La relève de la garde Un polymère remplace avantageusement

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1 La relève de la garde Un polymère remplace avantageusement la porcelaine pour les enveloppes de parafoudres Torbjörn Skytt, Hans E. G. Gleimar «Monter la garde» est peut-être l expression qui décrit le mieux le rôle des parafoudres, mais elle ne suggère rien de leurs qualités fonctionnelles et de leur robustesse. Conçus pour protéger les composants du réseau électrique des effets des chocs de foudre et de manœuvre, les parafoudres eux-mêmes doivent être protégés de certains dangers, notamment les séismes et le vandalisme. La porcelaine, matériau traditionnellement employé pour fabriquer leur enveloppe, est loin d être la solution idéale. Le parafoudre PEXLIM d ABB, avec son enveloppe en polymère, résout ce problème tout en offrant d autres avantages: il est deux fois plus léger qu un parafoudre à enveloppe céramique, il est plus durable, il est hydrofuge, ignifuge et résiste mieux au vieillissement. Le parafoudre PEXLIM protège également mieux les lignes de transport «compactes» et est d utilisation plus facile en cas de problèmes de mise à la terre. Qui plus est, il ouvre la voie à de nouvelles applications, notamment pour les lignes à ultra haute tension. L es parafoudres sont des dispositifs de sécurité qui limitent rapidement et efficacement les surtensions de toutes origines (foudre, manœuvres ou autres phénomènes transitoires) dans les réseaux de transport. En l absence de parafoudre, les surtensions peuvent endommager les coûteux équipements du réseau haute tension. Les exploitants en installent donc d office à titre préventif. Bref historique La toute première forme de protection contre les surtensions était un simple éclateur dans l air qui avait un inconvénient majeur: sa tension d amorçage variait selon les conditions climatiques. Ensuite apparut le parafoudre «classique», avec éclateur en série et varistance au Une production à plein régime! carbure de silicium, l ensemble protégé dans une enveloppe en porcelaine. Ces premiers dispositifs ont depuis longtemps laissé la place à une nouvelle génération de parafoudres sans éclateur à Pour répondre à la demande croissante des clients qui abandonnent les solutions traditionnelles, ABB a doublé ses capacités de production de parafoudres PEXLIM tout en réajustant ses procédés de production et processus de commercialisation. Aujourd hui, certains pays commandent exclusivement des parafoudres à enveloppe polymère. Revue ABB 1/

2 varistances à oxyde de zinc (ZnO) ayant un fort coefficient de non-linéarité. Chaque colonne de varistances est un corps en céramique dense composé de ZnO et de petites quantités d autres oxydes métalliques. La technologie ZnO a fait ses preuves sur le terrain en jouant parfaitement son rôle. Traditionnellement, l enveloppe de ces parafoudres est en porcelaine, mais pour différentes raisons (notamment la projection de débris et le vandalisme), les fabricants cherchent depuis des années à mettre au point un matériau de remplacement plus sûr et plus facile à manipuler. ABB innove avec un parafoudre destiné à remplacer les parafoudres à enveloppe porcelaine. Baptisé PEXLIM (Polymeric EXcellent LIMiter), il est doté d une enveloppe polymère très spéciale en caoutchouc au silicone. Les colonnes d oxyde de zinc utilisées sont en tous points identiques à celles des parafoudres de type céramique. La force du «maillon faible» Les varistances empilées protègent le réseau HT des surtensions en combinant des propriétés semi-conductrices et isolantes. Sous haute tension en régime permanent, une varistance conduit un courant de l ordre d 1 ma. A ce niveau de tension, le courant est quasi capacitif, sa composante résistive n atteignant que quelques dizaines de microampères. En cas de surtension, le parafoudre conduit un courant plus élevé et limite la surtension à une valeur déterminée par sa caractéristique courant-tension. Lorsque la surtension disparaît, le courant chute immédiatement. Le choix d un parafoudre résulte d un compromis entre le niveau de protection requis et les surtensions transitoires tolérées. Le parafoudre est délibérément conçu pour être le «maillon faible» du réseau, c est-à-dire pour se briser en cas de surcharge et ainsi protéger d autres équipements plus coûteux. Une nouvelle enveloppe pour des performances accrues Le nouveau matériau isolant, plus léger, préserve la fonction de base du parafoudre tout en améliorant plusieurs autres propriétés, renforçant considérablement la sécurité du produit et facilitant sa manutention. Il est le fruit d une collaboration entre les chercheurs ABB et les principaux producteurs de polymères. Quelques avantages du caoutchouc au silicone par rapport à la céramique: Robustesse. Le caoutchouc au silicone est résilient, solide et compact. Avec son enveloppe robuste, le parafoudre PEXLIM peut même être installé dans des zones non clôturées sans risque pour les personnes ou les animaux. Hydrofuge. La surface du silicone étant hydrophobe, les gouttes d eau se regroupent et s écoulent. Ainsi, le courant n est pas conduit aussi aisément que sur des surfaces où l eau s étale pour former une couche régulière 1. Légèreté. La masse totale des parafoudres est nettement inférieure. Les parafoudres ABB étant deux fois plus légers, ils sont plus faciles à transporter et à manutentionner. Le montage des parafoudres PEXLIM sur les pylônes élec- Caractéristiques techniques des parafoudres PEXLIM Tension réseau kv kv kv Tension assignée* kv kv kv Courant nominal de décharge 10 ka 10 ka 20 ka Classe de décharge de ligne Classe 2 Classe 3 Classe 4 *La tension assignée est le paramètre sur lequel sont basées les caractéristiques d exploitation et de sécurité. Choisir une tension assignée pour un parafoudre, c est faire un compromis entre le niveau de protection recherché et la tolérance vis-à-vis de la surtension transitoire. En sélectionnant une tension assignée plus élevée, vous améliorez la tenue du parafoudre aux surtensions transitoires, mais vous réduisez la marge de sécurité du niveau d isolement spécifique. 1 Gouttes d eau sur une enveloppe de parafoudre en polymère. Le courant n y est pas conduit aussi aisément que sur une enveloppe en porcelaine où l eau s étale en couche uniforme. 44 Revue ABB 1/2002

