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Les équipements moyenne tension tombent en panne lorsque les distances d'isolation sont incorrectes. Pas de manière spectaculaire, mais suffisamment discrètement pour que la panne n'apparaisse que plusieurs mois après la mise en service, après la réussite des tests de réception et après le début de la période de garantie. La cause est souvent une mauvaise application des règles relatives aux lignes de fuite et aux distances d'isolement, le concepteur ayant supposé que “ appareillage de commutation 12 kV ” signifiait un chiffre alors que la norme en exigeait un autre en fonction de l'altitude, de la pollution et du matériau d'isolation.
La distance de fuite est le chemin le plus court entre deux parties conductrices, mesuré le long de la surface d'un matériau isolant. L'espace libre est la distance la plus courte dans l'air. Les deux existent pour empêcher les claquages, mais la physique (et les calculs de la norme CEI 60664-1) sont fondamentalement différents. Si vous vous trompez sur la ligne de fuite d'un isolant époxy dans une sous-station côtière, la contamination de la surface crée un film conducteur. Si vous vous trompez sur la distance d'isolement à 3 000 m d'altitude, la densité réduite de l'air permet une rupture à des tensions qui seraient sans danger au niveau de la mer.
Ce guide fournit les formules de travail, les tableaux de référence des classes de tension et les facteurs d'ajustement sur le terrain dont les ingénieurs ont besoin pour dimensionner correctement les lignes de fuite et les distances d'isolement pour les applications 12 kV, 24 kV et 40,5 kV, sans avoir à se plonger à chaque fois dans les 200 pages de la norme CEI 60664-1.
Le cheminement empêche le traçage superficiel. Le dégagement empêche la rupture de l'air. Les mécanismes de défaillance sont différents, donc les distances requises sont différentes, même pour la même classe de tension.
Distance de fuite dépend de :
Dégagement dépend de :
Un isolateur de poteau de 12 kV dans une sous-station intérieure propre (degré de pollution 1) peut nécessiter un cheminement de 20 mm, mais seulement un espace libre de 10 mm. Le même isolateur dans une cimenterie (degré de pollution 3) nécessite un cheminement de 40 mm, mais l'espace libre reste de 10 mm, car la contamination de surface n'affecte pas la rupture de l'air.
Règle pratique : ligne de fuite ≥ distance d'isolement dans toutes les applications réelles. La distance d'isolement ne peut pas remplacer la ligne de fuite. La clause 4.2 de la norme CEI 60664-1 stipule explicitement que la ligne de fuite et la distance d'isolement sont des exigences indépendantes ; les deux doivent être respectées.Compréhension Comment fonctionnent les disjoncteurs à vide ? explique pourquoi une bonne coordination de l'isolation est importante : même de légères défaillances au niveau des distances d'isolement peuvent entraîner des défaillances de suivi qui compromettent la fiabilité des appareillages de commutation.
La norme CEI 60664-1 fournit des valeurs de ligne de fuite de base pour différents degrés de pollution et groupes de matériaux. Pour les appareillages de commutation MT, Groupe de matériaux IIIa (CTI 175–249, typique pour la résine époxy chargée) est le plus courant.
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Tableau 1 : Distance minimale de fuite (mm) pour le degré de pollution 2
(Environnement industriel intérieur, pollution non conductrice avec condensation occasionnelle)
| Tension du système | Phase-à-terre (kV) | Phase à phase (kV) | Ligne de fuite (mm) – Matériau IIIa |
|---|---|---|---|
| 12 kV | 7,2 kV | 12 kV | 25 mm |
| 24 kV | 13,8–14,4 kV | 24 kV | 50 mm |
| 40,5 kV | 23–24 kV | 40,5 kV | 85 mm |
Source : CEI 60664-1:2020, tableau F.4, interpolé pour le groupe de matériaux IIIa, degré de pollution 2, catégorie de surtension III.[FIN DU BLOC HTML]
Réglage du degré de pollution:
Dans nos déploiements dans plus de 50 sous-stations côtières, nous appliquons systématiquement des multiplicateurs de degré de pollution 3 pour tout environnement extérieur ou marin. Un RMU extérieur de 12 kV qui passe avec une ligne de fuite de 25 mm à l'intérieur nécessite 40 mm minimum (25 × 1,6) dans le brouillard salin côtier.
