CT de sécurité dans les environnements froids et humides : infiltration et humidité

CT de sécurité dans les environnements froids et humides : infiltration et humidité

Abstract

Les systèmes de sécurité par transformateur de courant (TC) des métros, gares et postes frontières fonctionnent en milieu semi-extérieur. Les températures nocturnes avoisinant les -30 °C et l'humidité diurne supérieure à 95 % provoquent la formation d'un film d'eau sur chaque isolateur et condensateur. Il s'ensuit des phénomènes de fuite, de contournement et de décharge partielle. Cet article décrit la physique des décharges superficielles, le cheminement de l'humidité vers le revêtement époxy et six mesures de protection. Il détaille ensuite les paramètres des condensateurs garantissant la protection pendant une durée de vie de dix ans.

1. Introduction

Les scanners CT de sécurité installés dans les métros, les gares et aux postes frontières sont souvent situés dans des zones semi-extérieures. Les températures nocturnes en hiver dans l'hémisphère nord peuvent atteindre -30 °C. Le fonctionnement diurne réchauffe ensuite l'intérieur de l'armoire, ce qui provoque la condensation de vapeur d'eau sur les pièces métalliques et les isolants.

L'été pose le problème inverse. La saison des pluies de prunes fait grimper l'humidité relative au-delà de 95 %. Un film d'eau continu se forme à la surface des condensateurs, et la conductivité de surface augmente de six ordres de grandeur.

Une conception qui réussit un test de tenue à sec peut néanmoins présenter des défaillances sur le terrain. Plus de 60 % des pannes haute tension sur les sites de transformateurs de courant de sécurité en environnements froids et humides sont dues à des infiltrations d'humidité.

Cet article décrit la physique des décharges superficielles, le processus d'absorption de l'humidité et six mesures de protection. Il répertorie également les paramètres du condensateur à vérifier avant la mise en service d'un site humide.

2. Mécanisme de base

2.1 Condensation superficielle et contournement

L'eau se condense en un film conducteur lorsque la surface de l'isolant se refroidit en dessous du point de rosée. Ce film est parcouru par un courant de fuite, dont la densité suit la loi d'Ohm de surface.

J_s = σ_s · E_s

où J_s est la densité de courant de fuite de surface, σ_s la conductivité de surface et E_s le champ électrique tangentiel le long du chemin de fuite.

Les contaminants ioniques modifient considérablement la conductivité électrique (σ_s). Dans l'air sec, elle est proche de 10⁻¹⁴ S. Un film humide contenant du sel ou de la poussière l'élève à 10⁻⁸ S, soit un facteur 10⁶.

L'échauffement local par effet Joule provoque l'ébullition du film en bandes sèches. La tension maximale apparaît alors aux bornes de chaque bande, et un contournement superficiel s'ensuit. L'augmentation de l'humidité relative de 40 % à 90 % réduit la tension de contournement de l'époxy de 30 % à 50 %.

2.2 Pénétration d'humidité dans le revêtement

Le corps en céramique n'absorbe pratiquement pas d'eau. L'humidité pénètre par le revêtement époxy et l'espace entre les fils conducteurs. L'eau emprisonnée augmente le facteur de dissipation effectif DF_eff et engendre des pertes supplémentaires.

P_loss = 2πf · C · V_rms² · DF_eff

où P_loss est la puissance dissipée, f la fréquence de fonctionnement, C la capacité, V_rms la tension RMS aux bornes de la pièce et DF_eff le facteur de dissipation effectif.

Chaque augmentation de 0.1 % du facteur de dissipation d'énergie (DF_eff) entraîne une élévation de température de 5 à 10 K sous haute tension et haute fréquence. Cette chaleur attire davantage d'humidité dans le polymère, ce qui amplifie mutuellement les pertes et l'humidité.

Les ions libres présents dans le film attaquent également l'électrode. Ils accélèrent la corrosion et la migration de l'argent sous polarisation continue, ce qui explique pourquoi un nœud haute tension humide vieillit plus vite que ne le suggère sa fiche technique.

