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Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Lignes aériennes : matériels Isolateurs par Xavier DUCOURET Ingénieur de l’École Nationale supérieure d’Arts et Métiers Ingénieur Responsable qualifications des conducteurs et des matériels de lignes aériennes RTE (gestionnaire du Réseau de Transport d’Électricité) 1. 1.1 1.2 Matériaux utilisés .................................................................................... Isolants ......................................................................................................... Pièces métalliques de liaison...................................................................... 2. 2.1 2.2 Principaux types....................................................................................... Isolateur de type rigide ............................................................................... Élément de chaîne ....................................................................................... 2.2.1 Isolateurs à capot et tige .................................................................... 2.2.2 Isolateurs à long fût............................................................................ — — — — — 3 3 3 3 4 3. Classification............................................................................................. — 5 4. Caractéristiques d’un élément de chaîne ou d’un isolateur rigide............................................................................................................ — 5 5. Chaînes d’isolateurs................................................................................ — 6 6. 6.1 6.2 Choix............................................................................................................ Généralités ................................................................................................... Dimensionnement des chaînes d’isolateurs vis-à-vis de la pollution ..... — — — 7 7 8 7. Remèdes à apporter contre la pollution............................................ — 9 8. 8.1 8.2 Essais........................................................................................................... Isolateurs pris comme éléments de chaîne............................................... Chaînes d’isolateurs .................................................................................... — — — 10 10 10 Pour en savoir plus ........................................................................................... D 4 423 - 2 — 2 — 2 Doc. D 4 423 es isolateurs entrent pour un faible pourcentage dans le prix d’une ligne aérienne, mais ils en sont un élément essentiel. Leur rôle est de relier les conducteurs sous tension aux supports et d’assurer l’isolement électrique entre ces deux parties constitutives de la ligne. Aussi, le choix du type d’isolateur, les contrôles de réception, la surveillance en exploitation doivent-ils être faits avec le maximum de soin. Dans l’état des connaissances actuelles, on ne peut affirmer qu’un nouvel isolateur ayant répondu aux différents contrôles de réception ait une durée de vie équivalente à celle de la ligne. La difficulté réside principalement dans le fait qu’aucun essai de réception ne peut jusqu’à ce jour mettre en évidence un vieillissement certain de l’isolateur. Toutefois, des tentatives dans ce sens sont faites dans le cadre de la Commission Électrotechnique Internationale. Cet article fait partie d’une série sur le matériel des lignes aériennes : — [D 4 425] « Lignes aériennes : matériels. Fondations des supports » ; — [D 4 428] « Lignes aériennes : matériels. Accessoires ». L Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 4 423 − 1 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS __________________________________________________________________________________________________________ 1. Matériaux utilisés Le tableau 1 donne les valeurs des caractéristiques diélectriques et mécaniques des isolants verre et céramique. ● Matériaux synthétiques. – Il faut signaler les développements faits dans le monde en vue de réaliser des isolateurs fiables avec ces matériaux. Un isolateur est constitué en général de deux parties : une partie isolante et des pièces métalliques de liaison, scellées sur cette partie isolante. Ces isolateurs, dits composites, sont constitués d’une âme réalisée en fibre de verre imprégnée de résine, donnant à l’isolateur sa tenue mécanique, et d’une enveloppe en matériaux synthétiques isolants. Les revêtements ayant un comportement satisfaisant sous contraintes électriques sont certaines résines cycloaliphatiques (chargées au trihydrate d’alumine), des caoutchoucs synthétiques (silicones ou EPDM : éthylpropyldimonomère) ou des polytétrafluoroéthylènes (Téflon). Ces revêtements évitent tout cheminement carboné en surface sous l’effet de contraintes électriques mais sont soumis à une érosion superficielle plus ou moins rapide selon leur constitution. 