3 2 Installation de parafoudres à enveloppe polymère sur une ligne de transport: 3 Parafoudre à enveloppe polymère un travail désormais plus aisé et sans risque. résistant aux séismes. triques ou leur suspension aux lignes de transport est également plus aisé et sans risque. Leur légèreté permet enfin d envisager d autres emplacements et modes de montage 2. Ecologique. Le caoutchouc au silicone ne contient aucune substance nuisible à l environnement. En fin de vie utile, il peut servir de matériau de remblai (ex. chantiers) ou être incinéré ( ºC) ne laissant que des cendres inoffensives. Résistance au vieillissement et aux conditions climatiques extrêmes. En phase de développement du parafoudre, ABB a amélioré le procédé de fabrication et les propriétés du matériau de l enveloppe. Les parafoudres PEXLIM présentent une bonne résistance au vieillissement et une grande fiabilité de fonctionnement, même dans des conditions climatiques extrêmes. Sensibilité aux agents polluants. Les surfaces en caoutchouc au silicone ne retiennent ni la saleté ni les polluants qui sont lavés par la pluie. Propriétés électriques, résistance à la lumière, aux rayonnements UV et au feu. Le caoutchouc au silicone utilisé par ABB renferme des composants qui augmentent sa résistance au feu, à la lumière et aux rayonnements ultraviolets, qui réduisent la corrosion due au brouillard salin et garantissent de bonnes propriétés électriques. Ses excellentes propriétés électriques et isolantes lui procurent aussi une bonne tenue aux courants de fuite. De nouvelles applications Les propriétés du parafoudre PEXLIM en font la solution idéale pour les zones à risque sismique. Sa légèreté et sa capacité d absorption des secousses sismiques évitent la projection de débris. Pour les parafoudres de très grandes longueurs, les oscillations harmoniques peuvent être contrôlées par des dispositions de montages appropriées 3. De plus, ces nouveaux parafoudres plus légers peuvent remplacer des équipements plus chers et exigeant plus d entretien. Ils peuvent être suspendus aux pylônes et en plusieurs points le long de la ligne pour améliorer la disponibilité du réseau 4. Les parafoudres à enveloppe porcelaine sont trop lourds pour la plupart des applications de ce type et seraient dangereux en cas de bris. ABB travaille également avec d autres entreprises au développement de lignes de transport «compactes», moins hautes, plus étroites et dont les champs magnétiques sont plus faibles. Le parafoudre PEXLIM, plus léger, contribue de manière Revue ABB 1/

