thumb|upright=2.0|Exemple de GIS
Un poste électrique sous enveloppe métallique (PSEM) ( ou alors en anglais et en allemand, abrégé GIS), parfois aussi dénommé poste blindé, est un poste électrique dont l'isolation est réalisée par un gaz isolant, typiquement de l'hexafluorure de soufre (SF6), et dont l'enveloppe métallique externe est mise à la terre. Ils s'opposent aux postes électriques isolés dans l'air ( en anglais, AIS). Leurs principaux intérêts sont d'être très compacts et de pouvoir être installés à l'intérieur de bâtiments.
Histoire
Dans les années 1920, les premiers postes électriques sous enveloppe métallique sont construits. Ils utilisent de l'huile comme fluide isolant. Les premiers à utiliser un gaz, le fréon, comme isolant électrique datent du début des années 1930.
La recherche et le développement sur l'isolation au SF6 commencent en 1960. Les plus importants fabricants de l'époque, BBC-Calor Emag, Siemens, Magrini, Merlin Gerin, NEI-Reyrolle ainsi que Delle-Alsthom se lancent alors dans le développement basé sur le SF6. Dès 1966 le premier poste prototype expérimental blindé est installé au Plessis-Gassot (près de Paris)Denis Dufournet, Disjoncteurs SF6 - Évolution de 1959 à 1994, 1994, Revue Générale de l'Électricité n° 5 avec du matériel construit par Delle Alsthom (maintenant Alstom) et Merlin Gerin.
ABB et Siemens se disputent la paternité du premier poste à enveloppe métallique utilisant le SF6. Le premier déclare, par l'intermédiaire de sa filiale Calor Emag acquise en 1973, avoir livré à Essen- Rüttenscheid le premier en 1967 . Tandis que le second affirme que le premier date de 1968 . Les gains en place sont impportants, un PSEM occupant 10 fois moins de place qu'un poste isolé à l´air. En même temps (1967) le poste de Levallois-Perret voit le jour puis en 1969 celui de Vaise (Lyon, France). Après leurs débuts en 1968, des GIS aux tensions nominales toujours plus élevées sont construits : en 1974, un GIS de est mis en exploitation, en 1976 un de , puis en 1986 un de , enfin en 2001 la barre du MV est dépassée.
Au total, plus de GIS sont en exploitation dans le monde.
En 2014, Siemens annonce avoir développé des postes électriques sous enveloppe métallique pour les applications en courant continu pour une tension nominale allant jusqu'à . Ce nouveau produit doit être mis en place tout d'abord dans les plateformes de conversion en mer où la place est à la fois réduite et couteuse. Leur compacité est alors très avantageuse. Les applications sur terre ferme ne sont pas exclus. Siemens poursuit ses recherches pour atteindre une tension nominale de .
Aspect économique À cause de leur plus haut niveau de technologie et de leurs coûts de développement plus élevés, les GIS sont en général plus chers que les postes conventionnels. Toutefois cet écart de coût a tendance à baisser au fil des ans, de plus les coûts de maintenance étant moins élevés pour les GIS le coût initial est partiellement amorti. Enfin la place moindre occupée permet de faire des économies sur le terrain à acquérir.
Composants thumb|Compartiment disjoncteur d'un GIS
Les GIS contiennent à peu de chose près les mêmes composants qu'un poste conventionnel. Un GIS est un assemblage de blocs modulaires, appelés , fabriqués et testés en usine puis assemblés sur site et retestés montés.. Cela permet de standardiser le produit tout en couvrant les besoins de chaque client. Pour les jeux de barres les mêmes options que dans un poste classique sont possibles. Les composants sont donc : Jeu de barres Disjoncteur Sectionneur Sectionneur de mise à la terre Transformateur de courant Transformateur de tension Parafoudre Connecteur pour câble, transformateur Traversée isolée
Construction Schématiquement, un module de GIS est constitué d'une enveloppe métallique extérieure, d'un conducteur également métallique en son centre, les deux éléments étant séparés par le gaz isolant et des entretoises ( en anglais) faites dans un matériau isolant, l'époxy par exemple. À chaque extrémité du module, des cloisons isolantes servent à la fois d'entretoises pour supporter le conducteur et de barrière pour le gaz. Elles sont en général en époxy.
