Matériau en résine époxy haute tension 1 100 kV : propriétés, normes et applications

Le seuil de 1 100 kV et ce qu'il exige de la résine époxy

La transmission à ultra haute tension (UHV) à 1 100 kV CA représente le plafond actuel de la technologie des réseaux électriques commerciaux. La State Grid Corporation de Chine a mis sous tension la première ligne 1 100 kV CA au monde — le projet Zhundong-Wannan — en janvier 2019, s'étendant sur 3 000 km à travers six provinces et capable de transmettre 12 GW de puissance . Depuis lors, d'autres corridors UHV sont entrés en service ou sont en construction à travers la Chine, l'Inde et le Brésil, établissant le 1 100 kV comme un environnement d'ingénierie réel plutôt que comme une spécification de laboratoire.

À cette classe de tension, chaque matériau du système d’isolation fonctionne à la limite ou à proximité de son enveloppe de performance. La résine époxy utilisée dans les équipements de 1 100 kV — entretoises d'appareillage de commutation à isolation gazeuse (GIS), traversées murales, transformateurs de courant et transformateurs de mesure de type sec — doit satisfaire à des exigences diélectriques, mécaniques et thermiques qui sont qualitativement différentes de celles à 110 kV ou 500 kV. La contrainte du champ électrique à l'intérieur d'un isolant moulé évolue avec la tension et, à 1 100 kV, tension d'initialisation de décharge partielle (PDIV) et tension d'extinction de décharge partielle (PDEV) devenir des critères de qualification principaux plutôt que des contrôles secondaires.

La conséquence est que les résines époxy haute tension pour les applications 1 100 kV ne peuvent pas être sélectionnées dans les portefeuilles de produits standards sans validation spécifique. La formulation, la répartition granulométrique des charges, le contenu des vides après coulée et l'homogénéité de la matrice durcie nécessitent tous un contrôle plus strict que les qualités à tension inférieure.

Propriétés critiques des matériaux pour Résine époxy pour systèmes électriques HT

Plusieurs propriétés distinguent la résine époxy pour les applications électriques HT au niveau 1 100 kV des formulations standard de qualité électrique. Chacun est directement lié à un mode de défaillance observé en service ou lors d’essais de type.

L'exigence de décharge partielle mérite une attention particulière. Dans les espaceurs GIS à 1 100 kV, la contrainte du champ électrique au niveau de la triple jonction (là où le métal, l'époxy et le gaz SF₆ se rencontrent) constitue le point de contrainte le plus élevé dans la géométrie de l'isolant. Des vides aussi petits que 50 µm au niveau ou à proximité de cette jonction peuvent initier une PD à la tension de fonctionnement, et l'érosion cumulative d'une PD soutenue finira par provoquer un contournement. Cela conduit à l'utilisation de systèmes de résine à très faible viscosité combiné à la coulée sous vide pour obtenir des pièces moulées sans vides, ainsi qu'à un contrôle strict de la taille des particules de charge pour empêcher l'agglomération à proximité des surfaces critiques.

Expansion du réseau UHV et son impact sur la demande de matériaux époxy

Le pipeline mondial de transmission UHV est le principal moteur de la demande de matériaux en résine époxy haute tension de la classe 1 100 kV. Le 14e plan quinquennal de la Chine (2021-2025) et le cadre qui lui succède prévoient des investissements continus dans les corridors UHV AC et DC pour connecter la production renouvelable du nord-ouest et du sud-ouest aux centres de charge de la côte est. State Grid Corporation of China et China Southern Power Grid avaient mis en service ou construisaient ensemble plus de 30 lignes UHV au milieu des années 2020, chacune nécessitant des sous-stations équipées de baies SIG, de transformateurs de mesure et de parafoudres reposant sur une isolation époxy moulée.

