Gasgeïsoleerde geleiders
vervangen vaste kabelisolatie

De hoogspanningsmasten die onze landschappen ontsieren zijn nodig om de reusachtige vermogens elektriciteit op een zekere afstand te kunnen transporteren. Momenteel zijn gasgeïsoleerde hoogspanningslijnen in staat om grote vermogens bij 550 kV economisch onder de grond over te brengen. Hoever deze techniek staat, licht deze bijdrage toe.

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Door van het hoogste spanningsnet (400 kV) een koppelnet tussen de verschillende centrales te maken, kon men er voor zorgen dat de stabiliteit en bedrijfszekerheid van dit net merkbaar toenam. Zoals bekend neemt de energiebehoefte in de wereld jaarlijks toe. De hoogste regionale groei stelt men vast in de buurt van megasteden, dit zijn grootsteden van minstens tien miljoen inwoners. In de regel is een energie-overdracht door de lucht in deze gebieden niet mogelijk of niet toegelaten. Een verdere uitbouw van het net moet noodgedwongen onder de grond gebeuren. De synthetisch geïsoleerde hoogspanningskabel nam tot nu deze taak op zich. Maar om grote hoeveelheden energie over te brengen moeten de kabels gekoeld worden, wat technische installaties en rendementsverlies met zich meebrengt. Langere leidingen vergen daarboven op bepaalde afstanden bijkomende stations om het blindvermogen te kunnen compenseren.

GIL
Wanneer men de vaste kabelisolatie door een gasmantel vervangt, dan kunnen op diverse gebieden betere resultaten geboekt worden. Een gasgeïsoleerde geleider of GIL (gas insulated high voltge line) kwam al in de jaren 70 tot stand. Gewoonlijk plaatst men bij een GIL gasgeïsoleerde schakelaars (GIS). Deze dienen dan om de overgang naar transformatoren of generatoren te realiseren. In 1975 werd een ondergrondse 420 kV lijn met 4 km GIL-geleider bij het Kavernenkraftwerk Wehr AG gebouwd. Deze installatie is nog steeds een van de grootste GIL’s ter wereld.

Op dit ogenblik ontwikkelt men leidingen die tot 550 kV en 8000 A nominale stroom kunnen voeren. Siemens heeft zo al 50 km GIL geplaatst en is vrij tevreden wat de betrouwbaarheid betreft. Onderhoudswerkzaamheden beperken zich tot controle van de gaskwaliteit, de roestvorming en het nazicht van overspanningsbeveiliging en scheidingschakelaar. De gasleidingen moeten hierbij niet worden opengemaakt.

EDF
In 1994 startte Electricité de France (EDF) een ontwikkelingsprogramma om de GIL op kosten- en milieugebied te optimaliseren. Onderzocht wordt ook of GIL interessant is over lange afstanden. Een consortium bestaande uit GTMH, Lahmeyer International en Siemens zette zich aan het werk. GTMH is een Franse firma met wereldwijde ervaring in pijplijnen en Lahmeyer is een energiespecialist. De toekomstige GIL moet in staat zijn 3000 MW over te brengen, wat meer is dan de 4 kerncentrales van Doel, die samen 2800 MW voortbrengen.

Drie fasen

Het ontwikkelingsprogramma met EDF omvatte 3 fasen. In de eerste fase werd het elektrisch gedrag onderzocht in 2 proefopstellingen van elk 40 m lang. Het onderzoek ging het isolatiegedrag van het N2/SF6 –gasmengsel na. Ook werd de bedrijfszekerheid bij grote stromen onderzocht. Deze fase werd einde 96 succesvol afgesloten.

Op dit ogenblik is men bezig met de tweede fase die een praktische realisatie van 200 m beoogt met een spanning van 400 kV en 5000 A. Het verouderingsgedrag wordt onderzocht door de omstandigheden extra zwaar te maken.

Tenslotte zal in een derde fase een eerste tracé tot stand komen. Productie- en plaatsingstechnieken moeten getest worden en men moet kunnen zien in welke tijd één kilometer GIL kan opgebouwd worden.