1.1 Isolants Jusqu’aux années quatre-vingt, seuls le verre et la céramique ont justifié d’un bon comportement en exploitation, bien que ces deux matériaux soient, par essence, des matériaux fragiles. ● Céramiques. – Elles sont actuellement utilisées pour les isolateurs à haute tension et correspondent à des formules voisines, soit de Al2O3, SiO2 (porcelaine traditionnelle), soit de Al2O3, 5 SiO2 (stéatite). 1.2 Pièces métalliques de liaison L’isolateur, après usinage de son ébauche cylindrique humide (type à capot et tige) ou sèche (type à long fût), est cuit dans un four à une température et pendant une durée convenables. Les parties isolantes constitutives de l’isolateur sont reliées entre elles ou au support par des pièces métalliques (figures 2 a et b), réalisées dans différents métaux qui doivent répondre aux contraintes mécaniques et thermiques appliquées à l’isolateur au cours de son exploitation. Les principaux métaux ou alliages utilisés sont : — les fontes malléables, permettant de réaliser des pièces minces et de forme compliquée, par exemple les capots d’isolateurs ; — les aciers au carbone, de caractéristiques précises (XC des normes NF EN 10084 et NF EN 10083), employés pour la réalisation des pièces forgées, en particulier les tiges d’isolateurs ; — les alliages d’aluminium et les alliages de cuivre et de bronze d’aluminium, permettant de fabriquer certains capots ; — les alliages de zinc du type Z-A4G, qui, compte tenu de leur température de fusion, permettent de couler directement les capots sur les diélectriques des isolateurs de faible résistance mécanique. La liaison entre pièces métalliques et partie isolante est réalisée à l’aide d’un scellement qui peut être fait au mortier de ciment Portland ou alumineux. Des alliages de plomb-antimoine, des mélanges de soufre et de poudre céramique sont également utilisés. De la qualité du scellement et des différents assemblages dépendent, en grande partie, la sécurité d’exploitation et la durée de vie de l’isolateur. Certaines céramiques à grains très fins sont recommandées pour des isolateurs devant supporter des efforts mécaniques élevés. ● Verres. – Deux types sont utilisés : le verre recuit et le verre trempé. Le verre recuit a surtout été utilisé pour faire des isolateurs rigides, mais on s’est aperçu que les isolateurs un peu épais ne résistaient pas aux variations brusques de température. De plus, le verre recuit ne supporte que des tensions mécaniques relativement faibles, ce qui interdit son emploi pour les isolateurs de suspension. Le verre trempé est obtenu par réchauffage de l’isolant retiré du moule à une température d’environ 700 ˚C, puis refroidi par des jets d’air sous pression : les couches extérieures de la pièce isolante acquièrent rapidement une rigidité qui ne leur permet plus aucune déformation. L’intérieur restant à une température supérieure à celle des couches extérieures, il ne peut se contracter librement, lors de son refroidissement ; il reste donc en extension et crée des contraintes de compression sur les couches superficielles. Le verre trempé présente une contrainte mécanique en traction environ 5 à 6 fois plus grande que celle du verre recuit et peut supporter des variations brusques de température pouvant atteindre 100 ˚C. (0) Tableau 1 – Valeurs des caractéristiques diélectriques et mécaniques de différents isolants Céramiques Caractéristique Porcelaine Porcelaine électrotechnique électrotechnique traditionnelle alumineuse Verres Stéatite Sodocalcique Sodocalcique Borosilicaté recuit trempé Permittivité relative (20 ˚C et 50 Hz)...................... 6 7,5 6,1 7,5 7,5 5,3 Rigidité diélectrique (20 ˚C et 50 Hz) .... (kV · m−1) 170 160 180 230 230 290 Masse volumique ...................................(kg · m−3) 2,4 2,8 2,5 2,5 2,5 2,2 Contrainte à la rupture en traction..............(MPa) 30 60 45 20 150 100 Module d’élasticité ...................................... (MPa) 77 000 107 000 100 000 74 000 72 000 67 000 Coefficient de dilatation linéique .... (en 10−6 K−1) 5,5 6,5 7,5 9 9,1 3,2 D 4 423 − 2 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _________________________________________________________________________________________________________ LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS Rappelons quelques définitions Décharge disruptive : phénomène associé à une défaillance de l’isolation sous l’effet de la contrainte électrique, avec chute de la tension et passage d’un courant (une décharge disruptive dans un diélectrique solide entraîne une perte permanente de la rigidité diélectrique). Perforation : décharge disruptive à travers un solide. Contournement : décharge disruptive le long d’une surface solide. Ligne de fuite : plus courte distance ou somme des plus courtes distances suivant les contours des surfaces extérieures des parties isolantes entre les parties qui sont normalement soumises à la tension de service (une distance mesurée à la surface de la matière de scellement conductrice ne doit pas être considérée comme faisant partie de la ligne de fuite). Cloche Logement de tige a en trois pièce avec fixation sur tige (séries HT 30 et HT 32 en verre recuit) 2. Principaux types On peut distinguer deux types principaux d’isolateurs : les isolateurs de type rigide et les éléments de chaîne. 