Etude des mécanismes de développement de l'arc à la surface de matériaux isolants et dans les mélanges gazeux CO2/fluoronitrile
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LyonDisciplines:
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Abstract EN:
Because of its excellent dielectric properties, sulfur hexafluoride (SF6) is currently the most used gas in gas insulated substations (GIS). However, its greenhouse capacities are well known, with a global warming potential of 23900 times that of CO2 over a 100 years period, and an approximately 3200 years lifetime in the atmosphere. Thus, since the Kyoto summit (COP 3), international authorities tend to reduce or ban its use. For the past several years, manufacturers investigated more eco-friendly alternative solutions, showing equivalent or superior physical properties in comparison with SF6. One of the suggested solutions is the fluoronitrile (C4F7N), a gas having alone a dielectric withstand 2.7 times higher than SF6. However, its high liquefaction temperature requires to dilute it for use, mixed with CO2. O2 can also be added to address issues regarding the gas mixture decomposition during arc interruption. The resulting gas mixture can be used at relatively low temperature, with dielectric properties close to that of SF6. To correctly use this new mixture in GIS, its characterization must be completed by the study of its dielectric behavior at the interface with solid insulators used in the stations. Based upon previous studies found in literature, a first set of experiments was conducted under radial geometry in order to measure the discharges extensions without flashover, to be compared to those obtained in SF6. A second comparative study was then conducted in tangential electric field geometry, allowing to measure streamers propagation velocities during flashover. O2 influence on the gas mixture dielectric strength was also examined. Finally, in order to give sizing criteria for GIS using fluoronitrile/CO2 mixtures as insulating gas, flashover voltages measurements were made under various experimental conditions, including particle pollution on surface, under lightning impulse and alternative voltage.
Abstract FR:
L’hexafluorure de soufre (SF6) est, grâce à ses excellentes propriétés diélectriques, le gaz le plus couramment employé pour l’isolation électrique des postes sous enveloppe métallique (PSEM). Cependant, avec un potentiel de réchauffement global 23900 fois supérieur à celui du CO2 sur 100 ans, et une durée de vie dans l’atmosphère estimée à 3200 ans, le SF6 est aujourd’hui reconnu comme un puissant gaz à effet de serre. Ainsi, depuis le sommet de Kyoto (COP 3), les instances internationales ont décidé de réduire, voire interdire son utilisation, et incité les industriels à trouver des solutions alternatives plus respectueuses de l’environnement et présentant des propriétés physiques équivalentes ou supérieures à celles du SF6. Une des solutions proposées actuellement est le fluoronitrile (C4F7N), gaz présentant à lui seul une tenue diélectrique 2,7 fois supérieure à celle du SF6. Sa température de liquéfaction élevée oblige cependant à l’utiliser dilué, en mélange avec du CO2. De l’O2 peut également être ajouté pour répondre à des problématiques liées à la décomposition du gaz en coupure d’arc. Le mélange de gaz résultant peut être alors utilisé aux mêmes températures de fonctionnement que le SF6, tout en présentant des propriétés diélectriques en volume proches de celui-ci. Pour adapter correctement l’utilisation de ce mélange dans les PSEM, il convient de compléter sa caractérisation par l’étude de son comportement diélectrique à l’interface avec les isolants solides présents dans les postes. En se basant sur les études rapportées dans la littérature, une première série d’expériences a été menée en géométrie radiale afin de mesurer les extensions des décharges en l’absence de contournement, pour être comparées à celles obtenues dans le SF6. Une seconde étude comparative a ensuite été menée en géométrie de champ électrique tangentiel, permettant de mesurer les vitesses de propagation des streamers au moment du contournement. L’influence de la présence d’O2 sur la tenue diélectrique du mélange a également été explorée. Enfin, afin de fournir des critères de dimensionnement pour la conception des postes utilisant des mélanges fluoronitrile/CO2, des mesures de tensions de contournement en surface ont été effectuées pour différentes conditions expérimentales, notamment en présence de particule conductrice en surface de l’isolant solide, sous tension impulsionnelle de choc de foudre et alternative.