thumb|Différentes configurations des conducteurs dans leurs enveloppes Deux types de construction existent : monophasée ou triphasée. Dans le premier cas chaque phase a sa propre enveloppe métallique, dans le second les trois phases sont disposées dans la même enveloppe. Cette seconde possibilité est généralement utilisée pour les tensions inférieures ou égale à . Lorsque le GIS est directement connecté à un transformateur de puissance, le design monophasé est mieux adapté. En général toutefois le triphasé est plus compact. À cause de son bon compromis entre conductivité et résistance mécanique, l'aluminium est utilisé pour la fabrication de GIS. Sa corrosion limitée est également un avantage . Historiquement des enveloppes en acier ont également été utilisées .
La forme des entretoises est très importante, elle change la répartition du champ électrique. Or celui-ci ne doit pas devenir trop élevé. Leur résistance surfacique et volumique a également une grande influence sur le comportement électrique du GISbrochure CIGRÉ, page 10-23.
Les GIS ont l'avantage par rapport aux disjoncteurs conventionnels de permettre une grande intégration des composants. Ainsi les disjoncteurs peuvent également servir de sectionneurs, les sectionneurs de mise à la terre, les capteurs de courant peuvent être combinés à ceux de tension... Cela permet de gagner en compacité et en simplicitéBrochure CIGRÉ 381, p. 26-38. Par ailleurs l'usage de technologies innovantes ou non-habituelles pour la mesure de la tension et du courant, tel que les bobines de Rogowski, l'effet Pockels ou l'effet Faraday, connaît un important développement dans les GIS (voir article sur les transformateurs de courant)Brochure CIGRÉ 381, p. 35.
Intérêt
Un GIS occupe beaucoup moins d'espace qu'une station conventionnelle, environ 10 %. Il ne présente pas de risque de fuite d'huile ou d'explosion due à son inflammation. Leur fiabilité est très élevée, en particulier parce que les matériels sont protégés contre les agressions de l'environnement : insensibilité aux aléas climatiques donc peu de vieillissement, pas de risque de défaut électrique dû à l'avifaune... Ils sont simples à maintenir, en particulier parce qu'en dehors des traversées il n'y a pas de pièces isolantes à nettoyer; l'essentiel du travail de maintenance consiste en une vérification du bon fonctionnement. De plus la pollution n'a pas d'influence sur leurs propriétés. Ils sont également moins sensibles aux séismes.
Pour ces raisons les GIS sont utilisés principalement dans les espaces urbains ou industriels où la place est rare et dans toutes les zones où les problèmes de pollution sont importants (zones à haute activité industrielle, zones désertiques et soumises aux vents de sable, régions côtières soumises aux embruns). Leur compacité et la facilité d'installation en bâtiment permettent également aux GIS de se fondre plus facilement dans leur environnement et ainsi de ne pas dégrader l'esthétique d'un lieu. De même dans les zones côtières ou en montagne les problèmes causés respectivement par le sel et la neige sont contournés.
L'installation d'un poste blindé est considérablement plus simple que celle d'un poste traditionnel, le travail de BTP est beaucoup plus limité et les pièces peuvent déjà être préassemblées en usine. Les GIS sont également silencieux. Sur les matériels modernes, l'enveloppe métallique des GIS forme une cage de Faraday qui rend l'installation insensible aux interférences électromagnétiques extérieures et inversement rend ses propres émissions nulles.
