Comment protéger les équipements électriques pendant les orages ?

—Une solution collaborative de parafoudres et de transformateurs

En raison du changement climatique mondial, les orages deviennent de plus en plus fréquents. Selon les statistiques de l'Organisation météorologique mondiale (OMM), le nombre moyen de jours d'orage dans le monde en 2023 a augmenté de 18 % par rapport à il y a dix ans, avec une croissance particulièrement importante en Asie du Sud-Est, en Afrique et en Amérique du Nord. La foudre et les surtensions causent chaque année plus de 5 milliards de dollars de pertes directes aux réseaux électriques mondiaux, les transformateurs, équipements clés des réseaux électriques, étant les plus vulnérables en raison de leur isolation.

Pour relever ce défi, la Commission électrotechnique internationale (CEI) et l'Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE) ont publié plusieurs normes (telles que la CEI 60099-4 et la C62.11 de l'IEEE), favorisant le développement de technologies de protection collaboratives pour les parafoudres et les transformateurs. Cet article analyse comment garantir la sécurité des équipements électriques grâce à une stratégie de protection multi-niveaux, combinant normes internationales et pratiques d'ingénierie mondiales.

1. Mécanismes de foudre et risques directs

Les courants de foudre se caractérisent par une amplitude élevée (10 à 200 kA) et un temps de montée rapide (1 à 10 μs). Leur énergie peut détruire instantanément les matériaux isolants. Par exemple, un coup de foudre négatif classique avec une onde de 10/350 μs (selon la norme CEI 62305) et un courant de crête de 100 kA libère une énergie équivalente à l'explosion d'un dixième de tonne de TNT. Lorsque les courants de foudre envahissent les postes électriques par les lignes de transport, ils produisent les effets suivants dans les enroulements des transformateurs :

(1) Induction électromagnétique :Le champ magnétique transitoire induit des tensions de plusieurs kilovolts dans les enroulements.

(2)Élévation du potentiel de terre (GPR) :Si le système de mise à la terre présente une résistance élevée, les courants de foudre provoquent une augmentation soudaine du potentiel de terre local, créant une « tension de retour de flamme ».

●Sans protection adéquate, la foudre peut entraîner :

(1) Défaillance de l'isolation :Les gradients de tension élevés carbonisent l'isolation huile-papier du transformateur, provoquant des courts-circuits internes.

(2) Épuisement de l'enroulement :L'échauffement par effet Joule (Q=I²Rt) dû aux courants de foudre peut augmenter les températures locales au-dessus de 1000°C.

(3)Explosion de l’équipement :L'huile isolante se décompose en gaz inflammables (par exemple, l'hydrogène) sous des températures élevées, ce qui entraîne des explosions lorsqu'elle est exposée à des arcs.

Étude de cas:En 2022, un coup de foudre a provoqué une panne de traversée de transformateur dans une sous-station de Mumbai, entraînant un incendie de pétrole, une explosion, une panne d'électricité de 12 heures et 2 millions de dollars de pertes directes.

2. Technologies de base des parafoudres : de la « décharge passive » à la « limitation intelligente de la tension »

● Caractéristiques non linéaires des parafoudres à oxyde métallique (MOA)

Les parafoudres traditionnels en carbure de silicium (SiC) sont remplacés par des parafoudres à oxyde métallique (MOA) en raison de leur temps de réponse lent (environ 100 ns) et de leur tension résiduelle élevée. Les MOA utilisent de l'oxyde de zinc (ZnO) dopé avec des traces de métaux (par exemple, Bi₂O₃, CoO), présentant des caractéristiques volt-ampère non linéaires :

(1)Zone basse tension (<1 kV/mm) :La résistivité atteint 10⁸ Ω·m, ce qui ne permet pratiquement aucun flux de courant.

(2)Zone haute tension (>3 kV/mm) :La résistivité chute à 1 Ω·m, formant un chemin de décharge à faible résistance.

Effet:Les MOA réagissent en 25 ns et réduisent la tension résiduelle de 40 % par rapport aux parafoudres traditionnels. Par exemple, sous un choc de 100 kA, les MOA limitent la tension de ligne à moins de 300 kV (conformément à la norme CEI 60099-4), évitant ainsi la défaillance de l'isolation du transformateur.

Étude de cas:Le réseau EGAT de Thaïlande a déployé des MOA dans des sous-stations de 230 kV, réduisant les pannes de transformateurs de 1.5 à 0.2 incident par an, soit une amélioration de 86 % de l'efficacité de la protection.

