Brevet FR2004313A1 — publié le 19691121

î -200.4313 ta présente invention concerne un dispositif pour: couper- un ~ " circuit en courant continu haute tension, et plus particulièrement un disjoncteur dans lequel un zéro du courant est établi par décharge d'un condensateur de commutation à travers un dispositif interrupteur. 5 Dans un dispositif"disjoncteur connu, un dispositif inter rupteur de circuit est connecté en série avec la source de courant continu haute tension qui fournit le courant à travers 1'interrupteur à un circuit d'utilisation ou charge. ÏJn circuit de conmiutation normalement ouvert comprenant un condensateur de commutation préchargé est connecté aux bornes 10 de l'interrupteur. Quand le circuit doit être ouvert* le circuit de commutation est fermé pour provoquer la décharge du condensateur à travers l'interrupteur et le circuit de commutation afin de forcer à zéro; ie courant traversant l'interrupteur. L'établissement de ce zéro de courant permet l'augmentation de la rigidité diélectrique dans l'interrupteur pour 15 l'interruption complète. Le condensateur de commutation de ce disjoncteur est utilisé pour la commutation du courant à travers l'interrupteur pouf faciliter la coupure. Dans un circuit typique haute tension en courant continu, ce condensateur séparé est une pièce coûteuse de l'appareil et une économie impor-20 tante peut Stre obtenue si ce condensateur ainsi que les dispositifs spéciaux pour sa charge peuvent être éliminée. La présente invention a pour objet un disjoncteur haute.tension en courant continu de ce type général, ne nécessitant pas de condensateur séparé de conmutation et dans lequel les dispositifs spéciaux pour la charge 25 du condensateur sont par suite supprimés. Suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, le condensateur de filtrage utilisé sur la source de courant continu sert aussi pour la commutation. Deux conducteurs de ligne connectent la chargé-* aux bornes' de la source d'alimentation, et le condensateur de filtrage est connecté entre 30 ces conducteurs. Le dispositif interrupteur est connecté dans l'un des conducteurs de ligne sur le côté charge par rapport au condensateur de filtrage et un dispositif établissant un circuit normalement ouvert est connecté entre les conducteurs de ligne sur le cSté charge du dispositif interrupteur. Quand le dispositif interrupteur est actionné pour démarrer 35 la coupure du circuity le dispositif établissant un circuit normalement ouvert est fermé pour décharger le condensateur à travers le dispositif interrupteur. Le courant de décharge résultant est un courant oscillant qui force rapidement à zéro le courant total traversant le dispositif interrupteur en donnant ainsi au dispositif interrupteur la possibilité de compléter la coupure. 690797T -2 20,04313 Les caractéristiques de l'invention rassortiront :plu.S; parti'eu-• lièrement de la description suivante, donnée à .titre d'exempt et faife en se référant au dessin annexé, sur lequel : . - la figure 1 est le schéma d'un circuit disjoncteur suivant 5 un mode de mise en oeuvre de l'invention, et . - la figure 2 représente une modification d'une partie du circuit de la figure 1. La figure 1 représente schématiquement un système, haute tensiojt à courant continu, comprenant une source'12, ufae charge de dispositif 10 d'utilisation 14 et des conducteurs de ligne 16 et 17 connectant la charge aux bornes de la source d'alimentation. XI sera supposé que le courant de-charge normal circule dans le sens flèches .17, c'est-à-dire en passant 'vers la charge à travers le conducteur de ligne haute tension 16.et en revenant à la source à travers le conducteur de retour mis à la terre 19. 15 La source 12 est représentée schématiquement sous la forme d'un transformateur 22 avec un redresseur 21 connecté en série avec le secondaire. Une inductance de filtrage habituellè 18 est connectée dans le conducteur de ligne haute tension 16 en série entre la source 12 et la charge 14 pour filtrer ou lisser le courant fourni par la source. 