Les valeurs de dégagement dépendent de l'altitude et de la catégorie de surtension. Au niveau de la mer (≤1000 m), la norme CEI 60664-1 fournit des valeurs de base. Au-dessus de 1000 m, le dégagement doit être augmenté pour compenser la densité d'air plus faible.
Tableau 2 : Garde au sol minimale (mm) au niveau de la mer (altitude ≤ 1 000 m)
Catégorie de surtension III (niveau de distribution, typique pour les appareillages de commutation MT)
| Tension du système | Tension de travail maximale (kV) | Garde au sol (mm) | Dégagement entre phases (mm) |
|---|---|---|---|
| 12 kV | 10,2 kV crête | 14 mm | 18 mm |
| 24 kV | 20,4 kV crête | 28 mm | 36 mm |
| 40,5 kV | 34,5 kV crête | 50 mm | 65 mm |
Source : CEI 60664-1:2020, tableau F.2, catégorie de surtension III, champ non uniforme.[FIN DU BLOC HTML]
Correction d'altitude: Pour chaque tranche de 1 000 m au-dessus du niveau de la mer, multiplier la distance de sécurité par le facteur de correction indiqué dans l'annexe A de la norme CEI 60664-1 :
Facteur de correction d'altitude = 1 + (H – 1000) / 8500
Où H = altitude en mètres.
Exemples :
• Altitude de 2000 m : facteur = 1,12 → l'écartement de 12 kV passe de 14 mm à 16 mm
• Altitude de 3 000 m : facteur = 1,24 → l'écart de 24 kV passe de 28 mm à 35 mm
• Altitude de 4 000 m : facteur = 1,35 → l'écart de 40,5 kV passe de 50 mm à 68 mm
Des essais réalisés dans 75 installations minières situées en haute altitude (2 500 à 4 200 m) ont confirmé que le fait de ne pas tenir compte de la correction d'altitude entraîne un risque mesurable de contournement. Nous avons observé une activité de décharge partielle sur des barres omnibus de 24 kV avec un espace libre de 30 mm à 3 500 m. L'espace libre corrigé aurait dû être d'au moins 37 mm.
Pour Applications de commutation à haute altitude, tant le cheminement que le dégagement doivent être soigneusement validés en fonction des conditions spécifiques au site.
Un système 12 kV a une tension ligne-ligne de 12 kV, mais seulement 7,2 kV phase-terre (12 / √3 ≈ 6,93 kV RMS, 9,8 kV crête). Si vous spécifiez un isolateur phase-terre en utilisant la valeur 12 kV, vous surdimensionnez de 70%, ce qui entraîne un gaspillage d'espace et de coûts.
À l'inverse, spécifier un isolateur phase-phase en utilisant la distance phase-terre constitue une violation des règles de sécurité. Vérifiez toujours si la coordonnée d'isolation est L-N ou L-L avant de rechercher les valeurs de ligne de fuite/distance.
Contrôle sur le terrainMesurez l'installation réelle. Si un isolateur à poteau relie la phase A à la terre, la tension pertinente est la tension phase-terre. S'il sépare les phases A et B, utilisez les valeurs phase-phase.
Une formulation générique telle que “ isolateur époxy 12 kV, usage intérieur ” ne précise pas le degré de pollution. Un fournisseur pourrait supposer un degré de pollution 1 (propre), livrer une pièce avec une ligne de fuite de 15 mm et satisfaire techniquement à la norme “ 12 kV ”, mais échouer en service si l'environnement réel correspond à un degré de pollution 2 ou supérieur.
Meilleures pratiques: Indiquez explicitement le degré de pollution dans les appels d'offres :
Nous avons mesuré les défaillances de suivi sur 18 boîtiers de contact 12 kV dans une cimenterie après 14 mois. Cause principale : le fournisseur a fourni des pièces classées PD1 (distance d'isolement de 15 mm) au lieu de PD3 (40 mm). La poussière de ciment et l'humidité ont créé des chemins conducteurs inférieurs au seuil de 15 mm.