La société indienne Power Grid Corporation a publié des spécifications pour les stations d'essai de 1 200 kV et les segments de transmission pilotes dans le cadre de son plan national d'électricité, ciblant le transfert d'énergie en vrac sur de longues distances à partir de ressources hydroélectriques et solaires. L'ANEEL du Brésil a approuvé des études pour des liaisons UHV reliant la capacité hydroélectrique amazonienne à São Paulo et Rio de Janeiro. Ces projets représentent une demande future substantielle pour des systèmes de coulée époxy qualifiés de classe 1 100 kV en dehors de la Chine.

Le passage vers courant continu haute tension (HVDC) à ±800 kV et ±1 100 kV ajoute une dimension supplémentaire de qualification des matériaux. La tension continue sollicite l'époxy différemment du courant alternatif : l'accumulation de charges d'espace dans la masse de résine et aux interfaces modifie la répartition effective du champ au fil du temps, un phénomène moins prononcé dans des conditions de courant alternatif. Les formulations époxy pour les équipements DC UHV nécessitent donc une caractérisation selon les protocoles de vieillissement sous champ électrique DC, notamment la norme CEI 62895 pour les accessoires de câbles HVDC, qui est de plus en plus référencée par les fabricants d'équipements comme référence, même pour les composants autres que l'isolation des câbles.

Normes d'essai et exigences de qualification à 1 100 kV

Aucune norme CEI ou IEEE ne traite de la qualification des matériaux en résine époxy spécifiquement pour les équipements de 1 100 kV ; la qualification est plutôt assemblée à partir de plusieurs normes appliquées au produit final et à ses matériaux constitutifs. Les ingénieurs et les équipes d'approvisionnement travaillant avec de la résine époxy pour les équipements électriques HT à cette classe de tension font généralement référence au cadre suivant.

• CEI 62271-203 (Appareillage sous enveloppe métallique à isolation gazeuse) : Régit les tests de type et de routine pour le GIS à des tensions nominales supérieures à 52 kV, y compris les tests diélectriques sur les entretoises et les traversées qui servent de qualification fonctionnelle du système d'isolation époxy coulé.
• CEI 60270 (Mesure de décharge partielle) : La norme de référence pour la méthodologie de mesure de DP applicable à tous les isolants HT en fonte époxy. Les limites de DP des tests de type pour les entretoises GIS 1 100 kV sont spécifiées dans les normes d'équipement, mais des tests de DP au niveau des matériaux selon la norme CEI 60270 sont régulièrement effectués pendant le développement de la formulation.
• CEI 60587 (Résistance au cheminement et à l'érosion) : pertinent pour les isolants époxy extérieurs et les composants exposés à une contamination de surface, évalués par l'indice de suivi comparatif (CTI). Les équipements extérieurs UHV nécessitent généralement un CTI ≥ 600 V (groupe de matériaux I).
• GB/T22707 et normes nationales chinoises associées : les normes d'équipement UHV développées au niveau national par la Chine, développées en partie dans le cadre de programmes de recherche nationaux impliquant des fournisseurs de matériaux, établissent des protocoles de test spécifiquement calibrés pour les systèmes 1 000 kV AC et ± 800 kV / ± 1 100 kV DC.
• CEI 60455 (Composés réactifs à base de résine pour l'isolation électrique) : La norme sur les matériaux de base couvrant la viscosité, le temps de gel, la Tg, les propriétés diélectriques et les caractéristiques mécaniques des systèmes époxy destinés aux applications d'isolation électrique dans toutes les classes de tension.

Au-delà du respect des normes formelles, les fabricants d'équipements 1 100 kV imposent généralement leurs propres protocoles de qualification, notamment vieillissement thermique accéléré à 105 °C pendant 1 000 heures , tests de chocs mécaniques selon la norme CEI 60068-2-27 et vérification des performances sismiques pour les installations dans les régions sujettes aux tremblements de terre. Les fournisseurs de matériaux cherchant à se qualifier pour les chaînes d'approvisionnement UHV doivent être prêts à prendre en charge des tests complets au niveau du système dans les laboratoires à haute puissance des fabricants d'équipements, et pas seulement des tests sur coupons de matériaux dans leurs propres installations.