20 Un condensateur important 20 est connecté entre les conducteurs de ligne 16 et 19 du côté de la source pour coopérer avec l'inductance pour filtrer le courant de la source. Le condensateur 20 agit aussi pour réduire la raideur des surtensions entre les conducteurs 16 et 19, et il coopère avec l'impédance 18 pour constituer un filtre haute fréquence. Ce condensateur 25 est un élément classique de la plupart des systèmes haute tension en courant continu. Un disjoncteur. 25 est connecté dans le conducteur de ligne 16 en série entre l'impédance 18 et la charge 14 pour commander le-passage du courant vers celle-ci. Le disjoncteur 25 est situé sur le côté charge, par 30 rapport au condensateur 20. Suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le disjoncteur 25 est d'un type connu à vide. Ce disjoncteur est représenté schématiquement avec un contact fixe 27 et un contact mobile 28 tenu en position de fermeture pour un loquet 30 libéré pour l'ouverture." Le contact 28 est rappelé vers le bas, c'eçt-à-dire vers la position d'ou-35 verture, pas: un ressort de rappel. 32. Le loquet 30 est commandé par un électro-aipant de déclenchement 33 connecté dans un circuit de déclenchement 34. Quand le circule 34 est fermé par un interrupteur ou un commutateur 35, qui peut être actionné manuellement ou en réponse à des conditions électriques 6907971 3 2004313 prédéterminées, par exemple une surintensité dans le conducteur 16, 1'électro-aimant est excité pour libérer le loquet 30. Quand le loquet 30 est ouvert, le ressort 32 entraîne le contact 28 vers le bas pour établir un intervalle entre les contacts. Cette séparation des contacts provoque 5 l'établissement d'un arc dans l'intervalle, mais cet arc est rapidement éteint sans pouvoir être"réamorcé pour interrompre le circuit de la façon décrite ci-après plus en détail. Pour couper un circuit en courant continu, il est nécessaire d'abord de forcer le courant à zéro et ensuite d'empêcher le réamorçage de 10 l'arc. Une façon de forcer le courant à zéro consiste à faire passer un courant de commutation commandé localement à travers 1'interrupteur en -opposition avec le courant de charge. Ce mode d'opérer est la solution . générale habituellement utilisée dans un disjoncteur du type considéré. Jusqu'ici, ce courant de commutation à été obtenu d'un condensateur de 15 commutation préchargé séparé connecté aux bornes des contacts du disjoncteur 25. Au lieu d'utiliser un condensateur de commutation séparé, le condensateur de filtrage 20 est utilisé conformément à l'invention pour fournir ce courant de commutation. Ce condensateur de filtrage étant connecté directement aux bornes de la source est toujours chargé à un niveau d'énergie 20 élevé pendant le fonctionnement normal du système. Comme le condensateur de filtrage 20 a une capacité assez élevée, sa décharge â partir de l'état normal produit un courant de commutation plus que suffisant pour entraîner rapidement le courant à zéro même dans le cas d'un courant dé dérangement de valeur très importante. 25 Pour déchalgei le condensateur de filtrage afin de provoquer l'interruption du courant, un circuit de décharge 36 est connecté entre les conducteurs de ligne 16 et 19 sur le côté charge de 11interrupteur 25. Ce circuit de décharge 36 comporte un dispositif établissant un circuit sôus la forme d'un éclateur à vide déclenché 38 et d'une inductance 50 en série 30 de la façon décrite ci-après. L'éclateur à vide déclenché 38 est normalement ouvert, mais quand il est fermé, c'est-à-dire excité, il complète le circuit de décharge 36 pour le connecter aux bornés du condensateur 20 à travers l'interrupteur 25. Ce circuit comprenant le condensateur 20 et l'inductance 50 est un circuit oscillant, et le courant de décharge résultant est un courant 35 oscillant d'une fréquence relativement élevée