2.1 Isolateur de type rigide Un isolateur rigide (figure 1) est relié au support par une ferrure fixe. Cet isolateur est principalement soumis à des efforts de flexion et de compression, lorsqu’il est placé en position verticale. Il peut, dans certains cas, être placé horizontalement, voire à l’oblique. Les isolateurs rigides normalisés en céramique (normes NF C 66133 et NF C 66-134) sont constitués d’un fût massif, ils ont remplacé les anciens isolateurs rigides en céramique formés de plusieurs cloches. Les isolateurs rigides normalisés en verre (normes NF C 66-233 et NF C 66-234) sont constitués de plusieurs cloches en verre recuit (figure 1 a) ; un isolateur en verre trempé (figure 1 b) (NF C 66-235) destiné à remplacer ces isolateurs est également normalisé (tableau 4). Tous les isolateurs rigides normalisés sont livrés avec une douille scellée de telle façon qu’ils puissent être vissés directement sur les ferrures correspondantes. Le scellement au plâtre, lors du montage de la ligne, opération délicate, est ainsi évité. b en deux pièce avec fixation sur tige (séries HT 20 et HT 22 en verre trempé) c de dérivation à deux gorges (existe encore en réseau) Figure 1 – Isolateurs rigides en verre 2.2 Élément de chaîne 2.2.1 Isolateurs à capot et tige C’est un isolateur constitué par un matériau isolant équipé de pièces métalliques de liaison (§ 1.2), nécessaires pour le relier de façon flexible à d’autres éléments de chaîne, à la pince de suspension du conducteur ou au support. Ces éléments sont généralement utilisés en suspension et forment des chaînes d’isolateurs soit verticales (chaînes d’alignement), soit horizontales (chaînes d’ancrage). La liaison entre deux éléments successifs est réalisée par des systèmes métalliques soit à rotule et logement de rotule (figure 2 a) (ball and socket), soit à chape et tenon (figure 2 b). Il existe deux types principaux d’éléments de chaîne : les isolateurs à capot et tige et les isolateurs à long fût. La coupe d’un tel isolateur est schématisée sur la figure 3. La forme de la tête est dessinée de sorte que les efforts de traction appliqués à l’isolateur se transforment, autant que possible, en compression des diélectriques sur lesquels apparaissent, toutefois, inévitablement certaines contraintes de cisaillement. La forme en contre-dépouille de l’intérieur de la tête, nécessaire à l’accrochage du scellement de la tige, est obtenue soit par le pas d’une vis qui se dégage après le pressage du diélectrique, soit par une déformation ou un usinage postérieur à la formation de la tête, dans le cas d’isolateurs en céramique. Cette contre-dépouille peut être évitée pour ces isolateurs par l’application, avant cuisson, de petits morceaux de pâtes précuites qui, après cuisson, feront corps avec la pièce et permettront l’accrochage du mortier ; ce procédé connu sous le nom de sandage est couramment utilisé. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 4 423 − 3 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS __________________________________________________________________________________________________________ Capot (forme malléable, galvanisée à chaud) Tige (acier, galvanisé à chaud) ε Diélectrique (verre trempé ou céramique) Mortier de ciment alumineux ou Portland ε Rotule p plus courte distance dans l'air, extérieure à l'isolateur ε longueur du canal de perforation ε /2 Figure 3 – Isolateur à capot et tige a assemblage à rotule Tenon ε ε p p Fût a scellement externe b scellement interne plus courte distance dans l'air, extérieure à l'isolateur p pas nominal ε longueur du canal de perforation Chape ε /2 b assemblage à chape et tenon Figure 4 – Isolateur à long fût en porcelaine céramique p pas Figure 2 – Assemblage des éléments de chaîne 2.2.2 Isolateurs à long fût En céramique Ils sont constitués d’un bâton cylindrique plein en céramique, muni d’ailettes (figure 4). À chaque extrémité est fixée une pièce métallique de liaison ; celle-ci peut être enveloppante en forme de capot scellé autour des extrémités tronconiques prévues sur le bâton, ou bien en forme de tige scellée dans une cavité prévue à cet effet. De tels isolateurs peuvent être utilisés unitairement ou en série de plusieurs éléments en fonction de leur longueur et du niveau d’isolement requis. ● D 4 423 − 4 ● En matériaux synthétiques L’intérêt principal de tels isolateurs (figure 5) est leur meilleure tenue à la pollution, leur faible encombrement, leur résistance au vandalisme et leur légèreté, en particulier lorsqu’on les compare aux chaînes d’isolateurs pour les lignes de tension électrique élevée. De par leur constitution, ces isolateurs sont appelés isolateurs composites (§ 1.1). Cette technologie s’est développée très rapidement depuis environ trente ans dans le monde entier ; les essais appliqués à ces isolateurs sont régis par la publication CEI 61109. Celle-ci est en permanente évolution compte tenu des premiers retours d’expérience d’un certain nombre d’isolateurs placés en réseau dans le monde entier, ce qui permet d’avoir une idée plus précise du comportement de cette technique relativement nouvelle. