Contrôle des contraintes électriques dans les câbles, les joints et les terminaisons

Comment contrôler les contraintes électriques dans les joints et les terminaisons de câbles ?

Introduction

Les câbles d'alimentation sont d'une grande importance dans les systèmes de transmission et de distribution d'énergie.

Les terminaisons et les joints sont les accessoires de base des câbles d'alimentation et ils sont nécessaires pour effectuer des connexions entre les lignes ou à un appareil électrique .

Les différents aspects sont pris en compte lors de la conception des terminaisons de câbles et des joints parce qu'ils doivent posséder la même intégrité comme leurs câbles associés tout en établissant la connexion à la fois pour toutes les applications intérieures et extérieures.

L'aspect le plus critique de jonction et terminaison de câbles haute tension est le contrôle de la contrainte diélectrique origine au point de terminaison de l'écran –contrôle du stress électrique .

Stress électrique et contrôle du stress

Les bornes et jonctions des câbles haute et moyenne tension doivent gérer les champs électriques aux extrémités . Lorsque le bouclier isolant est retiré d'un câble, gradients de potentiel élevés sont concentrées au point de réduction , comme le montre la Figure 1.

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Sur cette figure, on peut voir que le blindage de terre d'un câble (0 % ) est coupé de f, les lignes équipotentielles (de 20 % à 80 % ) se concentrer sur le bord de l'électrode de terre , provoquant une forte contrainte électrique .

Amélioration du champ électrique à ces points peut produire des décharges locales qui pourrait entraîner soit un débordement le long de la surface de l'isolant, soit une panne diélectrique entraînant une défaillance du câble .

Dans l'installation des câbles, câbles d'alimentation blindés nécessitent un contrôle du stress électrique une fois terminé.

Terminaisons et jonctions de câbles sont conçus pour éliminer la concentration de contraintes à la terminaison de l'écran pour éviter la rupture du câble – champ électrique doit être contrôlé dans un terminaison et raccordement de câble .

La répartition des contraintes au niveau du joint conducteur varie considérablement en raison de changements de profil introduits par l'utilisation d'une férule .

Arêtes vives et saillies au joint , si non soulagé entraînent également un changement brusque du gradient de contrainte .

C'est donc indispensable pour que le conducteur ait un profil lisse afin qu'il n'y ait pas de concentration excessive de contraintes .

Cependant, l'aspect le plus important du contrôle du stress s'applique à l'emplacement où l'écran d'isolation est terminé .

Il convient de noter que non seulement la contrainte diélectrique augmente dans la région de terminaison , mais aussi un gradient potentiel est installé le long de l'interface entre le diélectrique et le milieu environnant .

La contrainte dans le diélectrique à la fin de l'écran sera bien au-dessus la contrainte de conception et peut entraîner une défaillance prématurée .

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De plus si le milieu environnant est l'air , ou il y a un vide entre le diélectrique et le milieu de remplissage , puis le stress dans la zone peut amener l'air à permettre la décharge même à la tension de fonctionnement .

Papier est quelque peu résistant à ces décharges , mais pour isolant polymère , comme le XLPE (polyéthylène réticulé), de telles décharges érodent rapidement le diélectrique et finissent par provoquer une défaillance.

Sans application de contrôle du stress , des décharges se produiraient , affectant négativement la vie de la conjointe et résiliation .

Figure 2 montrer la distribution du champ électrique sans et avec contrôle des contraintes.

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Causes

Faiblesses majeures dans le domaine de la terminaison et des jonctions de câbles haute et moyenne tension nécessitant un contrôle des contraintes sont :

• Cosses à compression permettant à l'humidité de pénétrer dans les âmes conductrices
• Échec de l'élimination des poches d'air
• Croisement du noyau entraînant une décharge partielle
• Mauvaise préparation des câbles
• Pénétration d'humidité
• Distance phase-phase et phase-terre inadéquate
• Suivi
• Instructions d'assemblage médiocres

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Méthodes de contrôle du stress

Il n'y a pas de terminaison universelle ou de joint. Il existe une variété de différents types de terminaisons et de joints, chacun avec des avantages et des inconvénients.