Over het algemeen moet het onderzoek gericht zijn op een drastische kostenverlaging. Daarnaast zijn de milieufactoren zeer belangrijk. Men streeft ernaar de afzonderlijke componenten zo eenvoudig mogelijk te houden.

Met behulp van numerische technieken tracht men de ideale geometrische dimensies, de beste verhouding tussen de stikstof en het SF6-gas, en de optimale gasdruk te vinden. Tot nu toe is er weinig wetenschappelijk onderzoek verricht naar de diëlectrische eigenschappen van het isolerend gasmengsel onder hoge druk. Daartoe bouwde men 2 proefopstellingen waarop een omvangrijk programma elektrische metingen werd doorgevoerd. Talloze gasmengselverhoudingen onder drukken tot 20 bar werden onder de loupe genomen om de beste diëlectrische situatie te vinden.

Men ontdekte dat oppervlakte-effecten en invloed van losse deeltjes het aandeel van de SF6 in belangrijke mate bepaalt. Bij een SF6-aandeel van 10% blijft de coronastabiliserende werking van dit gas behouden, wat zeer belangrijk is voor de bedrijfszekerheid en de levensduur. De druk mag niet hoger zijn dan 10 bar om de storende invloed van bepaalde vormen van de spanningsvoerende delen zo klein mogelijk te houden.

Kostenbesparing
Het grootste deel van de besparing werd niet zozeer bij de materialen gerealiseerd, maar wel bij de verbetering van de montage- en plaatsingstechnieken. Veel leerde men van de pijplijntechniek die in staat is om op een economische wijze lange leidingen te leggen. Vroeger werden de buizen met de hand aan elkaar gelast, of door flenzen verbonden. Vandaag beschikt men over transporteerbare orbitale lasmachines. Nu kan men buizen zonder naden met willekeurige lengte leggen.

Voor hoogspanning is een glad oppervlak zeer belangrijk. Ook zijn alle uitstulpingen uit den boze. De mechanische kwaliteit is primordiaal voor de stabiliteit op lange termijn. De diëlectrische eigenschappen mogen geenszins verminderen. Ook moet de gasdichtheid op een hoog niveau liggen. Hiervoor hebben de ingeneurs omvangrijke kwaliteitsmaatregelen genomen. Ultrasoonmetingen tijdens en na het lassen zorgen ervoor dat het gasverlies onder de 0,5% per jaar ligt.

De buizen zonder lasnaad kunnen licht gebogen worden. Richtingsveranderingen met een radius tot 400 m kunnen, zonder gebruik te maken van hoekelementen. Dit is belangrijk voor de plaatsing in een licht glooiend landschap.

Fabricage
De GIL-elementen worden niet in een centrale fabriek samengesteld. Het transport zou een te zware bedrijfskost betekenen. In de plaats hiervan worden de onderdelen ter plaatse gebracht. Daar worden de componenten in zeer zuivere omstandigheden samengesteld en vervolgens in afgesloten lascabines aan mekaar gelast. Men fabriceert de buis dus ter plaatse.

Tunnel
Gasgeïsoleerde buizen kunnen ofwel boven de grond, ofwel in tunnels geplaatst worden. In Berlijn is er momenteel een 420 kV-lijn in gebruik, die voor een groot stuk in een tunnel ligt. Het overige deel ligt tot 30 m onder de grond om in geen geval in de buurt te komen van gewone ondergrondse leidingen zoals water, gas en laagspanning. Op geregelde afstanden is een compensatie ingevoegd om temperatuursinvloeden op te vangen. Wanneer de GIL in de grond ligt maar langs boven bereikbaar blijft, wordt de lijn economisch interessant. De grond houdt de positie van de buis goed vast en ankerpunten zijn alleen in de bochten nodig om uitknikken te voorkomen.

Corrosie
Doordat er geen flensverbindingen zijn, verwacht men weinig roestproblemen. Zoals pijplijnen worden GIL’s door een kunststoflaag omgeven die dik genoeg is om de corrosie voor de gehele levensduur weg te houden.