4 5 Les parafoudres PEXLIM à enveloppe polymère contiennent moins de pièces que la génération précédente à enveloppe porcelaine. importante à la réussite de ces développements. Enfin, pour les réseaux de transport où la mise à la terre, et donc la disponibilité, sont problématiques, le parafoudre à enveloppe polymère constitue une solution attrayante. En limitant le risque de chute de morceaux de porcelaine, le parafoudre PEXLIM à l épreuve des bris rend cette option possible. Conjuguer nouveau matériau et production intégrée Le caoutchouc au silicone est une substance hautement réactive et sa fabrication requiert un savoir-faire spécifique, un environnement de production très propre et des conditions climatiques constantes, qui rendent son procédé de fabrication relativement complexe. Le caoutchouc au silicone est moulé en une seule pièce autour de l empilage de colonnes d oxyde de zinc formant la partie active. Les propriétés adhésives du caoutchouc au silicone sont primordiales, le produit fini devant être totalement exempt de cavité. Le procédé de moulage par injection de l enveloppe polymère a fait l objet d essais avec des fournisseurs de premier plan et satisfait maintenant les critères les plus stricts de fiabilité et de productivité. ABB Switchgear fabrique aujourd hui la troisième génération de produits Résultats de l installation de parafoudres le long d un tronçon de ligne de transport ayant une impédance de mise à la terre élevée (TFI, Tower Footing Impedance). On remarque également que les parafoudres sont nécessaires sur les pylônes à faible TFI aux extrémités du tronçon. V 4 Tension aux bornes des isolateurs Rouge Parafoudres sur les pylônes 3 7 Jaune Vert Parafoudres sur les 9 pylônes Niveau d isolement de base PEXLIM selon un procédé de fabrication exclusif, avec des outils conçus spécialement et un composé de caoutchouc au silicone qui doit respecter des contraintes de fabrication très sévères. Par conséquent, ABB est en mesure de garantir la plus haute qualité à toutes les étapes de la production. Le nouveau matériau permet également des améliorations en termes de conception. Les parafoudres PEXLIM contiennent moins de pièces que leurs prédécesseurs et leur fabrication repose sur une plate-forme commune 5. De ce fait, les délais de livraison en sortie d usine ont été considérablement réduits: de 6 8 semaines pour les parafoudres à enveloppe porcelaine, ils sont maintenant de 2 4 semaines pour les parafoudres PEXLIM. Les essais en fin de fabrication sont effectués avec un équipement spécial, mais sont identiques à ceux des parafoudres à enveloppe porcelaine. 46 Revue ABB 1/2002

5 6 Parafoudres PEXLIM installés sur un réseau de transport à 400 kv. L isolateur creux est également en polymère. ABB a ainsi renforcé sa maîtrise de la technologie des polymères et des propriétés du caoutchouc au silicone. Ce savoir-faire sera également fort utile dans de nombreux domaines ayant trait au transport de l électricité 6. Respect de l environnement L installation de parafoudres, pour protéger des équipements généralement plus coûteux, permet aux exploitants d accroître les niveaux de charge dans leurs réseaux, réduisant les besoins d investissement dans de nouvelles lignes et évitant tous les problèmes qui en résultent. En fait, les nouveaux parafoudres contribuent au respect de l environnement tout au long de leur cycle de vie, depuis leur production jusqu à leur mise au rebut. Etant plus légers, leur transport et leur manutention ont un impact moindre sur l environnement et ils peuvent être installés au plus près de l équipement à protéger, économisant espace et argent. En outre, le procédé de production intégré ABB ne produit aucun rejet dans l atmosphère. Une part de marché croissante Après une percée très remarquée sur le marché des réseaux BT, les parafoudres PEXLIM gagnent maintenant rapidement du terrain dans le domaine des tensions plus élevées. ABB a déjà livré des parafoudres PEXLIM pour un réseau de 800 kv aux USA. Lorsque ABB a commencé à commercialiser des parafoudres à enveloppe polymère, la technologie coûtait encore relativement cher ; depuis, ils sont devenus très compétitifs. Les délais de livraison sont courts et le produit a acquis une excellente réputation pour ses performances techniques. Les exploitants de réseaux accélèrent le remplacement des parafoudres à enveloppe porcelaine par des dispositifs en polymère, et ABB a doublé ses capacités de production de PEXLIM pour répondre à la demande croissante du marché. Les délais ont été nettement raccourcis en réajustant les paramètres de fabrication et en faisant appel à des méthodes statistiques et à une logistique simplifiée. Certains pays imposent désormais l installation exclusive de parafoudres à enveloppe polymère. L an dernier, les parafoudres PEXLIM ont représenté plus de la moitié de la production pour des applications jusqu à 245 kv compris. Cette formidable progression est le résultat d un accroissement de la part de marché et du basculement de la demande de la gamme des parafoudres à enveloppe porcelaine EXLIM d ABB vers la gamme polymère PEXLIM. Auteurs Torbjörn Skytt Hans E.G.Gleimar ABB Power Technology Products AB SE Ludvika Suède hans.gleimar@se.abb.com Telefax: Revue ABB 1/