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _________________________________________________________________________________________________________ LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS courte distance dans l’air l extérieure à l’isolateur. Cette forme implique que ces isolateurs soient imperforables. Les isolateurs à long fût font en général partie de cette classe. Pièces d'accrochage métalliques ● Classe B Elle comprend tous les isolateurs ou éléments de chaîne pour lesquels la plus courte longueur ε du canal de perforation à travers la matière isolante est inférieure à la moitié de la plus courte distance dans l’air l extérieure à l’isolateur. Âme en fibre de verre-résine Les isolateurs à capot et tige appartiennent à cette classe. Revêtement à ailettes en matériau synthétique 4. Caractéristiques d’un élément de chaîne ou d’un isolateur rigide Le tableau 2 donne les caractéristiques géométriques principales des isolateurs à assemblage à rotule et logement de rotule. Figure 5 – Isolateur composite 3. Classification Conformément à la publication NF EN 60383-1, les isolateurs de lignes aériennes sont divisés en deux classes selon leur forme. ● Classe A Elle comprend tous les isolateurs ou éléments de chaîne pour lesquels la plus courte longueur ε du canal de perforation à travers la matière isolante solide est au moins égale à la moitié de la plus Parmi les valeurs spécifiées dans les normes d’essai d’isolateurs, il faut retenir les valeurs les plus caractéristiques qui sont : — la charge de rupture électromécanique ou mécanique : pour les isolateurs à capot et tige, cette charge de rupture (exprimée en kN) désigne l’isolateur et définit la norme d’assemblage (publication CEI 60120) ; — les dimensions géométriques suivantes : • le pas p qui correspond à la distance séparant dans une chaîne d’isolateurs deux parties homologues de deux éléments de chaîne consécutifs ; ce pas permet donc de connaître la longueur d’une chaîne ayant un nombre donné d’isolateurs ; • la ligne de fuite Lf caractéristique principale qui permet de déterminer la tenue sous pollution d’un isolateur (§ 6). (0) Tableau 2 – Caractéristiques géométriques principales des isolateurs à assemblage à rotule et logement de rotule Désignation CEI Charge de rupture Norme d’assemblage (1) (CEI 60120) (kN) Diamètre de la partie isolante Pas nominal p Ligne de fuite Lf (mm) (mm) (mm) U 40 40 11 175 100 ou 110 185 U 70 70 16 255 127 ou 146 280 255 127 318 288 146 440 (2) 280 146 370 320 170 540 (2) 320 195 480 360 206 525 380 220 550 380 240 600 440 255 640 U 100 100 16 U 160 160 20 U 300 300 24 U 400 (3) 400 U 530 (3) 530 28 32 (1) La norme d’assemblage pour les isolateurs à capot et tige à assemblage à rotule et logement de rotule correspond au diamètre de la tige. (2) Ces isolateurs à ligne de fuite allongée sont utilisés en zones polluées. (3) Ces isolateurs ont des caractéristiques normalisées (publication CEI 60305), mais ils ne sont pas utilisés en France (ils sont utilisés, par exemple, au Japon). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 4 423 − 5 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS __________________________________________________________________________________________________________ a suspension simple b suspension double (faisceau de deux conducteurs) c suspension double (conducteur unique) I vue de face II vue de dessus d suspension en V e ancrage Figure 6 – Principales chaînes d’isolateurs pour lignes HTB 5. Chaînes d’isolateurs ● Les principales chaînes d’isolateurs peuvent être composées d’isolateurs à capot et tige, cas le plus fréquent en France, avec utilisation généralisée du verre trempé, ou d’isolateurs à long fût en céramique. Les chaînes d’isolateurs pour lignes HTB sont représentées sur la figure 6. L’avantage du verre trempé est de rendre visible tout isolateur perforé, ce qui n’est pas le cas des isolateurs à capot et tige en céramique. Sous les effets d’une contrainte électrique trop forte, ou même lors d’une défectuosité de l’isolant, la jupe de l’isolateur en verre trempé explose, mais le capot et la tige restent solidaires, ce qui évite la chute du conducteur. Dans le cas d’isolateur en céramique, si l’isolateur présente une