Optimizing Electric Power Systems Using Multiphysics at Pinggao

Innovation en matière de commutateurs haute tension pour les systèmes d'alimentation électrique

Pinggao Group utilise la simulation pour garantir un stockage d'énergie stable. L'entreprise utilise la simulation multiphysique, des applications de simulation et des jumeaux numériques pour mieux comprendre et améliorer la conception des composants des systèmes électriques. Les applications, développées en interne, ont été téléchargées des milliers de fois par les équipes d’ingénierie de l'entreprise.

Par Renji Hao
Novembre 2025

Les réseaux électriques constituent le fondement de la société moderne. Ces systèmes complexes comprennent divers équipements utilisés pour la production, le transport, la transformation et la distribution d'électricité, ainsi que pour la protection contre les surcharges électriques. Les commutateurs haute tension (Figure 1), éléments essentiels au bon fonctionnement d'un réseau électrique, sont capables de commuter ou de déconnecter des circuits dans une plage de tension nominale donnée. Ils assurent ainsi la distribution et la régulation de l'électricité en fonction des besoins de consommation des différentes régions et équipements raccordés. Ces dispositifs doivent non seulement résister à des tensions extrêmement élevées et à d'importantes surtensions, mais aussi fonctionner de manière stable et durable afin d’assurer la continuité et la sécurité du réseau électrique.

La tension interne des commutateurs haute tension peut atteindre jusqu'à 1 100 kV, et les commutateurs doivent être capables de couper des courants supérieurs à 100 kA en un temps extrêmement court. Lorsque le courant est coupé, un arc électrique d'une puissance pouvant atteindre 100 MW se forme, accompagné de divers phénomènes physiques, tels que des décharges, un échauffement intense et des phénomènes d’endommagement. Ces effets constituent des défis importants pour la conception de l'isolation des commutateurs haute tension. Wang Zhijun, directeur de l'Institut des Technologies Fondamentales du Pinggao Group, explique, "Les méthodes de conception traditionnelles basées sur des expériences sont onéreuses et prennent beaucoup de temps, chaque test expérimental coûte environ 10 millions de Yuans/RMB (~1.4 million de dollars américains) et dure plusieurs semaines." De plus, la mesure des signaux électriques est facilement perturbée par le niveau élevé de tension de l'équipement, ce qui donne des résultats imprécis. Ces méthodes ne répondent donc plus aux exigences de la R&D en matière de commutateurs haute tension. Pour remédier à ces problématiques, M. Zhijun et son équipe se sont tournés vers la simulation afin d'améliorer les processus et les conceptions.

Pinggao Group Co., Ltd. est une filiale de la State Grid Corporation of China et un membre important du China Electrical Equipment Group. Pinggao Group se concentre sur le développement et la production d'équipements électriques haute tension et très haute tension. Plusieurs équipes de l'entreprise s’appuient sur la simulation pour analyser en détail les facteurs qui affectent les performances des commutateurs haute tension, ainsi que pour optimiser leur conception et prévoir l'état de fonctionnement des équipements.

Optimiser la conception des commutateurs haute tension pour éviter les défaillances d’isolation

Lors du fonctionnement prolongé des commutateurs haute tension, les particules chargées dans le gaz isolant et les porteurs de charge dans le matériau isolant subissent un déplacement sous l'influence d'un champ électrique sous courant continu (CC) et finissent par s'accumuler à la surface des isolateurs et d'autres composants. Lorsque cette accumulation atteint un certain seuil, des phénomènes de décharge partielle peuvent se produire, provoquant une défaillance de l'isolation, ce qui affecte considérablement la sécurité et la stabilité du fonctionnement des commutateurs haute tension.

À l’aide du logiciel de simulation COMSOL Multiphysics^®, Pinggao Group a identifié les critères d'isolation du CC applicables à différentes conditions d’exploitation, ainsi que les zones de forte concentration du champ électrique et les points faibles de l'isolation. Ces informations constituent une base précieuse pour la conception des systèmes d’isolation des équipements à CC. Un élément clé de cette démarche a consisté à examiner les phénomènes physiques impliqués dans les problématiques d'isolation en CC. Grâce au logiciel, l'équipe a pu étudier les couplages multiphysiques entre l'électromagnétisme, le transfert de chaleur, la mécanique des structures et d'autres phénomènes physiques associés. Par ailleurs, la simulation a été utilisée pour analyser la répartition du champ électrique sur l'isolateur à disque sous CC.