2.3 Fissures à basse température et interstices à basse pression

Le froid rend l'époxy plus dur et plus cassant. Le revêtement et le corps en céramique se modifient alors dimensionnellement à des vitesses différentes, ce qui entraîne une contrainte à l'interface.

σ_th = E_c · (α_c − α_ce) · ΔT

où σ_th est la contrainte thermique interfaciale, E_c le module du revêtement, α_c et α_ce les coefficients de dilatation du revêtement et de la céramique, et ΔT l'amplitude de température.

Cette contrainte provoque des microfissures à la base du conducteur. Une fissure rompt l'étanchéité à l'humidité et concentre le champ électrique à son extrémité. Les fissures et les vides forment également de petits espaces de basse pression, et la tension de claquage de ces espaces suit la courbe de Paschen.

V_breakdown ∝ (p · d) / ln(p · d)

où p représente la pression du gaz et d la distance entre les deux. La conception doit veiller à ce que chaque espace d'air soit éloigné du minimum de cette courbe.

Fig. 1 — Un film d'eau augmente la conductivité de surface d'un million de fois, et les bandes sèches qui suivent transportent la tension totale d'un système de 140 kV.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point sensible n° 1 : Éclair ambiant lors de la première exposition du matin

Un scanner s'arrête pendant la nuit. De la condensation se forme sur les bornes haute tension avant le redémarrage matinal. La première exposition déclenche alors une alarme de contournement. Le défaut est aléatoire et se reproduit rarement lors d'un test de tenue à sec ; les équipes sur le terrain doivent donc recourir à des résistances chauffantes, ce qui entraîne une perte de productivité pendant le pic d'activité matinal.

Point faible n° 2 : Dérive du DF après absorption d’eau par le revêtement

L'époxy ordinaire absorbe de 0.5 % à 1 % d'eau en milieu humide. L'humidité se propage ensuite le long de l'interface revêtement-céramique et augmente le facteur de dissipation effectif (DF_eff) au fil des mois. Dans une installation située à la frontière entre les deux pays, la température du condensateur a augmenté de 8 K à 22 K en deux ans. L'unité a fini par subir une défaillance thermique, et son démontage a révélé un décollement entre le revêtement et la céramique.

Point sensible n° 3 : Fissuration sous l’effet des cycles thermiques jour-nuit

Dans le nord de la Chine, les transformateurs de courant pour la sécurité extérieure subissent des variations de température de plus de 40 K entre le jour et la nuit. Le revêtement, les conducteurs et la céramique se dilatent à des vitesses différentes, ce qui engendre des contraintes cycliques à la base des conducteurs et au niveau des bulles de revêtement. Les microfissures qui se forment sont difficiles à détecter lors d'un contrôle de routine. Sous haute tension, elles se transforment en canaux de décharge partielle, et le composant tombe en panne quelques mois plus tard.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Utiliser un revêtement hydrophobe à faible absorption

Choisissez une résine époxy modifiée chargée d'alumine ou de nitrure d'aluminium. Une absorption d'eau inférieure à 0.1 % et un angle de contact supérieur à 90° assurent une barrière hydrophobe. Le revêtement HVC haute humidité résiste à une température de 85 °C et une humidité relative de 85 % pendant 1 000 heures avec une variation de degré de dilution inférieure à 5 %.

Une surface hydrophobe réduit également le courant de fuite à l'origine du processus de fermeture à sec. Ce même revêtement doit rester flexible à basse température, sans quoi le cycle thermique décrit dans la section 2.3 rouvre le joint.

Stratégie 2 : Étendre la zone de fluage et ajouter des barrières

L'étape 2 est géométrique. Placez des barrières ou des rainures entre la borne haute tension et la terre, et définissez la longueur de fuite à partir de :

L_creep ≥ k · V_work / E_allow

où L_creep est la distance de fuite, k le facteur de niveau de pollution, V_work la tension de fonctionnement et E_allow la résistance de cheminement du matériau.