perforation à l’intérieur du capot, lors d’un arc électrique, il y a risque d’explosion de l’isolateur, ce qui entraîne la chute du conducteur par vidage du capot. Les nouveaux isolateurs en céramique comportent soit une partie en céramique plus mince à la base du capot, permettant de localiser D 4 423 − 6 une perforation éventuelle tout en évitant une explosion du capot à la suite d’un arc de puissance, soit un point faible dans le capot métallique qui se trouera sous l’effet de la pression des gaz à l’intérieur du capot. ● Le choix des accessoires de garde pour les isolateurs des lignes HTB doit être fait d’après les impératifs suivants : — maintenir l’arc de puissance suffisamment loin des isolateurs inférieurs, des chaînes et des accessoires de fixation des conducteurs, pour empêcher que ces pièces vitales ne soient détruites ou endommagées ; — maintenir un niveau radiophonique perturbateur acceptable en agissant sur la répartition du potentiel sur les isolateurs inférieurs. Ces pièces de garde sont constituées : — du côté de la masse, par des cornes en rond (ou anneau de protection) d’acier galvanisé à chaud (figure 7) d’un diamètre minimal respectivement de 18 mm si le courant de court-circuit est inférieur ou égal à 20 kA et de 25 mm s’il est supérieur ; — du côté du conducteur, par des cornes identiques à celles utilisées du côté de la masse pour les chaînes 63 et 90 kV, par des anneaux de protection AP (figures 7 et 8) réalisés soit en rond Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _________________________________________________________________________________________________________ LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS Corne Isolateur Isolateur Anneau de protection A A Conducteur Anneau de protection a vue de profil Conducteur Coupe A-A Isolateur Figure 8 – Corne de garde et anneau de protection Anneau de protection Conducteur b vue de face Figure 7 – Anneau de protection pour ligne à 400 kV : suspension en V d’acier de 18 mm de diamètre en forme de raquette pour des courants de court-circuit inférieurs ou égaux à 20 kA, soit en tube d’acier de 60 mm de diamètre et de section nominale de 500 mm2 pour des courants supérieurs. ● La répartition de la tension électrique le long d’une chaîne n’est pas uniforme à sec. Lorsque l’on forme une chaîne de n éléments, la tension de contournement à fréquence industrielle à sec n’est pas égale à n fois la tension de contournement d’un élément. Les éléments proches des extrémités de la chaîne, surtout du côté du conducteur, sont soumis à des différences de potentiel plus élevées que les éléments médians. La figure 9 donne, pour illustrer, la répartition de la tension le long d’une chaîne pour différentes longueurs de chaînes constituées d’éléments à capot et tige. Cette répartition s’explique par l’action conjuguée des capacités propres des éléments et des capacités de leurs parties métalliques par rapport à la terre et par rapport au conducteur. Pour des chaînes longues, les potentiels à sec supportés par les éléments près du conducteur sont tels que le niveau de per- turbation radioélectrique devient prohibitif. Une amélioration très nette de la répartition, donc de la diminution du niveau de perturbation, est obtenue par des anneaux de protection. ● La destruction de la jupe d’un élément de la chaîne ne constitue pas une gêne pour l’exploitant, à condition que la ligne de fuite reste suffisante. Si l’élément avarié est situé à l’une des extrémités de la chaîne, il est à craindre cependant qu’en cas de contournement l’arc s’accroche sur cet élément plutôt que sur les pièces de garde, et entraîne une rupture par fusion d’une partie métallique de la chaîne (la tige en général). 6. Choix 6.1 Généralités On choisit les isolateurs : — en fonction de la tension de service de la ligne ; — en fonction des efforts mécaniques auxquels ils sont soumis (poids des conducteurs et du givre, action du vent, tension mécanique des conducteurs éventuellement) ; — en ce qui concerne leur nature (rigides ou suspendus), en fonction du prix de revient de la ligne et de son importance ; en général dans les petites sections (< 50 mm2), une ligne sur isolateurs rigides est moins coûteuse qu’une ligne sur isolateurs suspendus, tout au moins dans des régions peu sujettes à des surcharges climatiques importantes ; — en fonction de la pollution du site. Les études effectuées, tant en France qu’à l’étranger, montrent que le facteur prédominant pour la tenue sous pollution est la ligne Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 4 423 − 7 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS __________________________________________________________________________________________________________ 3 Lf ξ p 2 L longueur totale de la ligne de fuite = f 3 p pas a à ondulations profondes 1 Chaîne de 30 isolateurs Chaîne de 10 isolateurs p Lf Chaîne de 5 isolateurs 