveau de pollution influe considérablement sur le coût initial de l'équipement et sur sa fiabilité à long terme.
Les sites de haute altitude coïncident souvent avec une pollution sévère : exploitations minières à 3 500 m, cimenteries dans les vallées montagneuses, installations industrielles éloignées des infrastructures de réseau. Ces deux facteurs de détérioration s'ajoutent l'un à l'autre.
Méthode d'application séquentielle :
Exemple travaillé : VCB extérieure de 24 kV à 3 500 m d'altitude dans une cimenterie (niveau de pollution IV) :
Matrice de décision de la sélection combinée :
| État du site | Action recommandée |
|---|---|
| ≤1 000 m, Pollution I-II | BIL standard, lignes de fuite standard |
| 1 000-2 000 m, pollution I-II | Prochaine classe supérieure de BIL |
| >2 000 m, toute pollution | Calculer le K_a exact, spécifier l'équipement adapté à l'altitude |
| Pollution III-IV, toute altitude | Isolateurs à lignes de fuite étendues, envisager un boîtier en silicone |
| Altitude élevée combinée à une forte pollution | Les deux corrections sont appliquées, la consultation du fabricant est nécessaire |
Les isolateurs en caoutchouc de silicone sont plus performants que la porcelaine dans les environnements de niveau III et IV grâce aux propriétés hydrophobes de la surface qui font que l'eau perle plutôt que de former des films conducteurs.
[Regard d'expert : Déploiement en milieu hostile]
- Les données relatives aux défaillances sur le terrain montrent que les effets combinés de l'altitude et de la pollution sont à l'origine de plus de 60% des défaillances de l'isolation au-dessus de 2 000 m.
- Les boîtiers en silicone conservent leur hydrophobie pendant 15 à 20 ans ; la porcelaine doit être nettoyée périodiquement.
- Spécifier le niveau de pollution dans les documents d'achat - les fabricants ne peuvent pas deviner les conditions du site
- Des essais réguliers de résistance de l'isolation (au moins une fois par an) permettent de détecter la dégradation avant la défaillance.
Les câbles d'alimentation présentent des défis de coordination de l'isolation différents de ceux des équipements isolés à l'air. Les câbles XLPE et EPR ont une constante diélectrique plus élevée (ε_r ≈ 2,3-3,5), une impédance de surtension plus faible (20-50 Ω contre 300-400 Ω pour les lignes aériennes) et une marge BIL minimale au-delà des valeurs nominales.
Câbles standard Valeurs nominales BIL :
| Tension nominale du câble U₀/U (kV) | BIL (kV crête) |
|---|---|
| 3.6/6 | 60 |
| 6/10 | 75 |
| 8.7/15 | 95 |
| 12/20 | 125 |
| 18/30 | 170 |
Lorsque les ondes progressives rencontrent une discontinuité d'impédance - jonction entre le câble et la ligne aérienne, terminaison de câble ouverte - il se produit une réflexion de la tension. À une extrémité ouverte, la tension peut théoriquement doubler. Les terminaisons de câbles et les appareillages de commutation connectés aux câbles subissent des contraintes transitoires plus importantes que les équipements des systèmes purement aériens.
Stratégies de protection :
Les courts parcours de câbles (200 m) nécessitent une analyse des paramètres distribués pour la coordination des surtensions. Pour les réseaux de distribution souterrains comportant des sections mixtes de câbles et de lignes aériennes, il convient de placer des parafoudres à chaque jonction de ligne de câble.
Le Liste de contrôle VCB RFQ comprend des exigences en matière de coordination des câbles que les spécialistes des achats doivent vérifier avant de finaliser les spécifications.
Étape 1 : Déterminer la classe de tension du système
Identifier la tension maximale du système (U_m) selon les normes du réseau local et l'emplacement de l'équipement dans le réseau.