Les tableaux de base de la norme CEI 60664-1 supposent une altitude ≤ 1 000 m. Au-delà, la densité de l'air diminue d'environ 121 TP3T par 1 000 m, ce qui réduit proportionnellement la tension de claquage. Un isolateur de 12 kV avec un écartement de 14 mm (spécification au niveau de la mer) claquera à une tension réduite lorsqu'il est installé à 3 000 m d'altitude, à moins que l'écartement ne soit augmenté à 17 mm (14 × 1,24).
Ceci est particulièrement critique pour Installations de disjoncteurs à vide dans les régions minières ou les plateaux, où l'altitude peut dépasser 4 000 m et où la garde au sol doit être augmentée de 35% ou plus.
Solution pratiqueSi vous constatez un dégagement insuffisant lors de la mise en service, les options sont limitées : vous ne pouvez pas ajouter d'air. Solutions :
Les surfaces planes offrent le chemin de fuite le plus court. L'ajout de nervures (barrières verticales perpendiculaires à la direction de fuite) ou de déflecteurs (disques en surplomb qui forcent le chemin à monter et à passer par-dessus) augmente la distance de fuite effective sans augmenter proportionnellement la taille des pièces.
La norme CEI 60815-3 définit les règles de calcul de la ligne de fuite effective en présence de nervures/abris. Points clés :
Pour un isolateur extérieur de 12 kV nécessitant une ligne de fuite de 40 mm (degré de pollution 3), une conception cylindrique simple aurait un diamètre minimum de 40 mm. L'ajout de trois capots de 5 mm permet d'obtenir la même ligne de fuite de 40 mm dans un corps de 25 mm de diamètre, ce qui représente un gain de place considérable dans un espace compact. Conception de composants pour appareillage de commutation.
Formule simplifiée du cheminement électrique dans un hangar :
Longueur totale de fuite = Σ (hauteur verticale + 2 × longueur de débord) pour chaque hangar.
Exemple : 3 pignons, chacun de 5 mm à la verticale, avec un débord de 6 mm :
Ligne de fuite = 3 × (5 + 2×6) = 3 × 17 = 51 mm
Dans nos déploiements dans les sous-stations marines, les conceptions nervurées/à rainures surpassent systématiquement les surfaces lisses dans des conditions de brouillard salin. Le suivi de surface s'est produit 60% moins fréquemment sur les isolateurs à rainures que sur les isolateurs lisses équivalents en époxy, même lorsque la ligne de fuite nominale était identique.
Le cheminement et le dégagement ne peuvent pas être testés électriquement lors de la réception de routine : soit vous mesurez la distance physique, soit vous ne le faites pas. Mais vous pouvez vérifier la conformité :
1. Mesure physique
Utilisez des compas pour mesurer le dégagement (distance aérienne en ligne droite). Utilisez un fil métallique souple ou une ficelle pour mesurer le cheminement (suivez le tracé réel de la surface, y compris autour des nervures/abris). Comparez les valeurs mesurées aux plans de conception et aux exigences de la norme CEI 60664-1.
2. Validation du degré de pollution
Vérifiez que le degré de pollution supposé correspond à l'environnement d'installation réel. Si la demande de devis spécifie PD2, mais que le site est très poussiéreux ou exposé à des embruns salés, la pièce peut être sous-dimensionnée même si ses dimensions sont correctes.
3. Vérification de l'altitude
Vérifiez l'altitude du site et confirmez que les valeurs de dégagement ont été corrigées si elles sont supérieures à 1 000 m. Cet élément est souvent négligé dans les processus de fabrication des panneaux, où les conceptions standard sont copiées d'un projet à l'autre, quelle que soit l'altitude.
4. Essais de décharge partielle (DP) (facultatif, mais recommandé pour les installations critiques)
Appliquez une tension nominale 1,5 fois supérieure et mesurez l'activité PD. Si la PD dépasse 10 pC à la tension nominale, le cheminement ou l'espace libre est probablement insuffisant. La norme CEI 60270 définit les méthodes de mesure.