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 HT Numéro de l'isolateur 30 M b bord de mer HT haute tension M masse Figure 10 – Isolateurs antipollution contrainte diélectrique appliquée à l'isolateur ξ= contrainte diélectrique moyenne (1) (1) Répartition linéaire de la tension Figure 9 – Répartition de la tension le long d’une chaîne d’isolateurs pour différentes longueurs de chaînes constituées d’éléments à capot et tige de fuite Lf de l’isolateur. Les isolateurs le plus couramment utilisés ont un rapport : 2 < Lf /p < 2,5 avec p pas. En améliorant leur profil (ondulations plus profondes, jupes de diamètre plus grand), on peut atteindre un rapport voisin de 3 [isolateurs dits antipollution (figure 10)]. Il est illusoire de penser pouvoir dépasser cette valeur car les ondulations deviendraient trop rapprochées et seraient court-circuitées par les arcs qui se forment lorsque la surface de l’isolateur se pollue ; contrairement à ce que l’on peut prévoir, celui-ci peut alors se comporter comme un isolateur ayant un profil correspondant au profil circonscrit au profil réel, c’est-à-dire finalement être plus mauvais qu’un isolateur classique. Le choix des isolateurs se fait donc à partir de la ligne de fuite spécifique [rapport de la ligne de fuite (en mm) à la tension efficace entre phases (en kV)] dépendant des conditions de pollution (publication CEI 60815). Les essais réalisés ont montré que, jusqu’à des longueurs de chaînes de 7 m (donc pour des tensions de réseau dépassant largement 800 kV), la longueur de la ligne de fuite de la chaîne d’isolateurs nécessaire pour supporter une pollution donnée est proportionnelle à la tension appliquée. Certains auteurs prétendent que cette proportionnalité cesserait pour des chaînes plus longues, mais, compte tenu des moyens d’essais existants, cela n’a pas été confirmé par des essais non critiquables. D 4 423 − 8 La difficulté pour le projeteur est de connaître la pollution du site avec suffisamment de précision. Des études ont montré que le courant de fuite maximal qui s’écoule à la terre à travers le dépôt polluant recouvrant l’isolant permet, en se référant à des essais de laboratoire sous pollution artificielle, de quantifier la pollution (par exemple en grammes de sel par litre de solution saline servant à l’essai sous brouillard salin). Basés sur ce principe, des dispositifs enregistreurs de la valeur du courant de fuite sur des isolateurs préalablement essayés en laboratoire sont en service dans les différents endroits du territoire (en particulier dans les postes à haute tension du réseau) afin d’y mesurer la pollution. 6.2 Dimensionnement des chaînes d’isolateurs vis-à-vis de la pollution Pour définir l’isolement des lignes de transport et de distribution, les niveaux de pollution pouvant être rencontrés en France ont été répartis en quatre classes de sévérité, définies par leur ligne de fuite spécifique. ● La classe 1, à niveau de pollution nul ou faible, correspond aux zones rurales ou à faible densité d’habitations ou d’industries, éloignées de la mer. Dans les régions soumises à cette pollution, les contournements des chaînes peuvent se produire surtout en période de brouillard ou au lever du soleil par condensation (incidents du matin). La ligne de fuite spécifique de cette classe est de 16 mm/kV. ● La classe 2, à niveau de pollution notable rencontré surtout autour des grands centres industriels éloignés de la mer, comporte également les zones non ou faiblement industrielles situées à proximité de la mer mais non soumises à l’action directe des embruns salins. La ligne de fuite spécifique de cette classe est de 20 mm/kV. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _________________________________________________________________________________________________________ LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS (0) Tableau 3 – Longueur minimale de la ligne de fuite des chaînes d’isolateurs pour des lignes HTB Tension nominale du réseau (kV) 63 Classe de pollution Tenue au brouillard Ligne de fuite spécifique entre phases 90 225 400 Tension la plus élevée pour le matériel (kV) 73 100 245 420 Ligne de fuite minimale (kg de sel/m3) (mm/kV) (mm) 1 <7 16 1 170 1 600 3 920 2 < 20 20 1 460 2 000 4 900 6 720 8 400 3 < 80 25 1 830 2 500 6 130 10 500 Nota : pour les lignes HTA, une chaîne de 2 éléments U 40 correspond à une classe de pollution 1 et une chaîne de 3 éléments U 40 à une classe de pollution 3. (0) Tableau 4 – Isolateurs ou chaînes d’isolateurs couramment utilisés sur les lignes HTA et HTB Tension (kV) 20 Isolateurs rigides Isolateurs suspendus à capot et tige Série HT 20 en verre 2 éléments U 40 de 100 mm de trempé pas Série HT 22 en verre 3 éléments U 40 de 100 mm de trempé (1) pas 63 non utilisés 5 éléments U 100 de 130 mm de pas 90 non utilisés 6 éléments U 100 de 130 mm de pas 225 non utilisés 14 éléments U 100 de 130 mm de pas ou 13 éléments