Ce que les ingénieurs se trompent sur les techniques de blindage de surface

Introduction

La technologie du blindage de surface dans les appareillages de commutation à isolation solide est l'un des éléments de conception les plus importants et les moins bien compris dans l'ingénierie des sous-stations à moyenne tension - un écran semi-conducteur ou métallique mis à la terre appliqué à la surface extérieure de l'appareillage de commutation à isolation solide. résine époxy¹ barre omnibus encapsulée et module de commutation qui contrôle le système d'alimentation. distribution du champ électrique² à la limite de l'isolation solide et fournit la surface extérieure à tension nulle, sûre au toucher, qui rend l'appareillage SIS fondamentalement différent de toutes les autres technologies d'appareillage de moyenne tension en termes de sécurité du personnel. Pourtant, dans les cahiers des charges, les guides de sélection et les évaluations d'approvisionnement examinés sur des centaines de projets de modernisation de postes électriques, le même groupe d'idées fausses sur le blindage de surface apparaît de façon répétée - des idées fausses qui produisent des cahiers des charges incorrects pour les appareillages SIS, des évaluations de sécurité inadéquates et des installations sur le terrain où le système de blindage de surface a été compromis par des erreurs d'installation qui éliminent les avantages en termes de sécurité et de performance d'isolation que la technologie a été conçue pour offrir. L'erreur la plus fréquente des ingénieurs concernant le blindage de surface des appareillages SIS est de considérer l'écran extérieur mis à la terre comme un revêtement mécanique passif plutôt que comme un système actif de contrôle du champ électrique dont l'intégrité, la continuité et la connexion correcte à la terre sont aussi essentielles à la performance diélectrique de l'appareillage et à la sécurité du personnel que l'isolation primaire proprement dite. Destiné aux ingénieurs concepteurs de postes, aux responsables de la sécurité électrique et aux responsables des achats chargés de la sélection et de l'installation des appareillages SIS dans les postes haute tension, ce guide corrige les cinq idées fausses les plus importantes sur la technologie du blindage de surface avec une précision technique que les guides de sélection ne fournissent que rarement.

Table des matières

• Qu'est-ce que la technologie de blindage de surface des appareillages de commutation de la SIS et comment contrôle-t-elle la distribution du champ électrique ?
• Quelles sont les cinq idées fausses les plus importantes en matière d'ingénierie concernant la performance du blindage de surface ?
• Comment spécifier correctement les exigences en matière de blindage de surface dans l'appareillage de commutation SIS pour les projets de postes à haute tension ?
• Quelles sont les erreurs d'installation et de maintenance qui compromettent l'intégrité du blindage de surface en service ?

Qu'est-ce que la technologie de blindage de surface des appareillages de commutation de la SIS et comment contrôle-t-elle la distribution du champ électrique ?

Le blindage de surface des appareillages SIS est le système de couches conductrices ou semi-conductrices appliquées à la surface extérieure des modules encapsulés dans la résine époxy qui remplit deux fonctions simultanées et interdépendantes : il contrôle la distribution du champ électrique à l'intérieur de l'isolation solide pour empêcher la concentration des contraintes à la limite entre l'époxy et l'air, et il présente une surface extérieure continuellement mise à la terre qui élimine la tension couplée capacitivement qui apparaîtrait autrement sur la surface extérieure d'un module d'isolation solide non blindé à une tension élevée.

Le problème du champ électrique que le blindage de surface résout

Sans blindage de surface, la surface extérieure d'un module d'isolation en résine époxy solide à 24 kV porterait une tension de surface à couplage capacitif déterminée par le diviseur de tension capacitif formé entre le conducteur haute tension et l'enceinte de l'appareillage de commutation mise à la terre :

$U_{surface} = U_{phase} \times \frac{C_{surface-conducteur}}{C_{surface-conducteur} + C_{surface-terre}}$

Pour un module époxy à tension de phase de 24 kV (13,9 kV) avec une géométrie typique, cette tension de surface couplée capacitivement atteint 2 à 6 kV - ce qui est suffisant pour produire un choc électrique dangereux pour le personnel touchant la surface extérieure et suffisant pour initier une décharge partielle sur les irrégularités de la surface où le champ électrique local dépasse la tension d'amorçage de la décharge partielle de l'air à la surface de l'époxy.