Sur la base de ces recherches, Pinggao Group a mis au point la première traversée murale 1 100 kV isolée au SF₆ au monde. Ce dispositif est destiné à assurer l’isolation et la protection des câbles en CC lors de leur passage à travers des murs, des sols ou des structures de bâtiments. En service depuis 5 ans sans incident, cette traversée murale renforce de manière significative la capacité, l’efficacité et la stabilité des systèmes de transport d’électricité.

Outre l'accumulation de particules chargées, la production inévitable de particules métalliques constitue une autre cause de défaillance de l’isolation dans les commutateurs haute tension. Ces particules résultent de l’usure liée à l’installation de l’équipement, des phénomènes de dilatation et de contraction thermiques du cylindre abritant les différents composants ainsi que du fonctionnement prolongé. Sous l’action combinée du champ électrique et de l’écoulement du gaz isolant, le déplacement de ces particules devient particulièrement complexe, difficile à anticiper et pratiquement impossible à observer à l’œil nu. Si ces particules adhèrent à la surface de l'isolant, cela entraînera des modifications du champ électrique environnant, provoquant un claquage du gaz et affectant les performances d'isolation. Pour résoudre ces problématiques, Pinggao Group a utilisé la simulation multiphysique pour évaluer les forces agissant sur les particules et leur trajectoire du déplacement (Figure 2).

Pour mieux comprendre les forces agissant sur les particules, l'équipe a pris en compte les facteurs suivants : gravité, résistance du gaz SF₆, force de Coulomb, force liée au gradient de champ électrique et frottement. La trajectoire et le déplacement des particules ont été simulés afin d'étudier la relation entre la masse, la forme et la hauteur de saut des particules. Ces informations ont servi de base à la conception d'un piège à particules (Figure 3), destiné à réduire l'impact des particules métalliques sur les performances d'isolation des commutateurs haute tension.

L'équipe a développé plusieurs modèles correspondant à différentes configurations de pièges à particules. À l’issue des études comparatives, une version optimisée a été retenue puis intégrée aux produits de lignes de transmission à isolation gazeuse (GIL) de Pinggao Group. Les GIL sont particulièrement adaptées pour le transport d'électricité dans des environnements contraignants - tels que l'altitude élevée, les basses températures et les longues distances de transport - en raison de leurs avantages : grande capacité de transport, faibles pertes d'énergie, structure compacte et grande fiabilité.

Des applications de simulation qui profitent à toute l’organisation

En utilisant la simulation multiphysique pour concevoir des commutateurs haute tension, Pinggao Group a constaté que le développement et la maintenance des modèles nécessitaient une compréhension fine des principes physiques sous-jacents des produits et des méthodes numériques employées dans les simulations. De plus, les membres de l'équipe ont eu besoin de suivre une formation spécifique pour maîtriser l’utilisation de ces outils, et l'optimisation des conceptions impliquait que le personnel chargé de la simulation effectue des calculs de modélisation souvent répétitifs. Afin de simplifier les processus de conception et rendre la simulation plus accessible et compréhensible par l’ensemble de l'équipe, Pinggao Group a décidé de créer ses propres applications de simulation personnalisées basées sur ses modèles existants. Ces applications se présentent sous la forme d'interfaces utilisateur ergonomiques avec un nombre défini de paramètres.

Pinggao Group a développé plus de 50 applications de simulation à l'aide du Constructeur d’applications disponible dans COMSOL Multiphysics^®. Les applications ont été compilées en fichiers exécutables autonomes à l'aide de COMSOL Compiler™, ce qui permet à différentes équipes de les utiliser de manière indépendante. Conçues pour être simples et intuitives, elles permettent aux utilisateurs de tester rapidement la faisabilité d’une nouvelle conception en entrant dans l’application les paramètres correspondant à sa configuration et en obtenant les résultats de la simulation associée. Ces applications couvrent un large éventail de domaines techniques essentiels, tels que l’analyse du chauffage électromagnétique, l’évaluation des performances d’isolation, la conception mécanique et l’analyse des défaillances.

Une des applications développées par Pinggao Group permet de calculer la variation de température dans le busbar d'un commutateur haute tension, provoquée par l'échauffement électromagnétique (Figure 4). En entrant les dimensions géométriques, les propriétés des matériaux et les conditions de fonctionnement dans l’application, l’équipe peut obtenir des résultats tels que la densité de flux magnétique, la densité de courant, la répartition de la température et la distribution de la vitesse du flux d’air. L'augmentation de température du jeu de barres dans différentes conditions de fonctionnement peut être simulée afin de déterminer si sa structure répond aux exigences thermiques.