L'optimisation des terminaisons de câbles est obtenue en étudiant diverses constructions.

La méthode de raccordement appropriée doit fournir une bonne intégrité électrique et mécanique.

Pour concevoir une terminaison appropriée, une analyse de la distribution du champ électrique doit être effectuée dans les régions critiques .

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Méthode du cône de contrainte

La méthode courante employée pour le contrôle du stress est l'utilisation d'un cône de contrainte qui est montré dans la Figure 3 .

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Le cône de contrainte est un moyen de contrôler la capacité dans la zone de terminaison d'écran , réduisant ainsi la contrainte diélectrique le long d'un gradient jusqu'aux limites tolérables au point de terminaison .

Le cône de contrainte est étendu au-delà de la terminaison de l'écran, de sorte que le gradient de potentiel à la surface diélectrique est réduit à un niveau où les décharges ne se produiront pas.

Dans les joints de câbles en papier haute et moyenne tension , le cône de contrainte est généralement construit selon un contour prédéterminé par application manuelle de rubans de papier isolants , tandis que dans les terminaisons le cône de contrainte est soit appliqué à la main ou réalisé . Avec le développement des câbles polymères et élastomères , prémoulé cônes de stress ont également été introduits.

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Avant le cône de contrainte est appliqué, il est nécessaire de réduire la contrainte électrique au joint conducteur , découlant des raisons expliquées précédemment .

Le concept est de fournir un profil lisse afin que le stress soit égalisé . Ceci est obtenu par 'stepping' de papiers câblés , qui est obtenu en retirant l'isolant en papier en une série d'étapes , ayant des contremarches et des marches de la surface intérieure du conducteur à la surface extérieure de l'isolant .

Avec les deux extrémités du câble ainsi traités et assemblés, bandes de papier imprégnées appliquées à la main sont appliqués sur l'assemblage pour former le joint diélectrique.

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Méthode des tubes thermorétractables de contrôle des contraintes

Une autre méthode courante est le tube thermorétractable de contrôle des contraintes qui est utilisé pour contrôler les fortes contraintes électriques au point de terminaison de l'écran isolant en moyenne tension isolation plastique et papier jonctions et terminaisons de câbles jusqu'à 36 kV .

Ils contrôlent également les fortes contraintes sur les connecteurs dans les articulations .

Tube de contrôle du stress est fabriqué à partir de matériau polymère à haute permittivité et à haute résistivité réticulé thermiquement .

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Autres méthodes pour contrôler le stress

Les autres méthodes sont :

• Des bandes ou revêtements à haute résistance et des matériaux avec des couches de résistance non linéaires, le matériau ayant une résistivité de surface constante laisse passer un petit courant et établit ainsi un gradient de tension linéaire sur sa longueur. Une meilleure répartition des contraintes est obtenue en utilisant des matériaux de résistivité non linéaire, ce qui permet également une petite augmentation du courant dans la couche, la résistance du matériau chute et un gradient de tension linéaire lisse est obtenu le long de la longueur appliquée.
• Matériaux ayant une permittivité relative plus importante que le diélectrique du câble. La méthode est basée sur le principe selon lequel lorsque des matériaux de permittivité différente sont soumis à un gradient de potentiel à travers leur épaisseur combinée, la contrainte la plus élevée est subie par le matériau ayant la permittivité la plus faible. On peut voir sur le schéma que les lignes équipotentielles émergent progressivement du diélectrique, produisant ainsi un gradient lisse à la surface du diélectrique.

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À propos de l'auteur :Manuel Bolotinha

-Licence en Génie Électrique – Systèmes énergétiques et électriques (1974 – Instituto Superior Técnico/Université de Lisbonne)
– Master en Génie Électrique et Informatique (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
/>– Consultant senior en sous-stations et systèmes électriques ; Formateur professionnel