Warmte
De warmte die door het Joule-effect ontstaat, wordt overgebracht naar de omgeving. In het geval van de luchtlijnen is er hier geen probleem, maar de ondergrondse geleiders dreigen de naburige bodem uit te drogen. Onderzoekingen op dit gebied wezen uit dat de temperatuur maximaal 40°C mag zijn om uitdroging te vermijden. De omvang van de buis is dermate groot dat er een voldoend groot contactoppervlak bestaat tussen aarde en buismantel. Thermische berekeningen wijzen uit dat het GIL-prototype een vermogen van 2000 MW kan overbrengen zonder de grond overmatig op te warmen. Het spreekt voor zich dat met de doorsnede en de vorm van de geleiders in die mate geoptimaliseerd heeft, dat de verliezen minimaal zijn. Ook werd het beddingsmateriaal en de beddingsdiepte grondig bestudeerd.

EMC
Eénfasige geleiders hebben zeer goede EMC-eigenschappen. Gezien de terugkerende stroom in dat geval door het manteloppervlak loopt, wordt de magnetische veldcomponent tot een minimum gereduceerd. Metingen hebben aangetoond dat bij een nominale stroom van 4600 A en een spanning van 420 kV (dit komt overeen met 3000 MW in 3 fasen) het uitwendig veld aan het aardoppervlak minder dan 10 µT bedraagt. Dat is een tiende van wat toegelaten is.

Besluit
Wanneer luchtlijnen niet mogelijk of niet meer wenselijk zijn, dan vormen de gasgeïsoleerde geleiders (GIL) een aanvaardbaar alternatief, zowel voor korte als voor lange afstanden. Zij treden hiermee in concurrentie met bestaande hoogspanningskabels met vaste isolatie. Men zal een vermogen van 3000 MW bij 550 kV kunnen overbrengen en dit op de bodem geplaatst als ondergronds. Speciale machines produceren de GIL terplaatse. Op het gebied van de kostprijs werden belangrijke inspanningen geleverd. Toch is de GIL nog een aantal keer duurder dan de traditionele oplossing. Maar hoe langer hoe meer winnen andere waarden, die moeilijk in euro kunnen worden uitgedrukt, aan belang. Denken we aan natuurschoon en in het algemeen aan het milieu. De GIL’s reiken hier een mooie oplossing aan.
Ing Herman Paternoster

Conducteurs isolé au gaz
remplacent l’isolation fixe de câbles

Les pylônes à haute tension qui défigurent nos paysages sont indispensables au transport de gigantesques quantités d’électricité sur une certaine distance. Les lignes à haute tension isolées au gaz sont actuellement capables de transporter de façon économique et par voie souterraine d’importantes puissances à 550 kV. Le présent article dévoile les progrès accomplis par cette technique.

En transformant le plus puissant réseau de tension (400 kV) en un réseau de couplage entre les différentes centrales, on peut assurer une croissance considérable dans la stabilité et la fiabilité de ce réseau. Les besoins énergétiques connaissent une croissance annuelle dans le monde entier. Il s’agit là d’un fait connu. On constate la croissance la plus spectaculaire dans les environs des mégapoles, d’importantes métropoles comptant plus de dix millions d’habitants. La règle veut qu’un transfert énergétique par voie aérienne n’est pas possible ou pas autorisé dans ces régions. La poursuite de l’extension du réseau devra obligatoirement s’effectuer par voie souterraine. Le câble à haute tension synthétique et isolé s’est vu attribuer cette tâche. Il faut toutefois savoir qu’un transfert de grandes quantités d’énergie nécessite un refroidissement de ces câbles ce qui entraîne l’obligation d’installations techniques ainsi que des pertes de rendement. Les câbles plus longs exigent en outre l’installation de stations supplémentaires assurant la compensation de la puissance réactive.

GIL
Le remplacement de l’isolation fixe des câbles par une enveloppe gazeuse permet d’obtenir de meilleurs résultats dans divers domaines. Un conducteur isolé au gaz ou GIL (gas insulated high voltage line) a déjà été réalisé dans les années 70. Généralement, on accompagne le GIL de commutateurs isolés au gaz (GIS). Ceux-ci assurent la fonction de transition vers des transformateurs ou des générateurs. En 1975, on a procédé chez Kavernenkraftwerk Wehr AG à la construction d’une ligne souterraine de 420 kV avec un conducteur GIL de 4 km. Cette installation représente encore aujourd’hui l’un des plus grands GIL au monde.