superposé au courant continu circulant à travers les conducteurs de ligne 16 et 19. Au début de la décharge du condensateur, le courant de décharge s'élève rapidement à une pointe 6907971 4 2004313 positive et ensuite oscille vers une pointe négative. Cette oscillation vers la pointe négative se traduit par le passage forcé du courant de décharge à travers l'interrupteur en opposition au courant de charge et au courant de dérangement, de sorte que le courant total est entraîné à zéro. Suivant 5 un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, l'interruption du circuit est effectuée d'abord par la séparation des contacts 27 et 28 qui provoque l'éclatement d'un arc entre les deux contacts. A un instant prédéterminé consécutif, le dispositif fermant un circuit est effectivement fermé pour compléter le circuit de décharge 36, et par suite la décharge rapide du 10 condensateur 20 à travers l'arc et le circuit de décharge 36. Le courant résultant de décharge oscillante force le courant de l'arc à zéro comme il a été indiqué ci-dessus. Quand ce courant a ainsi été amené à zéro, l'arc est éteint entre les contacts et la rigidité diélectrique est établie d'une façon suffisamment rapide entre les contacts pour supporter la tension de 15 rétablissement et interrompre ainsi le circuit. Sur la figure 1, le dispositif normalement ouvert 38 pour établir le circuit de décharge est représenté sous la forme d'un éclateur à vide déclenché d'un type général. Cet éclateur comprend deux électrodes principales espacées 40 et 42 dans une chambre à vide poussé, avec un 20 intervalle principal 45 entre les électrodes. Une électrode de déclenchement ou d'amorçage 46 formée par une couche mince de métal sur une tige support en matière céramique 48 est disposée à côté de l'électrode principale 42. La couche mince 46 peut être en titane imprégné d'hydrogène ou en un métal exempt de gaz, tel que du cuivre. La tige en matière céramique 48 est 25 disposée coaxialement à travers l'électrode 42 et son pourtour est convenablement scellé à cette électrode. Une partie de la tige en matière céramique 48 ne porte pas de revêtement et définit le long de cette surface un intervalle d'amorçage, ne portant pas de revêtement qui isole électriquement l'électrode 46 de l'électrode principale 42 dans les conditions normales. Un conducteur de 30 connexion 49 traverse la tige en matière céramique 48 et passe sur la surface supérieure pour être connecté à l'électrode de déclenchement 46. Quand une impulsion électrique est appliquée entre l'électrode de déclenchement 46 et l'électrode principale 42, le claquage a lieu dans l'intervalle de déclenchement et l'étincelle qui en résulte libère 35 une petite quantité de vapeur ou de gaz de l'électrode de déclenchement 46. Cette vapeur est rapidement ionisée et projetée dans l'intervalle principal 45 en diminuant ainsi la rigidité diélectrique pour l'éclatement d'un arc à travers l'intervalle principal. Du fait du claquage à travers l'intervalle 6907971 5 2004313 * principal 45, le condensateur de commutation 20 peut se décharger à travers le circuit 56 par l'intermédiaire de l'arc existant entre les contacts 27 et 28, de la façon décrite ci-dessus pour forcer ou amener à zéro le courant à_travers l'interrupteur 25. 5 Quand le courant arrive à zéro dans le circuit de commutation 36, une rigidité diélectrique élevée est automatiquement établie dans l'intervalle principal 45 de l'éclateur à vide 38 qui revient ainsi à son état initial normalement ouvert. L'impulsion appliquée à l'intervalle de déclenchement décrite 10 ci-dessus peut être produite par n'importe quelle source convenable d'impulsions, par exemple celle représentée schématiquement en 56 qui est connectée au circuit de commande 49, 51 connecté à l'électrode de déclenchement et à l'électrode principale. La source d'impulsions 56 est démarrée par la fermeture du circuit de commande 73. Le circuit de commande 73 est 15 fermé quand le contact mobile 28 de l'interrupteur ou disjoncteur 25 atteint une position prédéterminée pendant sa course d'ouverture. Pour cette position prédéterminée, le contact normalement ouvert 75 du disjoncteur est fermé pour compléter le circuit de commande 73 pour l'application de l'impulsion de déclenchement à l'intervalle de déclenchement pour la fermeture dç J.