Étape 2 : Sélectionner la BIL de base
Choisir le BIL standard dans les tableaux de la CEI 60071-1 pour la classe de tension. Les systèmes mis à la terre de manière efficace permettent un BIL plus bas ; les systèmes non mis à la terre ou mis à la terre par résistance nécessitent des valeurs plus élevées.
Étape 3 : Calculer la correction d'altitude
Appliquer K_a = e^(H/8150) pour les installations supérieures à 1 000 m. Arrondir à la valeur BIL standard suivante.
Étape 4 : Déterminer la gravité de la pollution
Évaluer l'environnement du site à l'aide des critères de la CEI 60815. En cas d'incertitude, choisir un niveau supérieur à l'évaluation initiale.
Étape 5 : Calcul de la ligne de fuite minimale
Multiplier la tension phase-terre par le facteur de fuite pour le niveau de pollution.
Étape 6 : Cartographier la chaîne de coordination des équipements
Vérifier les valeurs nominales de BIL pour Transformateur (le plus élevé) → Appareillage (intermédiaire) → Câbles (protégés par des parafoudres) → Parafoudres (niveau de protection inférieur au BIL de tous les équipements).
Étape 7 : Spécification des niveaux de protection des parafoudres
La tension résiduelle du parafoudre doit rester 15-20% inférieure à la BIL de l'équipement protégé sous le courant de décharge maximal.
Étape 8 : Documenter les spécifications complètes
Inclure l'altitude, le niveau de pollution, le BIL requis, la distance de fuite et la coordination des parafoudres dans les documents d'achat.
Le calcul de la marge de protection est le suivant : Marge (%) = [(BILéquipement - Vniveau de protection) ÷ Vniveau de protection] × 100. Pour la protection contre la foudre, la norme CEI 60071-2 recommande des marges minimales de 15-25% en fonction de la criticité de l'installation et des facteurs de correction de l'altitude.
Schéma d'échec 1 : sous-estimation de l'altitude
Les équipements spécifiés pour fonctionner au niveau de la mer échouent dans les mines de haute altitude ou dans les installations de montagne. La réduction de la BIL du 28% à 3 000 m dépasse les marges de conception standard. L'embrasement de la commutation se produit pendant les opérations normales, et pas seulement dans des conditions de défaillance.
Prévention : L'altitude de l'installation doit toujours être indiquée dans les spécifications d'achat. Demandez un équipement adapté à l'altitude ou une classe BIL supérieure.
Schéma de défaillance 2 : fluage de la pollution
Les hypothèses relatives aux salles blanches pour les appareillages de commutation intérieurs ne tiennent pas compte des réalités de la ventilation. L'infiltration de poussière sur une période de 5 à 10 ans crée des trajectoires de suivi de la surface qui apparaissent soudainement après des pluies ou des épisodes d'humidité prolongés.
Prévention : Effectuer des tests annuels de résistance de l'isolation. Établir des programmes de nettoyage pour les environnements poussiéreux. Envisager la conception d'appareillages de commutation scellés pour les sites de niveau III+.
Schéma de défaillance 3 : négligence dans la terminaison des câbles
Des parafoudres sont installés aux bornes du transformateur mais manquent aux jonctions entre le câble et l'appareillage de commutation. La terminaison du câble - la liaison d'isolation la plus faible - tombe en panne lors de transitoires de commutation plutôt que lors d'événements liés à la foudre.
Prévention : Installer des parafoudres à chaque terminaison de câble. Vérifier que l'énergie nominale des parafoudres correspond à la charge de surtension prévue.
Liste de contrôle pour la vérification de la mise en service :
Une bonne coordination de l'isolation permet de traduire la réalité environnementale dans les spécifications de l'équipement. Le choix d'un BIL sans correction d'altitude garantit une défaillance éventuelle en altitude. Ignorer la gravité de la pollution favorise le suivi de la surface et l'embrasement. Ignorer les caractéristiques d'impédance de surtension des câbles rend les terminaisons vulnérables.