Gaz isolant SF6
L'hexafluorure de soufre remplit les critères nécessaires à l'isolation électrique : il a une excellente rigidité électrique, est très électronégatif et à une bonne capacité de transfert thermique. Il est également stable chimiquement : inerte, non initiable, non inflammable et non toxique. Le seul danger pour la santé est le risque de suffocation. Sa température de décomposition est de . Sa plage de température d'utilisation pour les appareils électriques va de à .
Sa bonne rigidité électrique provient du fait que le SF6 est très électronégatif : il absorbe les électrons qui ne peuvent ainsi pas ioniser le gaz et ne peuvent pas mener à une décharge électrique. Le SF6 a par ailleurs une propriété remarquable pour l'extinction des arcs électriques : il se décompose sous l'effet de l'arc et se recompose extrêmement rapidement, permettant au gaz de retrouver sa rigidité électrique. Cette propriété le rend tout particulièrement adapté pour la réalisation de disjoncteurs en courant alternatif. Ses capacités d'isolation se régénèrent après un arc électrique.
80 % du SF6 produit dans le monde est utilisé dans les disjoncteurs à haute tension et dans les GIS.
Dans les GIS il se trouve à une pression comprise entre 3,3 et .
Critique Le SF6 a de nombreux avantages. Il a également quelques défauts qui poussent les recherches actuelles à lui chercher une alternative. Le SF6 est en effet un gaz à effet de serre particulièrement néfaste, son potentiel de réchauffement est en effet plus grand que celui du dioxyde de carbone. Il est rejeté lorsque les appareils électriques fuient.
Par ailleurs s'il n'est en lui-même pas toxique, les produits issus de sa décomposition, causée par les effets corona et arcs électriques, en l'occurrence le et le HF, le sont en plus d'être très corrosifs.
Alternative Un mélange de SF et de diazote dans les proportions 20 %/80 % a une rigidité électrique égale à environ 70 % celle du SF seul. Il représente donc une solution pour remplacer le SF pur. Par contre, un gaz de substitution ayant les mêmes propriétés n'a pas encore été trouvé.
Dimensionnement La capacité d'interruption en kA détermine le nombre et la taille des disjoncteurs. Quand le choix est possible, on préfère en général utiliser des GIS ayant des enveloppes triphasées, plutôt que des enveloppes monophasées. Toutefois les installations reliées à des câbles font exception. Si on compare le cas du disjoncteur dans un GIS avec un cas conventionnel on économise de l'espace grâce à : l'absence d'isolateur en porcelaine entre la partie haute tension et le sol, l'enveloppe est à la masse la tension à tenir n'est donc pas celle entre phases mais la tension phase-terre qui est plus faible dans un rapport .
Pour les GIS de tension supérieur à , le diamètre du conducteur est déterminé par la valeur maximale du courant transitant dans l'installation.
Mécaniquement les composants doivent résister aux contraintes mécaniques générées par le courant de défaut, par leur propre poids, et par la pression de gaz.
Causes de défauts
La présence de particules métalliques dans un GIS réduit particulièrement ses propriétés d'isolation. Elles sont issues à la fois de la fabrication et de l'assemblage des GIS, mais également des parties mobiles qui le composent. Elles se déplacent dans les tubes et créent des décharges partielles quand elles s'approchent du conducteur. Elles se chargent par la même occasion et se déplacent alors en fonction de la tension appliquée à l'installation. Elles peuvent également créer des protrusions sur la surface de l'isolation, ce qui réduit son pouvoir isolant. Pour limiter le phénomènes, des zones à faibles champs électriques viennent capter les particules, on parle de pièges à particules. Dans le cas d'utilisation des GIS pour transporter du courant continu, la polarité de la tension étant constante, les particules se déplacent toujours dans la même direction. Les pièges à particules sont également efficaces dans ce cas.
La présence d'humidité dans le gaz est également à éviter, car elle peut se condenser sur les surfaces isolantes et détériorer ses propriétés.