Architecture du système de blindage de surface

Le blindage de surface des appareillages de connexion des SIS est mis en œuvre dans deux configurations principales :

• Revêtement semi-conducteur³ bouclier : Revêtement époxy ou silicone chargé en carbone appliqué sur la surface extérieure du module encapsulé - résistivité de surface 10³-10⁶ Ω/square ; assure un couplage capacitif continu avec la terre à travers la couche semi-conductrice ; rentable pour les applications 12-24 kV.
• Écran métallique : Une feuille de cuivre ou d'aluminium continue ou un grillage incorporé ou appliqué à la surface extérieure du module époxy et connecté à la barre de terre de l'appareillage de connexion - fournit une mise à la terre sans impédance de la surface extérieure ; nécessaire pour 40,5 kV et plus lorsque la tension de surface couplée capacitivement sur un revêtement semi-conducteur dépasse les limites de la tension de sécurité au toucher.

Paramètres techniques clés des systèmes de blindage de surface

Paramètres	Revêtement semi-conducteur	Écran métallique
Résistivité de surface	10³-10⁶ Ω/square	< 0,1 Ω/square
Connexion à la terre	Capacitif (distribué)	Direct (cautionné)
Tension de contact à la tension nominale	< 50 V AC (IEC 61140)	< 1 V AC
Adéquation à la classe de tension	12-24 kV	12-40,5 kV
Sensibilité aux dommages	Abrasion - enlèvement du revêtement	Mécanique - discontinuité de l'écran
Conformité à la norme IEC 62271-200	Type testé avec revêtement intact	Type testé avec écran collé

Norme de sécurité applicable

IEC 61140⁴ - Protection contre les chocs électriques - définit la limite de tension tactile de 50 V AC que le système de blindage de surface doit maintenir sur la surface extérieure des modules d'appareillage de commutation SIS dans toutes les conditions normales de fonctionnement. Le système de blindage de surface est le contrôle technique qui assure la conformité à la norme IEC 61140 pour les appareillages à isolation solide - sans lui, les surfaces extérieures des appareillages SIS ne sont pas sûres au toucher à des tensions nominales moyennes.

Quelles sont les cinq idées fausses les plus importantes en matière d'ingénierie concernant la performance du blindage de surface ?

Ces cinq idées fausses apparaissent dans les cahiers des charges, les procédures d'installation et les dossiers de maintenance des projets de postes électriques dans toutes les régions du monde - chacune produisant un mode de défaillance spécifique et prévisible qu'une bonne compréhension de la technologie du blindage de surface aurait permis d'éviter.

Idée reçue 1 - “Le bouclier de surface n'est qu'une couche de peinture”.”

L'idée fausse la plus répandue consiste à considérer le blindage de la surface semi-conductrice ou métallique comme un revêtement de protection cosmétique ou mécanique - équivalent à la peinture d'un tableau de distribution - plutôt que comme un composant électrique fonctionnel dont l'intégrité est aussi critique que celle de l'isolation primaire.

La conséquence : Le personnel d'entretien ponce, abrase ou applique une peinture de retouche non conductrice sur les zones endommagées du revêtement semi-conducteur au cours de l'entretien de routine - créant des zones non protégées sur la surface époxy où le champ électrique revient à la distribution non contrôlée, la contrainte du champ local dépasse la valeur de l'intensité du champ. décharge partielle⁵ La tension d'amorçage est inférieure à la tension d'amorçage, et l'activité de DP commence à la limite du patch. Un patch non blindé de 50 mm² sur la surface d'un module SIS de 24 kV produit un champ électrique local de 4 à 8 kV/mm sur le bord du patch, ce qui est bien supérieur au seuil d'amorçage de la DP de 1 à 2 kV/mm pour l'air à la surface de l'époxy.

Idée reçue 2 - “La mise à la terre avec blindage de surface est facultative pour les classes de basse tension”.”

Certains ingénieurs spécifient des appareillages SIS à 12 kV sans exiger que la connexion à la terre du blindage de surface soit faite à la barre de terre de l'appareillage - en raisonnant que la classe de tension inférieure produit une tension de surface à couplage capacitif plus faible qui est “probablement assez sûre”.”

La conséquence : La norme CEI 61140 ne prévoit pas d'exemption de classe de tension pour les limites de tension tactile - la limite est de 50 V CA, quelle que soit la tension du système. Un module SIS de 12 kV avec un écran de revêtement semi-conducteur non connecté présente une tension de surface de 0,8 à 2,5 kV dans des conditions de fonctionnement normales, soit 16 à 50 fois la limite de tension tactile de la norme CEI 61140. L'évaluation “probablement assez sûr” n'est pas un calcul technique ; c'est une hypothèse qui élimine la fonction principale de sécurité du personnel du système de blindage de surface.

Idée reçue n° 3 - “Un écran métallique discontinu offre toujours un blindage adéquat”.”