“En automatisant les processus de préparation et de visualisation des résultats, nous optimisons nos ressources humaines tout en accélérant le développement des produits," explique M. Zhijun. "L’expérience et les techniques que nous avons acquises au fil des ans dans le développement de produits sont intégrées dans les applications de simulation, ce qui permet de lever les barrières liées aux connaissances et de simplifier le processus de modélisation et de simulation. Il est ainsi plus facile pour les ingénieurs et les techniciens des différents services de l'organisation d'utiliser les simulations pour valider la conception, la fabrication, le fonctionnement et la maintenance des produits.”

Pinggao Group a mis en place un navigateur Web interne, nommé "Simulation App Store", qui permet aux ingénieurs d'accéder facilement et rapidement aux applications, de télécharger et de partager des données et des résultats de simulation, ainsi que de partager des informations sur les projets au sein des équipes. Dans ce navigateur, les applications de simulation sont organisées en fonction de différents critères de conception, tels que le champ électrique, la puissance et la tension, ce qui permet aux utilisateurs de chaque département de trouver rapidement des applications adaptées à leur besoin. À ce jour, ces applications de simulation ont été téléchargées des milliers de fois par les équipes d’ingénierie de l'entreprise.

Jumeaux numériques de systèmes électriques existants

En matière d'équipements électriques, se fier uniquement aux données historiques pour prévoir et analyser les performances futures des équipements s’avère imprécis en raison de l'incertitude des conditions de fonctionnement et de la diversité des environnements d'exploitation. De plus, pendant le fonctionnement des équipements électriques, différents champs physiques, tels que les champs thermiques, électriques et magnétiques, interagissent, et les effets de ces interactions peuvent être difficiles à anticiper. L’utilisation de la simulation multiphysique, combinée aux données de surveillance continue, permet de créer des modèles de haute fidélité. Ces modèles peuvent ensuite être convertis en jumeaux numériques, synchronisés avec les équipements électriques et mis à jour en temps réel.

Un jumeau numérique est un modèle cartographique interactif qui intègre des technologies de l'information comme la surveillance par capteurs, l'informatique et la simulation pour permettre des interactions à grande échelle tout au long du cycle de vie entre les environnements physique et virtuel. Ils peuvent être utilisés pour analyser les changements subis par les objets physiques et offrent ainsi un moyen d’en assurer une meilleure surveillance, de prédire leur comportement et de les optimiser afin qu'ils répondent aux besoins fonctionnels et applicatifs.

Grâce au logiciel COMSOL^®, Pinggao Group a réussi à créer un modèle de jumeau numérique intégrant la gestion numérique complète du cycle de vie ainsi que la caractérisation par méthode inverse des équipements de sectionnement des appareillages de commutation à isolation gazeuse (GIS) en boîtier métallique, largement utilisés dans les réseaux haute tension. Pinggao Group exploite ce jumeau numérique pour diagnostiquer et évaluer l'état des commutateurs haute tension. Par exemple, en cas d’anomalie, il est possible de localiser le problème et d'en identifier les causes grâce au jumeau numérique. Ces modèles ont été déployés dans la station de conversion UHV de Zhongzhou, qui fait partie d'un système de transport d'électricité en Chine.

Le jumeau numérique du commutateur haute tension collecte en temps réel des données de fonctionnement des équipements électriques grâce à des capteurs. Ces informations alimentent automatiquement une application de simulation nommée "GIS Isolation Switch Fast Simulation App with Local Overheating State Inversion Function". Grâce à cette intégration, le temps nécessaire pour simuler la température et les champs électriques dans les commutateurs haute tension a été réduit à quelques secondes. La Figure 5, avec les données opérationnelles en temps réel à gauche et les résultats de la simulation à droite. Ces résultats servent à analyser et surveiller l'état de fonctionnement des équipements électriques, facilitant ainsi la caractérisation par méthode inverse et l'identification des conditions de fonctionnement anormales.

Poursuivre l’utilisation de la simulation au sein de Pinggao Group

Pinggao Group prévoit de continuer à intégrer la simulation multiphysique dans ses processus de développement afin d'aider les concepteurs de produits à développer des commutateurs haute tension plus performants.

“Face aux problèmes critiques rencontrés lors du développement des commutateurs haute tension, nous avons pu trouver des fonctionnalités et des solutions adaptées dans le logiciel COMSOL, qui ont considérablement soutenu nos travaux de développement," explique M. Zhijun. "Les applications de simulation ont par ailleurs renforcé l'utilisation et démontré la valeur de la technologie de simulation au sein de l'organisation.”

Pinggao Group va également évaluer l’utilisation de la simulation dans le développement d'applications liées aux énergies renouvelables, notamment pour le stockage d'énergie et les systèmes énergétiques intégrés.