U 160 de 145 mm de pas 400 non utilisés 19 éléments U 160 de 145 mm de pas (1) Utilisés aux angles et traversées (augmentation de l’isolement exigé par l’Arrêté interministériel). ● La classe 3 correspond à des zones très localisées où l’on trouve simultanément une forte pollution marine et industrielle. On peut également placer dans cette classe les bandes de terres en bordure de mer soumises à l’action directe des embruns salins. La ligne de fuite spécifique de cette classe est de 25 mm/kV. Le tableau 3 donne, par tension de réseau et par classe de pollution, les lignes de fuite spécifiques pour les lignes HTB, ainsi que la salinité maximale de tenue à l’essai au brouillard salin. ● La classe 4 correspond à des zones très limitées n’intéressant, dans la majorité des cas, que quelques pylônes. L’isolement par allongement de la ligne de fuite n’est généralement plus justifié, et seul le lavage ou le graissage périodique des chaînes isolantes peut être envisagé. La ligne de fuite spécifique est de 31 mm/kV. Pour un niveau de pollution donné, la longueur de la ligne de fuite des chaînes isolantes doit être telle que leur tension de tenue reste au moins égale à la tension la plus élevée pour le matériel qui est définie par les normes NF EN 60071-1 et -2. Le nombre d’isolateurs à installer dans une chaîne doit permettre, au minimum, le respect de ces valeurs. Mais, par ailleurs, pour les lignes HTB, dans l’éventualité où un isolateur se trouverait détérioré (jupe brisée, perforation du diélectrique), il faut que l’isolement de la chaîne reste suffisant pour qu’elle puisse demeurer en place sans intervention, pendant une période assez longue (plusieurs jours). Pour satisfaire à cette dernière condition, il est imposé que la ligne de fuite d’une chaîne avec un élément détérioré doit être au moins égale aux 9/10 de celle de la chaîne intacte. Cette mesure n’est contraignante que pour les chaînes comportant moins de 10 isolateurs. Sur les chaînes d’ancrage, la position horizontale des isolateurs favorise le nettoyage des surfaces isolantes et les performances de ces chaînes s’en trouvent améliorées. Pour terminer ce paragraphe, le tableau 4 donne les isolateurs ou les chaînes d’isolateurs couramment utilisés sur les lignes HTA et HTB, en alignement, pour des régions à faible pollution. 7. Remèdes à apporter contre la pollution Les remèdes contre les amorçages créés par la pollution sont divers. Il faut signaler que le lavage périodique ou automatique des isolateurs, fréquemment utilisé dans les zones à forte pollution, peut s’appliquer dans les postes électriques mais est d’un emploi peu commode pour les lignes aériennes. ● Augmentation du nombre d’isolateurs : l’augmentation de la ligne de fuite totale d’une chaîne d’isolateurs, donc l’augmentation du nombre d’isolateurs, est la méthode la plus employée dans les zones à pollution moyenne. Cette technique est certes limitée car un pylône donné d’un certain type ne peut pas admettre un important supplément d’isolateurs. ● Isolateurs spéciaux : dans les zones à forte pollution, l’allongement de la ligne de fuite des isolateurs conduit à l’utilisation de ces isolateurs appelés généralement isolateurs antipollution (figure 10 a). La figure 10 b donne le profil d’un isolateur type bord de mer comportant une cloche très large et haute ; cet isolateur a un bon comportement lorsqu’il est soumis aux embruns salins. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 4 423 − 9 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS __________________________________________________________________________________________________________ ● Revêtements protecteurs : dans le but de réduire l’effet néfaste de la pollution, différents revêtements protecteurs peuvent être utilisés. Les revêtements les plus employés sont des graisses, soit minérales, soit à base de silicones. Leur durée de vie dépend de la sévérité de pollution du site ; elle peut aller de quelques mois (en zones fortement polluées) à quelques années (trois à cinq) ; une graisse n’agit plus soit lorsqu’elle est saturée de dépôts solides non solubles, soit lorsqu’elle a été dégradée par l’action des rayons ultraviolets. Des revêtements à base d’émaux semiconducteurs sont apparus. Ils améliorent la répartition du champ à la surface de l’isolateur et préviennent ainsi les amorçages en évitant la formation des arcs partiels ; les surfaces isolantes sont parcourues par des courants de fuite assez importants qui créent des échauffements non négligeables. La conservation de ces revêtements dans le temps pose des problèmes ; aussi cette technique ne s’est-elle pas généralisée. 