ëclateur 38L 20 Bien que la figure 1 représente un éclateur à vide déclenché à électrodes fixes, pour constituer le dispositif 38 établissant le circuit de décharge, cet éclateur peut être remplacé par des dispositifs commutateurs d'autres types. Par exemple, il est possible d'utiliser un commutateur normalement ouvert comprenant des électrodes pouvant recevoir un mouvement 25 relatif, avec un dispositif convenable pour actionner ces électrodes vers les positions de fermeture quand l'interrupteur principal ou disjoncteur 25 a atteint un degré d'ouverture prédéterminé et pour séparer ensuite les électrodes un temps convenable après la fin de l'opération d'interruption. Suivant un autre exemple, le dispositif établissant le circuit 30 de décharge 38 peut comporter un éclateur à vide déclenché comportant au moins une électrode mobile. La figure 2 représente schématiquement un éclateur à vide à électrode mobile, les mêmes références étant utilisées pour désigner les éléments semblables à ceux de la figure 1. La principale différence entre l'éclateur à vide déclenché 38a de la figure 2 et l'écla-35 teur 38 de la figure 1, est qu'il comporte au lieu de l'électrode fixe 40 une électrode mobile 40_b fixée à l'extrémité d'une tige support mobile 40a entourée d'un soufflet 90 pour assurer l'étanchéité entre la tige et la paroi correspondante de l'éclateur. Quand un arc est établi à travers l'intervalle principal 45 de l'éclateur à vide 38a du fait de l'éclatement â travers 6907971 6" 2004313 l'intervalle de déclenchement de la façon décrite ci-dessus, le courant établi entre les électrodes 40b et 42 passe à travers un dispositif de fermeture, tel que 1'électro-aimant 92 pour entraîner l'électrode 40b^ contre l'électrode 42. Il en résulte l'extinction de l*arc entre les 5 électrodes et le passage du courant après les électrodes en contact. Les électrodes restent en contact jusqu'à ce que le courant tombe à une valeur prédéterminée, le ressort 93 comprimé pendant la fermeture séparant alors les contacts pour ouvrir le circuit de commutation 36 et ramener l'éclateur 38a à son état initial ouvert représenté sur la figure 2. 10 Le dispositif teprésenté sur la figure 2 est actuellement le type préféré de dispositif pour l'établissement du circuit de décharge, caï•il peut être traversé par des courants d'une longue durée sans endom-magement, en raison de l'extinction de l'«rc, par la mise en contact des électrodes. Dans certaines conditions d'interruption, le courant doit 15 traverser le dispositif de fermeture du circuit de décharge 38 ou 38a pendant une période relativement longue après 1'amorçage initial de l'arc pour permettre la dissipation complète de l'énergie emmagasinée dans le circuit de ligne 16, 19 sur le côté charge du disjoncteur 25. L'utilisation du condensateur de filtrage 20 pour la commutation 20 supprime la nécessité d'un condensateur de commutation séparé utilisé jusqu'ici aux bornes du disjoncteur. De même, cela supprime la nécessité d'un dispositif spécial de charge pour le condensateur de commutation, car le condensateur 20 est toujours connecté aux bornes de la source d'alimentation 12, et par suite il est toujours chargé et prêt à fournir le courant 25 de commutation en cas de besoin. Quand le courant a été amené à zéro à travers le disjoncteur 25 du fait de la décharge du condensateur 20, une tension de rétablissement est établie aux bornes du disjoncteur, comme il a été indiqué ci-dessus. Une composante principale de cette tension de rétablissement résulte de l'énergie 30 