On développe actuellement des lignes capables de transporter pas moins de 550 kV et 8000 A de courant nominal. Siemens a ainsi déjà placé 50 km de GIL et est très satisfait au niveau de la fiabilité. Les travaux d’entretien se limitent au contrôle de la qualité du gaz, à la formation d’oxydation et à la vérification des protections de surtension et des sectionneurs. Les conduits de gaz ne doivent pas être ouverts pour l’exécution de ces travaux.

EDF
En 1994, Electricité de France (EDF) a lancé un programme de développement destiné à optimaliser le GIL sur le plan des coûts et de l’environnement. On a également examiné si le GIL est intéressant pour de longues distances. Un consortium formé de GTMH, de Lahmeyer International et de Siemens s’est penché sur la question. GTMH est une entreprise française, disposant d’un expérience mondiale en pipe-lines et Lahmeyer est un spécialiste du domaine de l’énergie. Le futur GIL doit être en mesure de transférer 3000 MW ce qui est supérieur à la production des 4 centrales nucléaires de Doel qui totalisent ensemble 2800 MW.

Trois phases
Le programme de développement avec EDF comprenait 3 phases. Pendant la première phase, on a examiné le comportement électrique dans deux constructions d’essai de 40 m chacune. Le test prévoyait l’examen du comportement isolant du mélange gazeux N2/SF6. On a également testé la fiabilité à courants importants. Cette phase a été clôturée avec succès vers la fin de l’année 1996.

On procède actuellement à la seconde phase qui vise une réalisation pratique de 200 m avec une tension de 400 kV et de 5000 A. Le comportement au vieillissement a été testé en soumettant la réalisation à des circonstances particulièrement sévères.

Un premier tracé verra le jour dans la troisième phase. Les techniques de production et de placement devront être testées et on doit également examiner en combien de temps on est à même de construire un tronçon d’un kilomètre de GIL. En règle générale, cette recherche devra être axée sur une réduction drastique des coûts. Les facteurs environnementaux revêtent également une importance certaine. On tente de maintenir les différents composants aussi simples que possible. A l’aide des techniques numériques, on tentera de déterminer les dimensions géométriques idéales, le meilleur rapport entre l’azote et le gaz SF6 et la pression optimale du gaz. Peu de recherches scientifiques ont été faites à ce jour au niveau des caractéristiques diélectriques du mélange gazeux isolant sous haute pression. On a donc construit 2 réalisations d’essai sur lesquelles sera effectué un considérable programme de mesures électriques. De nombreux rapports de mélange gazeux sous des pressions de 20 bar ont été testés afin de déterminer la meilleure situation diélectrique. On a constaté que les effets de surface et l’influence des particules isolées déterminent dans une mesure importante la part de SF6. La fonction corona stabilisante est maintenue moyennant une part de SF6 équivalant à 10 %, ce qui est d’une importance certaine pour la fiabilité et la longévité. La pression ne peut pas excéder 10 bar afin de réduire autant que possible l’influence perturbatrice de certaines formes des composants conducteurs de tension.

Economies en terme de coûts
La majeure partie de l’économie n’est pas réalisée au niveau des matériaux mais bien plutôt sur le plan de l’amélioration des techniques de montage et de placement. La technique des pipe-lines a largement apporté son appui car elle est en mesure d’assurer de façon économique la pose de longs conduits. Par le passé, les tubes étaient soudés entre eux à la main ou reliés au moyen de brides. On dispose aujourd’hui d’équipements de soudage transportables et orbitaux. On est dès lors en mesure de poser des tubes de différentes longueurs sans aucune jointure. Pour la haute tension, une surface lisse est d’une importance capitale. Toutes les saillies sont également à éviter à tout prix. La qualité mécanique est primordiale pour la stabilité à long terme. Les caractéristiques diélectriques ne peuvent en aucun cas connaître une perte de performances. L’étanchéité au gaz doit également être d’un niveau élevé. Les ingénieurs ont dès lors pris des mesures qualitatives considérables. Des mesures aux ultrasons pendant et après les travaux de soudage assurent que le niveau des pertes en gaz se situe au-dessous de 0,5 % par an. Les tubes sans jointure peuvent être légèrement courbés. Les changements de direction d’un rayon de 400 m sont possibles sans intervention d’éléments d’angle. Ce dernier facteur est important lors du placement dans un paysage en légère déclivité.