8. Essais Les essais des isolateurs en verre et en céramique destinés aux lignes aériennes sont définis par la norme NF EN 60383-1. La norme NF EN 60383 donne des informations générales, des procédures d’essais et des critères d’acceptation et définit, pour quatre types d’isolateurs [rigides à tiges, rigides à socles (non utilisés en France), éléments de chaînes d’isolateurs à capot et tige ou long fût, isolateurs pour les lignes de traction électrique], la liste des essais, les modalités d’essais et les niveaux de qualité acceptable. Cette norme comporte deux chapitres : le premier relatif aux essais des isolateurs pris comme éléments d’une chaîne et le second relatif aux essais des chaînes d’isolateurs. 8.1 Isolateurs pris comme éléments de chaîne On peut classer ces essais en trois groupes. ● Premier groupe (essais de type) Ces essais sont destinés à contrôler les caractéristiques électriques d’un isolateur qui ne sont fonction que de la forme et des dimensions de l’isolateur. Ils ne sont effectués qu’une seule fois sur quelques isolateurs répondant au dessin du type ; ils comprennent : — une vérification des dimensions ; — un essai de tenue aux chocs de foudre à sec ; — un essai de tenue à fréquence industrielle ; — un essai de rupture électromécanique pour les isolateurs en céramique de classe B ; — un essai de rupture mécanique pour les isolateurs en verre et les isolateurs en céramique de classe A ; — un essai d’endurance thermomécanique. ● Deuxième groupe (essais sur prélèvements) Ces essais permettent de vérifier les autres caractéristiques d’un isolateur ainsi que la qualité des matériaux utilisés. Ils sont effectués sur des isolateurs prélevés au hasard dans le lot total présenté en réception, le nombre d’isolateurs prélevés dépendant du nombre total. Ces isolateurs doivent avoir subi avec succès les essais individuels du 3e groupe. Ces essais sur prélèvements comprennent : — la vérification du battement axial et radial (positionnement correct des pièces métalliques par rapport aux pièces isolantes) ; — la vérification du système de verrouillage ; D 4 423 − 10 — l’essai de résistance aux variations brusques de température (seulement pour la céramique) ; — l’essai de rupture électromécanique (ou mécanique) ; — l’essai au choc thermique (seulement pour le verre trempé) ; — l’essai de tenue à la perforation à fréquence industrielle ou au choc (seulement pour les isolateurs de classe B) ; — la vérification de l’absence de porosité (seulement pour la céramique) ; — la vérification de la galvanisation des pièces métalliques. Lors des essais mécaniques et électromécaniques, on applique une méthode statistique avec prélèvement simple avec contreépreuve sur un double échantillon. ● Troisième groupe (essais individuels) Ces essais sont destinés à éliminer les isolateurs qui présenteraient des défauts de fabrication. Ils sont effectués sur la totalité des isolateurs présentés en réception. Ils comprennent : — un examen visuel ; — un essai mécanique ; — un essai électrique à fréquence industrielle (seulement pour les isolateurs de la classe B) ; — un essai de choc thermique (seulement pour le verre trempé). 8.2 Chaînes d’isolateurs Pour les chaînes d’isolateurs, on vérifie : — la tension de tenue spécifiée aux chocs de foudre ; — la tension de tenue spécifiée aux chocs de manœuvre sous pluie ; — la tension de tenue spécifiée à fréquence industrielle sous pluie. Dans le cadre de la Commission Électrotechnique Internationale, les essais suivants ont été établis et approuvés par les Comités nationaux : — l’essai des isolateurs sous pollution : deux méthodes sont proposées : brouillard salin, pollution solide de Kieselgur (terres d’infusoires) ; — l’essai des isolateurs en perturbations radioélectriques : cet essai n’est applicable qu’aux isolateurs secs et propres, ce qui paraît peu d’utilité en service car les isolateurs sont rarement dans cet état ; — l’essai des isolateurs aux chocs de manœuvre (à partir de 300 kV de tension de réseau) ; cet essai est prévu à sec et sous pluie ; — l’essai de tenue aux arcs de puissance d’après la publication CEI 61467. Pour les isolateurs composites, le document applicable pour les essais est la publication CEI 61109. Il définit : — des essais de conception permettant de valider une technique de réalisation, essais généralement longs et n’étant pas répétés pour tout isolateur de conception semblable ; ils comprennent des essais de charge mécanique en fonction du temps, du noyau fixé sur ces extrémités métalliques, des essais du revêtement (cheminement et érosion), des essais du matériau du noyau ; — des essais de type ; — des essais de prélèvements ; — des essais individuels. L’ensemble de ces trois derniers groupes d’essais découle des essais de conception, en particulier pour la vérification de la tenue mécanique dans le temps, facteur essentiel à contrôler compte tenu du fluage important des matériaux synthétiques composant l’isolateur. Le comité CEI 36 travaille sur un projet de document applicable à tous les isolateurs composite quelle que soit son application (publication CEI 62217). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008