Pour l'époxy, la tension d'isolement E_allow est d'environ 300 V/mm et le coefficient k varie de 2.5 à 4. Un système de 140 kV crête nécessite donc une ligne de fuite d'au moins 1,200 mm. Un revêtement en silicone RTV en surface offre une marge supplémentaire sans augmentation de volume.

Stratégie 3 : Contrôler le point de rosée par la chaleur

Installez des résistances PTC et des capteurs d'humidité dans la chambre haute tension. Maintenez la température intérieure à au moins 5 K au-dessus du point de rosée ambiant lorsque le scanner est en veille. La formule de Magnus permet de calculer le point de rosée à partir de la température et de l'humidité relative ; un contrôleur peut ensuite agir directement sur cette valeur.

À 20 °C et 90 % d'humidité relative, le point de rosée est de 18.3 °C. Le maintien de la chambre à 24 °C permet de garder toutes les surfaces sèches pendant une nuit humide, pour un coût de chauffage de quelques watts.

Stratégie 4 : Choisir un diélectrique de classe I N4700

La céramique N4700 (T3M) de classe I est chimiquement stable et hydrophobe. Son faible coefficient de dilatation thermique (DF_eff) lui permet de tolérer des traces d'humidité sans risque d'emballement thermique. HVC N4700 Les condensateurs à disque céramique conservent leur capacité à ±1 % près sous une humidité et une température élevées, ce qui permet à la boucle de rétroaction kV de conserver sa précision.

Stratégie 5 : Contrôler chaque pièce avant son entrée dans la chaîne de production

Chaque condensateur haute tension est soumis à un vieillissement à 85 °C et 85 % d'humidité relative, à 100 cycles de température de -40 °C à +85 °C et à un test de décharge partielle à 5 pC. L'adhérence du revêtement et le scellement des conducteurs sont également contrôlés. Ce contrôle permet d'éliminer les risques liés aux lots qui apparaissent pendant la saison des pluies.

Stratégie 6 : Sceller le module et le maintenir en état de fonctionnement

Placez la chaîne multiplicatrice, les condensateurs de filtrage, les résistances de décharge et le diodes redresseuses dans une chambre métallique scellée remplie d'azote sec. HVR-BSP Les résistances à couche épaisse gèrent la dissipation et la fonction de filtrage à l'intérieur de cette chambre.

Utilisez des cartouches déshydratantes remplaçables et des indicateurs d'humidité pour permettre à un technicien de vérifier l'étanchéité sur place. Pour la boucle de rétroaction, résistances d'échantillonnage HVRGHP maintenir le rapport de division en fonction de la température.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	moins de 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC pour nœuds HT humides et froids

Deux propriétés déterminent la résistance d'un nœud haute tension en milieu humide : la perméabilité du revêtement à l'eau et la stabilité du diélectrique une fois l'eau présente. HVC fabrique des composants N4700 adaptés à ces deux conditions, dans son usine de 6 000 m² située à Dongguan, pour des tensions allant de 1 kV à 150 kV.

Six paramètres importants ici

• Revêtement résistant à l'humidité. Une résine époxy à faible perméabilité et un joint en plomb soudé au laser bloquent le passage de l'eau, vérifié par 1000 h à 85 °C / 85 % HR.
• Diélectrique N4700 (T3M). Céramique de classe I chimiquement inerte avec une très faible absorption d'eau et un DF_eff stable, ce qui interrompt le cycle humidité-chaleur.
• Décharge partielle inférieure à 5 pC à 1.2 fois la tension nominale. Ceci empêche la formation de vides et de fissures susceptibles de devenir des sites de décharge en raison de la condensation.
• Cyclage thermique de -40 °C à +125 °C. La correspondance de dilatation vérifiée entre le revêtement et la céramique limite la fissuration à basse température.
• Passifs coordonnés. HVCT8G Les condensateurs de type « porte », les résistances haute tension HVRGFP et HVRGHP et les redresseurs à récupération rapide sont livrés dans un seul ensemble résistant à l'humidité.
• Référence croisée avec les marques de premier plan. Les pièces HVC correspondent aux paramètres électriques et aux données de fiabilité de Murata DHS/DHR, Vishay HVCC et TDK UHV, et sont utilisés en production de masse pour les équipementiers d'imagerie médicale figurant au classement Fortune 500.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les kits sur mesure résistants à l'humidité sous 6 à 10 semaines, contre 20 à 30 semaines en moyenne pour les marques mentionnées ci-dessus. L'ingénierie des applications CVC prend en charge la simulation de la condensation, le calcul des courants de fuite, le contrôle du point de rosée et la conception des plans de protection.