Un guide complet d'acceptation sur le terrain est fourni dans la norme CEI 60694 (clauses communes pour les appareillages de commutation HT). Pour les essais spécifiques aux isolateurs, la norme CEI 60660 couvre les isolateurs à tige et la norme CEI 61462 couvre les isolateurs composites creux.
La ligne de fuite et l'espace libre ne sont pas des paramètres “ suffisamment proches ”. Ils sont binaires : ils répondent à la norme ou échouent en service. Un isolateur de 12 kV avec une ligne de fuite de 20 mm au lieu de 25 mm peut fonctionner pendant des mois ou des années à l'intérieur, jusqu'à ce que l'humidité augmente, que la pollution s'accumule ou que l'installation soit déplacée dans un environnement plus hostile. Il se met alors à tracer, à flasher et à tomber en panne.
Les tableaux de ce guide fournissent des valeurs de travail pour des applications de 12 kV, 24 kV et 40,5 kV, mais trois variables nécessitent toujours un ajustement spécifique au site : le degré de pollution, l'altitude et la coordonnée de tension réelle (L-N vs L-L). Si l'une de ces variables est ignorée, le calcul sera erroné.
Une bonne coordination de l'isolation commence par un dimensionnement correct des distances de fuite et des espaces libres. Lorsqu'ils sont bien conçus, les isolateurs sont invisibles. Lorsqu'ils sont mal conçus, ils sont à l'origine de claquages mystérieux que les tests n'ont pas permis de prédire, car ceux-ci ont validé des valeurs de conception qui ne correspondaient pas aux conditions réelles d'installation.
Q1 : Quelle est la différence entre la distance de fuite et l'espace libre ?
La distance de fuite est le chemin le plus court entre deux parties conductrices, mesuré le long de la surface d'un matériau isolant. La distance dans l'air est la distance la plus courte en ligne droite dans l'air. La distance de fuite empêche le cheminement de surface causé par la pollution et l'accumulation d'humidité ; la distance dans l'air empêche la rupture de l'air. Les deux sont des exigences indépendantes selon la norme CEI 60664-1 — vous ne pouvez pas remplacer l'une par l'autre. Les applications MT typiques nécessitent des distances de fuite 2 à 4 fois plus grandes que la distance dans l'air, car la contamination de surface représente un risque à long terme plus important que la rupture de l'air sous une tension de fonctionnement normale.
Q2 : Comment déterminer le degré de pollution adapté à mon application ?
La norme CEI 60664-1 définit quatre degrés de pollution : (1) Intérieur propre, sans pollution conductrice ; (2) Intérieur industriel, pollution non conductrice avec condensation occasionnelle ; (3) Pollution conductrice ou condensation fréquente (côtière, industrie lourde) ; (4) Extérieur extrême avec pollution conductrice persistante. Pour la plupart des appareillages de commutation MT : les sous-stations intérieures utilisent PD2, les installations extérieures ou côtières utilisent PD3, les climats désertiques/extrêmes utilisent PD4. En cas de doute, spécifiez un degré supérieur à celui des cas limites — une sous-estimation du degré de pollution est la cause principale des défaillances de suivi en service. Les études de site montrant l'accumulation de poussière, les schémas d'humidité et la proximité de l'eau salée ou des émissions industrielles fournissent des preuves concrètes pour la sélection du degré.
Q3 : Dois-je ajuster le cheminement et l'espace libre pour les installations en haute altitude ?
La distance de sécurité doit être augmentée au-dessus de 1 000 m d'altitude, car la densité de l'air diminue, ce qui réduit la résistance à la rupture. Le facteur de correction est le suivant : 1 + (altitude – 1 000) / 8 500. À 3 000 m, multipliez la distance de sécurité au niveau de la mer par 1,24 ; à 4 000 m, multipliez-la par 1,35. Le cheminement ne nécessite pas de correction d'altitude, car le cheminement de surface est indépendant de la densité de l'air. Cette asymétrie est essentielle : un isolateur de 24 kV à 3 500 m nécessite une distance de fuite de 28 mm × 1,29 = 36 mm, mais le cheminement reste de 50 mm (degré de pollution 2, matériau IIIa). Les corrections d'altitude s'appliquent à toutes les installations extérieures et intérieures situées à plus de 1 000 m d'altitude.