Les ingénieurs qui spécifient des appareillages de commutation SIS à écran métallique à 40,5 kV acceptent parfois des lacunes dans la continuité de l'écran - au niveau des joints des modules, des points d'entrée des câbles ou des dommages mécaniques - au motif que l'écran couvre “la majeure partie” de la surface et fournit “la majeure partie” de l'avantage du blindage.

La conséquence : Le blindage du champ électrique n'est pas une fonction proportionnelle de la couverture de l'écran - une fente de 10 mm dans un écran métallique continu concentre la totalité du champ électrique non blindé à l'endroit de la fente. La contrainte de champ au niveau d'une fente d'écran dans un module SIS de 40,5 kV atteint 15-25 kV/mm - ce qui est suffisant pour déclencher une décharge partielle dans l'air au niveau de la fente qui érode la surface époxy et évolue vers une défaillance de suivi dans les 500 à 2 000 heures de fonctionnement.

Le cas d'un client : Un ingénieur concepteur de poste chez un entrepreneur EPC à Jiangsu, en Chine, a contacté Bepto après qu'un panneau de commutation SIS de 35 kV ait développé une marque de suivi visible sur la surface du module de barre omnibus encapsulée dans les 8 mois suivant la mise en service. L'inspection après défaillance a permis d'identifier un écart de continuité de l'écran de 15 mm au niveau du joint entre deux sections de barres omnibus encapsulées - l'écart avait été créé pendant l'installation lorsque l'équipe d'installation avait omis d'appliquer la bande de collage de l'écran au niveau du joint du module. Le canal de traçage avait progressé de 35 mm à partir du bord de l'espace vers la terminaison du câble. L'équipe technique de Bepto a spécifié la procédure correcte de collage de continuité de l'écran et a fourni un ruban de collage de remplacement et un adhésif conducteur pour la réparation. L'installation réparée fonctionne sans problème depuis 30 mois.

Idée reçue 4 - “Le blindage de surface élimine la nécessité d'effectuer des tests de décharge partielle”

Certaines spécifications d'achat pour les appareillages de commutation SIS omettent l'essai de mise en service des décharges partielles au motif que le système de blindage de surface “prévient les décharges partielles”, confondant ainsi la fonction de blindage de surface (contrôle de la distribution du champ externe) avec la fonction d'isolation primaire (prévention des décharges partielles internes à l'intérieur de la coulée d'époxy).

La conséquence : Le blindage de surface contrôle le champ électrique à la limite entre l'époxy et l'air - il n'empêche pas les décharges partielles dans les vides, les délaminations ou les inclusions à l'intérieur de la coulée d'époxy. La DP interne dans les appareillages de connexion SIS n'est pas détectable par inspection visuelle et n'est pas empêchée par l'intégrité du blindage de surface - elle nécessite une mesure de décharge partielle IEC 60270 à 1,5× U0 pour être détectée. L'omission des essais de mise en service de la DP sur la base de la présence d'un blindage de surface laisse les défauts de moulage internes non détectés.

Idée reçue 5 - “Tous les systèmes de blindage de surface des appareillages SIS sont équivalents”.”

Les ingénieurs qui choisissent entre les produits d'appareillage SIS de différents fabricants traitent parfois le blindage de surface comme une caractéristique standardisée - en supposant que tout produit étiqueté “SIS” avec un “blindage de surface” offre un contrôle du champ électrique et des performances de sécurité au toucher équivalents.

La conséquence : La conception du système de blindage de surface, les spécifications des matériaux et la vérification des essais de type CEI varient considérablement d'un fabricant à l'autre - un revêtement semi-conducteur avec une résistivité de surface de 10⁷ Ω/square (limite supérieure de la plage acceptable) offre un contrôle du champ nettement moins bon qu'un revêtement de 10³ Ω/square, et un écran métallique avec une liaison discontinue au niveau des joints de module offre une protection nettement moins bonne qu'un écran avec une liaison continue. Sans exiger du fabricant qu'il fournisse le rapport d'essai de type CEI 62271-200 comprenant la mesure de la tension de surface avec le système de blindage en place, la spécification ne permet pas de vérifier que le produit est conforme à la norme CEI 61140 relative à la tension tactile.

Comment spécifier correctement les exigences en matière de blindage de surface dans l'appareillage de commutation SIS pour les projets de postes à haute tension ?