Éléments de spécification essentiels pour les documents de passation de marchés :
Normes à consulter : IEC 60071-1/2 (coordination de l'isolation), IEC 60815 (classification de la pollution), IEC 62271-1 (appareillage de commutation à haute tension), IEEE C62.82.1 (applications nord-américaines).
La consultation du fabricant est importante pour les sites difficiles. Les valeurs d'altitude personnalisées, les options de lignes de fuite étendues et les mises à niveau des boîtiers en silicone nécessitent un support d'ingénierie d'application allant au-delà des offres standard du catalogue.
XBRELE offre des disjoncteurs sous vide testés à une altitude de 4 000 m, des modèles résistants à la pollution avec des boîtiers en silicone pour les environnements de niveau IV, ainsi qu'une assistance technique pour les exigences complexes de coordination de l'isolation. Contactez notre équipe d'ingénieurs pour une révision de la coordination de l'isolation pour votre prochain projet de moyenne tension.
Référence externe : IEC 60071-1 Norme de coordination de l'isolation - Documentation technique officielle de la Commission électrotechnique internationale.
Q : Quelle est la différence entre le BIL et la tension de tenue en fréquence ?
R : Le BIL mesure la résistance à des surtensions transitoires rapides d'une durée de quelques microsecondes, tandis que la résistance à la fréquence d'alimentation teste la tension soutenue à 50/60 Hz pendant une minute - l'équipement doit réussir les deux tests, car chacun évalue des mécanismes de défaillance de l'isolation différents.
Q : À quelle altitude le déclassement de l'isolation devient-il obligatoire ?
R : Les normes CEI exigent une correction d'altitude au-dessus de 1 000 mètres ; à 2 000 mètres, le facteur de correction atteint 1,13, ce qui signifie que l'équipement a besoin d'un BIL supérieur d'environ 13% par rapport aux valeurs nominales au niveau de la mer pour maintenir une protection équivalente.
Q : L'appareillage de commutation intérieur peut-il ignorer les exigences en matière de niveau de pollution ?
Les espaces intérieurs mal ventilés, en particulier dans les installations industrielles manipulant des poudres ou situées près des zones côtières, peuvent accumuler au fil des ans des contaminations qui créent des trajectoires dans des conditions d'humidité élevée.
Q : Comment déterminer le niveau de pollution adéquat pour mon site d'installation ?
A : Évaluer la proximité des sources de pollution (distance du littoral, émissions industrielles, activité agricole), les schémas climatiques locaux (humidité, fréquence des précipitations) et les données historiques de contamination des installations voisines ; lorsque l'évaluation est incertaine, choisir un niveau plus élevé que l'estimation initiale.
Q : Pourquoi les terminaisons de câble sont-elles plus souvent défaillantes que les autres points d'isolation ?
R : Les terminaisons de câbles subissent un doublement de tension dû à la réflexion des surtensions au niveau des déséquilibres d'impédance entre le câble (20-50 Ω) et l'équipement connecté (300+ Ω), ce qui en fait le maillon coordonné le plus faible s'il n'est pas protégé par des parafoudres correctement dimensionnés.
Q : Dois-je spécifier des équipements adaptés à l'altitude ou utiliser des lignes de fuite étendues pour les sites à haute altitude ?
R : Les équipements classés en fonction de l'altitude avec une classe BIL plus élevée sont généralement préférés au-dessus de 2 000 m parce qu'ils traitent simultanément l'isolation interne et externe ; l'extension de la ligne de fuite seule améliore seulement la performance de la surface externe tout en laissant les marges d'isolation interne inchangées.
Q : À quelle fréquence la résistance d'isolement doit-elle être testée dans des environnements difficiles ?
R : Les tests annuels représentent la pratique minimale pour les environnements de niveau de pollution III et IV. Des tests trimestriels sont recommandés pour les cimenteries, les installations côtières et autres lieux où la contamination s'accumule rapidement entre les cycles de nettoyage.