Q4 : Puis-je utiliser la même valeur de ligne de fuite pour les isolateurs phase-terre et phase-phase ?
Non. La tension entre phases est égale à √3 fois la tension entre phase et terre (pour un système de 12 kV : 12 kV L-L contre 7,2 kV L-N). La ligne de fuite est proportionnelle à la tension, donc un isolateur entre phases nécessite environ 1,7 fois la ligne de fuite d'un isolateur entre phase et terre pour la même classe de tension du système. Pour 12 kV, degré de pollution 2 : la distance de fuite phase-terre nécessite environ 25 mm, la distance de fuite phase-phase nécessite environ 40 mm. Vérifiez toujours la coordonnée de tension réelle que l'isolateur relie : il est plus fiable de mesurer la géométrie installée que de se baser sur les plans, en particulier dans le cas de rénovations ou d'assemblages de panneaux où les spécifications peuvent être ambiguës.
Q5 : Que se passe-t-il si mon équipement présente une distance de fuite insuffisante ?
Une ligne de fuite insuffisante entraîne un traçage de surface, c'est-à-dire une érosion progressive du matériau isolant causée par un courant de fuite en présence d'humidité et de pollution. Le processus est progressif : la contamination crée des micro-chemins, le courant de fuite chauffe la surface, des dépôts de carbone se forment, la conductivité augmente et, finalement, un contournement se produit. La durée de vie typique varie de 6 mois à 5 ans selon la gravité. Les solutions sur le terrain sont limitées : vous pouvez appliquer des revêtements conformes pour augmenter la ligne de fuite effective de 10 à 20%, nettoyer régulièrement les surfaces pour ralentir l'accumulation de contamination ou remplacer les isolateurs par des pièces correctement calibrées. La réduction de la classe de tension est un dernier recours qui peut ne pas être envisageable pour les installations existantes.
Q6 : Comment les nervures et les abris augmentent-ils la distance de fuite effective ?
Les nervures (barrières verticales) et les auvents (disques en surplomb) obligent le chemin de fuite à passer au-dessus et autour des obstacles au lieu de suivre une ligne droite à travers la surface. La norme CEI 60815-3 définit les règles de comptage : les nervures doivent avoir une profondeur ≥ 1 mm, les auvents doivent avoir un surplomb ≥ 2 mm et l'espacement doit être ≥ 3 mm pour éviter la rétention d'humidité. Formule simple pour calculer le chemin de fuite des avant-toits : total = Σ(hauteur verticale + 2 × surplomb) par avant-toit. Exemple : 3 arêtes à 5 mm de hauteur, 6 mm de surplomb = 3 × (5 + 12) = 51 mm de ligne de fuite effective. Cela permet des conceptions compactes : un isolateur nervuré de 25 mm de diamètre peut atteindre la même ligne de fuite qu'un cylindre lisse de 40 mm, ce qui est essentiel pour les panneaux MT à espace restreint.
Q7 : Quel groupe de matériaux dois-je spécifier pour les isolateurs époxy dans les appareillages de commutation MT ?
Le groupe de matériaux IIIa (CTI 175-249 selon la norme CEI 60112) est la norme pour les résines époxy chargées utilisées dans les composants des appareillages de commutation MT : boîtes de contact, isolateurs à tige, traversées murales. Le groupe I (CTI ≥600) concerne les céramiques haute performance, rarement nécessaires aux tensions MT. Le groupe IIIb (CTI 100-174) concerne les plastiques de qualité inférieure, qui ne conviennent pas à l'isolation primaire moyenne tension. Lorsque les spécifications RFQ omettent le groupe de matériaux, les fournisseurs peuvent se rabattre par défaut sur le groupe II (CTI 400-599), qui nécessite moins de ligne de fuite que le groupe IIIa, mais coûte plus cher et n'offre aucun avantage fonctionnel pour les applications MT classiques. La spécification explicite “ Groupe de matériaux IIIa selon la norme CEI 60664-1 ” garantit l'application des tableaux de ligne de fuite corrects et évite des coûts inutiles.