● Coordination de l'isolation entre les parafoudres et les transformateurs

L'efficacité des parafoudres dépend du niveau d'isolation du transformateur d'adaptation. Conformément à la norme CEI 60071-1 :

Uprotect ≤ 0.85 × Uwithstand
où:

(1)Uprotect : Parafoudre de tension résiduelle

(2)Urésistent : Niveau d'isolation de base du transformateur aux chocs de foudre (BIL)

Pratiques d'ingénierie :

(1) Optimisation de la distance :Installer des parafoudres à ≤ 50 mètres des transformateurs (recommandation IEEE C62.22) pour minimiser les effets d'inductance de ligne.

(2)Protection à plusieurs niveaux :Utilisez des MOA à trois étages aux entrées de ligne, aux jeux de barres et aux bornes du transformateur pour réduire progressivement l'amplitude des surtensions.

3. Conception d'isolation renforcée du transformateur contre la foudre

● Isolation de gradient et égalisation du champ électrique

Les transformateurs modernes utilisent une isolation à gradient d'huile-papier alterné, où les constantes diélectriques (εᵣ) augmentent de façon exponentielle avec la distance des enroulements :

εᵣ(x) = εr₀ · eᵏˣ

Cette conception réduit les champs électriques de crête de 8 kV/mm à moins de 3 kV/mm.

Application:Idéal pour les sous-stations dans les régions à forts orages (par exemple, l'Asie du Sud-Est, l'Afrique), répondant aux exigences BIL améliorées de la norme IEC 60076-15 (amélioration de 20 à 30 %).

● Optimisation des enroulements résistants à la foudre

Conceptions clés pour atténuer le déséquilibre actuel et la surchauffe :

(1)Enroulement à transposition continue :Chaque tour est transposé 3 à 4 fois, réduisant ainsi les pertes par tourbillon de 60 %.

(2) Blindage électrostatique :Les blindages en cuivre entre les enroulements et les noyaux égalisent les champs électriques via un couplage capacitif, réduisant ainsi l'intensité du champ local de 50 %.

Effet:Les transformateurs optimisés d'ABB réduisent l'augmentation de la température des enroulements de 120 °C à 65 °C sous des chocs de 10 kA, triplant ainsi la durée de vie de l'isolation.

4. Synergie entre systèmes de mise à la terre et surveillance intelligente

● Grilles de mise à la terre à faible impédance

Conformément à la norme IEEE 80, la résistance de mise à la terre doit satisfaire :

Rground ≤ (limites de tension) / (courant de foudre)
Pour des coups de 50 kA, Rground ≤ 0.001 Ω. Solutions           consistent à

(1) Électrodes à puits profonds :Enterré à 30–100 mètres dans un sol à faible résistivité (< 50 Ω·m).

(2) Grilles en maille de cuivre :Section transversale ≥ 120 mm², espacement ≤ 5 mètres, réduisant la tension de pas à < 40 V.

Application:Efficace dans les zones à haute résistivité (par exemple, les déserts du Moyen-Orient).

● Systèmes de surveillance en ligne

Les capteurs en temps réel fournissent des avertissements précoces en cas de panne :

(1)Courant de fuite du parafoudre :Remplacer les vannes MOA lorsque le courant résistif (IR) dépasse 15 % du courant total (CEI 60099-5).

(2)Décharge partielle du transformateur :Capteurs UHF (300 MHz-3 GHz) localisent les défauts avec≤Erreur de 10 cm en utilisant des algorithmes de différence de temps (TDOA).

Étude de cas:Allemagne»Le réseau E.ON a prolongé les cycles de remplacement des parafoudres de 5 à 8 ans, réduit les coûts de maintenance de 40 % et atteint une précision de détection des défauts de 95 %.

Tableau 1 : Mesures et applications de protection contre la foudre

En résumé

La protection contre la foudre repose sur la maîtrise de l'énergie et la synergie des systèmes. Les parafoudres détournent les courants de foudre, les transformateurs résistent aux surtensions grâce à une isolation optimisée, et les systèmes de mise à la terre et de surveillance garantissent la fiabilité. Pour les utilisateurs internationaux, le choix de solutions conformes aux normes CEI/IEEE et adaptées aux climats régionaux est essentiel. Les avancées futures, telles que les parafoudres à large bande interdite (SiC/GaN) et l'isolation auto-réparatrice, pourraient permettre d'atteindre le « zéro dommage dû à la foudre ».

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