Étape 1 : Définir les exigences en matière d'électricité et de sécurité

Établir les paramètres de spécification du blindage de surface à partir des exigences électriques et de sécurité du projet :

• Tension du système : Détermine le type de blindage minimum - revêtement semi-conducteur acceptable à 12-24 kV ; écran métallique requis à 40,5 kV
• Limite de tension de contact : Spécifier la conformité à la norme IEC 61140 - maximum 50 V AC sur toute surface extérieure accessible à la tension de fonctionnement nominale.
• Fréquence d'accès du personnel : L'accès du personnel à haute fréquence (itinéraires d'inspection quotidiens adjacents aux modules SIS sous tension) nécessite un blindage métallique pour toutes les classes de tension - la mise à la terre à faible impédance offre une plus grande marge de sécurité que le revêtement semi-conducteur.

Étape 2 : Prise en compte des conditions environnementales de la station

• Sous-station climatisée à l'intérieur : Le revêtement semi-conducteur est acceptable - la stabilité de la température et de l'humidité empêche la dégradation du revêtement
• Poste à l'extérieur ou dans un environnement non contrôlé : Écran métallique de protection spécifié - Les rayons UV, les cycles thermiques et l'humidité dégradent les revêtements semi-conducteurs plus rapidement que les écrans métalliques.
• Poste à forte pollution (SPS classe III/IV) : Écran métallique avec joints de module étanches - empêche la pollution conductrice de combler les lacunes de l'écran aux interfaces des modules

Étape 3 : Faire correspondre les normes et les certifications

Les vérifications suivantes doivent être effectuées pour chaque appareil de commutation SIS soumis à l'évaluation :

Exigences en matière de certification	Clause de spécification	Document de vérification
Essai de type IEC 62271-200	Essai de type complet comprenant la mesure de la tension de surface	Rapport d'essai original - pas de certificat de synthèse
Conformité à la tension de contact IEC 61140	Tension de surface ≤ 50 V AC à la tension nominale	Données de mesure dans le rapport d'essai de type
Résistivité du revêtement semi-conducteur	10³-10⁶ Ω/square	Certificat d'essai des matériaux du fabricant
Continuité de l'écran métallique	Zéro discontinuité aux joints des modules	Registre d'inspection de l'usine
Essai de décharge partielle	< 10 pC à 1,5× U0	Rapport d'essai IEC 60270

Scénarios de sous-application

• Sous-station de distribution urbaine : Écran métallique SIS - fréquence d'accès élevée du personnel ; empreinte compacte critique ; sécurité tactile non négociable dans les installations accessibles au public
• Sous-station d'une usine industrielle : Revêtement semi-conducteur SIS à 12-24 kV - accès contrôlé ; environnement intérieur stable ; coût optimisé pour un grand nombre de panneaux
• Sous-station de captage des énergies renouvelables : Écran métallique SIS à 35 kV - installation extérieure ou semi-extérieure ; longs intervalles de maintenance ; durabilité de l'écran sur une durée de vie de 25 ans
• Poste de haute altitude (> 1 000 m) : Écran métallique SIS - la densité d'air réduite augmente le risque de DP en surface au niveau des discontinuités du revêtement ; l'écran métallique élimine l'initiation de la DP par l'entrefer en surface.

Quelles sont les erreurs d'installation et de maintenance qui compromettent l'intégrité du blindage de surface en service ?

Étapes d'installation et d'entretien

1. Inspection de l'intégrité du blindage avant l'installation : Avant l'installation, inspecter toutes les surfaces des modules encapsulés afin de détecter tout dommage au revêtement ou toute discontinuité de l'écran - rejeter tout module présentant une abrasion visible du revêtement > 25 mm² ou une discontinuité de l'écran > 5 mm ; documenter les résultats de l'inspection à l'aide de photographies.
2. Collage de l'écran aux joints des modules : Appliquer un ruban de liaison conducteur spécifié par le fabricant à toutes les jonctions module-module - vérifier le chevauchement du ruban ≥ 50 mm de chaque côté de la jonction ; mesurer la résistance de la jonction < 1 Ω avec un ohmmètre calibré à faible résistance avant l'assemblage du panneau.
3. Vérification de la connexion à la terre : Confirmer que la connexion de la terre de blindage à la barre de terre de l'appareillage de connexion est effectuée avec le conducteur spécifié par le fabricant et serrée à la valeur spécifiée - mesurer la résistance de la connexion à la terre < 0,5 Ω ; consigner dans le registre de mise en service de l'installation.
4. Mesure de la tension tactile lors de la mise en service : Mesurer la tension de surface sur toutes les surfaces accessibles du module encapsulé à l'aide d'un voltmètre à haute impédance à la tension de fonctionnement nominale - confirmer < 50 V CA sur toutes les surfaces ; toute surface dépassant 50 V CA nécessite une vérification immédiate de la continuité du blindage et de la connexion à la terre avant que le personnel ne soit autorisé à accéder au module.

