Des centaines de milliers de volts de haute tension peuvent-ils détruire une fibre optique ? Les boîtiers métalliques doivent-ils être mis à la terre ?
Dans les lignes de transmission de puissance à haute tension, les sous-stations et les projets d’ingénierie d’énergie ultra haute tension, la technologie de détection par fibre optique (telle que la fibre optique à réseau de Bragg FBG, la détection par fibre optique distribuée, etc.) a été largement appliquée. L’analyse des principes techniques concernant les propriétés d’isolation de la fibre optique dans un environnement de haute tension de centaines de milliers de volts et le traitement du potentiel des encapsulations métalliques est la suivante :
I. La haute tension de centaines de milliers de volts va-t-elle perforer la fibre optique ?
Conclusion : Le matériau de base de la fibre optique ne sera pas directement perforé par le champ électrique, mais il est impératif d’empêcher strictement la « décharge superficielle (amorçage) par brûlure » en ingénierie.
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Intensité d’isolation physique du matériau (perforation volumique) :
- Le matériau de base des fibres de communication et de détection est du verre de quartz fondu de dioxyde de silicium ( \text{SiO}_2 ) de haute pureté, qui est un diélectrique isolant.
- L’intensité diélectrique (champ de claquage) du verre de quartz est extrêmement élevée, avec des valeurs typiques atteignant 10 \sim 100\ \text{kV/mm}, ce qui est bien supérieur au champ de claquage de l’air sec à pression atmosphérique normale (environ 3\ \text{kV/mm}).
- La fibre optique ne conduit pas l’électricité et ne conduit pas le magnétisme, il n’y a pas de boucle fermée d’induction électromagnétique, et le champ électrique lui-même ne peut pas provoquer de claquage directement à l’intérieur du milieu volumique de la fibre optique.
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Mécanisme de défaillance principal : décharge superficielle et fusion par arc à haute température (amorçage) :
- La haute tension de centaines de milliers de volts ne peut pas pénétrer la fibre optique elle-même, mais lors d’un branchement avec une haute tension et une grande différence de potentiel (par exemple, depuis un conducteur de haute tension de centaines de milliers de volts jusqu’au potentiel de terre), le champ électrique intense se répartit dans l’espace extérieur et à la surface de la fibre optique.
- Si la distance d’arc rampant (Creepage Distance) de la surface de la fibre optique branchée est insuffisante, ou si la surface adsorbe de l’humidité, de la poussière ou des salissures conductrices, une décharge corona voire un claquage par arc à travers l’air (amorçage) se déclenchera dans le milieu de l’air à la surface extérieure de la fibre optique.
- La température locale de l’arc à travers l’air peut atteindre plusieurs milliers de degrés Celsius, tandis que la température de ramollissement et de fusion du verre de quartz est d’environ 1200 \sim 1700\ ^\circ\text{C}. Une fois qu’une décharge par arc superficiel se produit, le revêtement de la fibre optique et le cœur de quartz seront instantanément brûlés, vaporisés et rompus.
- Normes de protection en ingénierie : Pour les fibres optiques introduites du potentiel de haute tension vers le côté du potentiel de terre, il est impératif d’assurer une distance d’isolation suffisante par rapport à la terre et de les associer à des isolateurs composites haute tension (tels que des jupes en caoutchouc de silicone) pour fournir une distance d’arc rampant suffisante pour la prévention de la pollution et de l’amorçage.
II. L’encapsulation métallique doit-elle être mise à la terre ?
Conclusion : Les capteurs à encapsulation métallique montés sur des lignes électriques à haute tension sont absolument interdits d’être mis à la terre ; il faut adopter une « installation équipotentielle » ; les zones traversant des potentiels sont strictement interdites d’utiliser des gaines métalliques continues.
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Côté conducteur haute tension : Installation équipotentielle (mise à la terre strictement interdite) :
- Lorsque le capteur à encapsulation métallique (tel qu’un capteur de température à fibre optique à réseau de Bragg encapsulé dans un tube métallique fin) est fixé directement sur un conducteur haute tension de centaines de milliers de volts, un sectionneur ou une connexion de barre omnibus, la coque métallique et le conducteur haute tension mesuré sont dans un état de potentiel complètement égal (Equipotential).
- Dans l’état équipotentiel, aucun courant ne traverse l’intérieur du boîtier métallique encapsulé, et il n’y a pas de risque de court-circuit à fréquence industrielle.
- Si le boîtier métallique est mis à la terre à ce stade, cela équivaut à créer un court-circuit métallique direct entre la ligne sous haute tension et la terre, ce qui provoquerait instantanément un énorme arc de court-circuit ultra haute tension à la terre et un accident d’explosion.
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Principe d’isolation pour le transfert entre potentiels :
- La couche de protection d’encapsulation métallique n’est autorisée que localement dans la zone équipotentielle haute tension ;
- Dans le trajet de la lumière sortant du conducteur haute tension de centaines de milliers de volts vers le terminal de surveillance à basse tension (démodulateur), le tube métallique doit être interrompu et arrêté dans une section de transition isolante, tous les éléments conducteurs métalliques doivent être retirés, et il doit être remplacé par un câble à fibre optique entièrement diélectrique (sans âme de renforcement métallique ni gaine métallique) descendant, coupant ainsi la voie de transmission du potentiel.
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Normes pour les composants métalliques côté basse tension/potentiel de terre :
- Si le boîtier métallique ou la couche de blindage métallique se trouve dans des zones à potentiel de terre basse tension telles que des armoires de rack au sol dans des sous-stations, conformément aux normes de protection électrique, une mise à la terre monopoint fiable doit être effectuée pour dissiper les charges d’induction électrostatique générées par le couplage de champ électrique spatial.
III. Sélection de l’encapsulation du capteur dans un environnement de champ électrique intense à haute tension
Pour éliminer complètement la distorsion du champ électrique local, la décharge de potentiel flottant ou le chauffage par courants de Foucault induits par le boîtier métallique dans un champ électrique alternatif intense à haute tension, lors de la mesure directe de la température et de la déformation sur les équipements primaires de puissance à haute tension, on utilise généralement de préférence des encapsulations en céramique ou des encapsulations en polymère entièrement diélectrique :
1. Capteur à encapsulation isolante en céramique
Utilise des matériaux céramiques isolants de haute qualité pour encapsuler le réseau de Bragg en fibre optique, sans pièces métalliques, offrant naturellement des caractéristiques de haute tension, de haute température et de haute impédance d’isolation.
2. Capteur à encapsulation polymère
Utilise des matériaux polymères non métalliques pour encapsuler la section du réseau de Bragg, combinant flexibilité et isolation, évitant l’effet de concentration de champ électrique du métal.