La fabrication
Les éléments GIL ne sont pas assemblés dans une usine centrale. Le transport signifierait un coût trop important. En lieu et place, les composants sont amenés sur site. Ils sont alors assemblés sous des conditions draconiennes de propreté pour être ensuite soudés dans des cabines de soudage isolées. On fabrique donc le tube sur place.

Les tunnels
Les tubes isolés au gaz peuvent être placés au-dessus du sol ou dans des tunnels. Dans la ville de Berlin, une ligne de 420 kV actuellement en utilisation se situe partiellement dans un tunnel. Le reste de la ligne se situe à 30 m sous terre pour ne s’approcher en aucun cas de conduits souterrains tels que les réseaux d’eau, de gaz et de basse tension. A distances régulières, on a intégré un dispositif de compensation pour encaisser les influences de température. Lorsque le GIL est souterrain mais qu’il est reste accessible depuis le haut, la ligne devient économiquement intéressante. Le sol maintient parfaitement la position des tubes et les points d’ancrage ne sont nécessaires que dans les virages afin d’éviter les cassures.

La corrosion
Comme il n’y a pas de raccords au moyen de brides, on s’attend à très peu de problèmes de corrosion. Comme les pipe-lines, le GIL est entouré d’une couche en matière synthétique qui est suffisamment épaisse pour écarter les risques de corrosion pendant toute sa durée de vie.

La chaleur
La chaleur générée par l’effet Joule est transférée vers l’environnement. Dans le cas de lignes aériennes, il n’y a aucun problème mais les conducteurs souterrains risquent de dessécher le sol avoisinant.

Les recherches dans ce domaine indiquent que la température peut atteindre un maximum de 40°C pour éviter un tel dessèchement. Le volume du tube est tel qu’il existe une surface de contact suffisamment importante entre le terre et l’enveloppe du tube. Les calculs thermiques indiquent que le prototype du GIL est en mesure de transférer une puissance de 2000 MW sans provoquer un réchauffement excessif du sol. Il va de soi que le diamètre et la forme des conducteurs ont été optimalisés de manière à garantir des pertes minimales. Le matériau destiné au lit du câble ainsi que la profondeur de ce lit ont été soigneusement étudiés.

EMC
Les conducteurs à phase unique ont d’excellentes caractéristiques EMC. Comme le courant de rentrée traverse dans ce cas la surface de l’enveloppe, la composante magnétique du champ est réduite au minimum. Les mesures ont indiqué qu’avec un courant nominal de 4600 A et une tension de 420 kV (ceci correspond à 3000 MW en 3 phases), le champ externe à la surface du sol s’élève à moins de 10 µT, soit un dixième de ce qui est toléré.

Conclusion
Lorsque les lignes aériennes sont impossibles ou ne sont plus souhaitables, les conducteurs isolés au gaz (GIL) représentent une alternative acceptable, pour de courtes comme pour de longues distances. Ils entrent ainsi en concurrence avec des câbles à haute tension existants à isolation fixe. On pourra transférer des puissances de 3000 MW à 550 kV, ceci tant sous forme de câblage posé au sol que sous celle de câbles souterrains. Des machines spéciales construisent le GIL sur site. D’importants efforts ont été consentis au niveau du prix coûtant. Le GIL reste toutefois un certain nombre de fois plus cher que la solution traditionnelle. D’autres valeurs, difficilement exprimables en euros, gagnent pourtant du terrain. Ne mentionnons ici que la beauté de la nature ainsi que l’environnement en général. Le GIL représente alors une excellente solution.
Par Ing. Herman Paternoster