Erreurs courantes à éliminer

• Erreur 1 - Réparation du revêtement semi-conducteur endommagé à l'aide d'une peinture non conductrice ou d'un mastic époxy : Tout matériau de réparation appliqué sur une zone de revêtement endommagée doit avoir une résistivité de surface comprise dans la plage de spécifications de 10³-10⁶ Ω/square - n'utiliser que le composé de réparation conducteur fourni par le fabricant ; une réparation non conductrice crée une zone non blindée qui déclenche la DP.
• Erreur 2 - Omission de la bande de collage de l'écran aux joints des modules lors de l'installation : La bande de collage des joints de modules n'est pas un matériel optionnel - c'est l'élément de continuité qui empêche le mode de défaillance PD de la fente de l'écran ; son omission est l'erreur d'installation la plus courante qui provoque des défaillances de suivi de surface des appareillages de commutation SIS en début de vie.
• Erreur 3 - Mesure de la tension de contact avec un multimètre standard : Les multimètres standard ont une impédance d'entrée de 10 MΩ - insuffisante pour mesurer avec précision la tension de surface couplée capacitivement sur un écran de revêtement semi-conducteur ; utilisez un voltmètre électrostatique à haute impédance (impédance d'entrée > 1 GΩ) pour mesurer la tension de contact sur les modules blindés à revêtement semi-conducteur.

Un deuxième cas de client : Un responsable des achats d'un opérateur de réseau électrique régional à Shandong, en Chine, a contacté Bepto pour évaluer deux propositions concurrentes d'appareillage SIS pour la modernisation d'une sous-station de distribution urbaine de 10 kV - les deux produits étaient étiquetés comme “SIS à blindage de surface” dans les documents de marketing du fabricant. L'évaluation de Bepto a demandé les rapports d'essais de type IEC 62271-200 pour les deux produits et a constaté que le rapport d'un fabricant incluait des données de mesure de tension de surface confirmant 38 V AC à la tension nominale - conforme à l'IEC 61140. Le rapport du second fabricant ne contenait aucune donnée de mesure de la tension de surface - l'essai de type avait été réalisé sans que la connexion à la terre du blindage de surface ne soit effectuée, ce qui rendait la performance de sécurité au toucher non vérifiée. Bepto a recommandé le produit certifié ; l'opérateur du réseau a adopté l'exigence de mesure de la tension de surface IEC 61140 comme clause obligatoire pour tous les futurs achats d'appareillage de commutation SIS.

Conclusion

La technologie de blindage de surface des appareillages SIS n'est pas un revêtement passif - c'est un système actif de contrôle du champ électrique dont l'intégrité, la continuité et la connexion correcte à la terre déterminent à la fois la fiabilité diélectrique de l'isolation solide et la sécurité tactile de l'appareillage pour chaque personne qui travaille dans la sous-station. Les cinq idées fausses corrigées dans ce guide - traiter le blindage comme un élément cosmétique, omettre la mise à la terre dans les classes de tension inférieures, accepter les discontinuités de l'écran, remplacer le blindage par des tests de DP et supposer que tous les systèmes de blindage SIS sont équivalents - produisent chacune des défaillances spécifiques et évitables qu'une spécification et une discipline d'installation correctes permettent d'éliminer. Exiger des rapports d'essai de type IEC 62271-200 avec des données de mesure de la tension de surface confirmant la conformité à l'IEC 61140, spécifier un blindage métallique pour les applications à 40,5 kV et à haute fréquence d'accès, imposer l'installation d'un ruban de liaison d'écran à chaque joint de module, vérifier la résistance de la connexion à la terre lors de la mise en service, et mesurer la tension de contact sur chaque surface accessible avant que l'accès du personnel ne soit autorisé - parce que le système de blindage de surface qui est spécifié correctement, installé complètement et vérifié lors de la mise en service est le système qui fournit la performance de sécurité de la sous-station à haute tension pour laquelle l'appareillage de commutation du SIS a été conçu.

FAQ sur la technologie de blindage de surface des appareillages de connexion du SIS

1. Comprendre les caractéristiques diélectriques et mécaniques de la résine coulée utilisée dans les modules SIS. ↩

2. Apprenez comment les écrans de mise à la terre contrôlent la concentration de contraintes électriques à la limite de l'isolation. ↩

3. Découvrez les exigences en matière de résistance électrique pour un contrôle efficace des champs dans les applications de moyenne tension. ↩

4. Accéder à la norme internationale de sécurité pour la protection contre les chocs électriques dans les installations électriques. ↩

5. Rechercher les niveaux de tension à partir desquels un claquage électrique localisé se produit dans les environnements gazeux. ↩