Veuillez indiquer la tension de service, le profil d'humidité du site, le schéma de montage et la quantité. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une fiche d'appariement des condensateurs avec les références, les rapports de test 85/85 et un kit d'évaluation à deux échantillons, ainsi que les condensateurs appariés. diodes à récupération rapide pour la même chaîne.

6. Questions fréquentes

Q1 : Quelle distance de fuite un transformateur de courant de sécurité de 140 kV nécessite-t-il ?

Au moins 450 mm. La longueur de fuite est définie par L_creep ≥ k · V_work / E_allow, avec k compris entre 2.5 et 4 pour un site pollué et E_allow proche de 300 V/mm pour l'époxy. Vérifiez le calcul en fonction du niveau de pollution réel de l'installation, puis ajoutez une marge pour les risques de brouillard salin.

Q2 : Pourquoi le flashover apparaît-il lors du premier balayage du matin ?

Comme l'armoire se refroidit pendant la nuit et que ses surfaces descendent en dessous du point de rosée, de l'eau se condense sur les bornes haute tension et forme un film conducteur. Le premier conducteur subit alors un trajet de fuite effectif beaucoup plus court. Un dispositif de chauffage maintenant la chambre à 5 K au-dessus du point de rosée élimine ce problème.

Q3 : Comment l'humidité atteint-elle le corps en céramique ?

L'humidité se propage le long du revêtement époxy et de l'espace entre les fils conducteurs. La céramique elle-même n'absorbe quasiment pas d'eau, mais le polymère en absorbe entre 0.5 % et 1 % et gonfle, créant ainsi un passage à l'interface. L'humidité augmente alors le coefficient de transfert thermique (DF_eff), la pièce chauffe davantage et la chaleur attire encore plus d'eau.

Q4 : Quel diélectrique dois-je spécifier pour un nœud HT humide ?

Condensateur céramique de classe I N4700 (T3M). Chimiquement inerte et hydrophobe, son facteur de dissipation effectif (DF_eff) reste inférieur à 0.5 % à la tension nominale et sa capacité se maintient à ±1 % même en cas d'humidité élevée. Ces faibles pertes empêchent l'emballement du phénomène de rétroaction humidité-chaleur.

Q5 : Un condensateur à film peut-il remplacer la partie céramique ?

Uniquement là où le volume le permet. condensateur à film Sa capacité varie très peu avec la tension et elle absorbe moins d'eau en surface, mais à 140 kV, elle nécessite un volume plusieurs fois supérieur à celui d'un disque céramique équivalent et coûte plus cher. La plupart des chaînes de transformateurs de courant de sécurité utilisent des disques céramiques dans le multiplicateur.

Q6 : Comment puis-je sélectionner un condensateur pour un site froid et humide ?

Effectuez un vieillissement à 85 °C / 85 % HR pendant 1 000 h, 100 cycles thermiques de -40 °C à +85 °C et un test de décharge partielle à 5 pC. Demandez les données brutes à 85/85, et non un résumé. Les données par lot concernant l'adhérence du revêtement et l'étanchéité des conducteurs permettent de déterminer si le processus ou seulement l'échantillon a été contrôlé.

7. Références

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