emmagasinée dans l'impédance 18 et' qui charge le condensateur 20 dès que le courant est arrivé à zéro. Pour limiter la valeur de pointe et la fréquence de cette tension de rétablissement, un circuit dissipateur d'énergie 80, 82 est connecté aux bornes de l'impédance 18, ce circuit comprenant en série un éclateur à vide 80 et une résistance appropriée 82. Un arc est établi 35 dans l'éclateur 80 quand la tension aux bornes de l'impédance 18 atteint une valeur prédéterminée pendant l'augmentation de la tension de rétablissement, et l'éclateur connecte ainsi la résistance aux bornes de l'impédance. Ce circuit dissipateur d'énergie 80, 82 dérive le courant de l'impédance et 6907971 7 2004313 réduit efficacement le courant à travers le condensateur 20, en réduisant ainsi la fréquence et la valeur de pointe de la tension aux bornes du condensateur 20 et par suite du disjoncteur 25. Ce qui précède concerne la dissipation de l'énergie emmagasinée 5 dans le circuit de ligne du côté de la source par rapport au disjoncteur. Il peut aussi exister de l'énergie emmaganisëe dans la ligne du côté de la charge par rapport au disjoncteur et cette énergie doit être dissipée immédiatement après l'interruption. Il sera supposé que le disjoncteur a fonctionné en raison d'un dérangement représenté schématiquement en F et 10 court-circuitant pratiquement le dispositif d'alimentation ou charge 14. L'énergie de l'inductance du circuit de ligne sur le côté charge est déchargée à travers le trajet du dérangement et de ce fait, elle a tendance à entraîner dans le sens négatif la tension sur le côté "chargé du disjoncteur. Cependant, la connexion directe de la borne côté charge du disjoncteur 15 à la terre à travers l'éclateur 38 qui est à ce moment conducteur, empêche efficacement que cette tension devienne négative d'une façon appréciable. L'a tension aux bornes des contacts séparés du disjoncteur immédiatement après le passage à zéro du courant est égale à la différence entre la tension sur le côté source du disjoncteur (entre les conducteurs 16 20 et 19) et la tension sur le côté charge (entre les conducteurs 16 et 19) ces deux tensions étant de sens opposés. Comme la tension entre les conducteurs 16 et 19 du côté charge est limitée ignsiblement à zéro par la présence du court-circuit à travers l'éclateur 38, la tension aux bornes du disjoncteur est principalement la tension entre les conducteurs 16 et 19 du côté 25 des bornes d'alimentation. Il apparaît ainsi que le court-circuit établi pratiquement par l'éclateur 38 ou un dispositif équivalent entre les conducteurs 16 et 19 sur la borne côté charge du disjoncteur pendant cet intervalle, réduit effectivement la tension sur le disjoncteur. Quand le condensateur de commutation est connecté directement 30 aux bornes du disjoncteur suivant les techniques antérieures, il est soumis A ' aussi à une tension représentée par la différence considérée dans le paragraphe précédent. Cependant, comme selon la présente invention, un côté du condensateur de commutation est connecté directement à la terre, la première des tensions de la différence considérée ci-dessus, apparaît sur ce con-35 densateur, ce qui réduit la tension sur le condensateur de commutation. Quand un temps relativement long est nécessaire pour dissiper l'énergie de la ligne de force sur le côté charge du disjoncteur, un un dispositif dans lequel les contacts sont rapprochés, tel que 6907971 8 2004313 celui de la figure 2, est préférable pour établir le circuit de décharge 38 afin d'éviter que ce courant de longue dur éen 'endommage ce dispositif. Un autre avantage de la combinaison est que les ondes progressives d'une ligne én dérangement,' sont dérivées par rapport au disjoncteur 5 par le court-circuit établit à travers l'éclateur 38 sur"la borne côté charge du disjoncteur. Ce découplage permet une prévision et des essais bien plus faciles pour la charge en tension supportée par le disjoncteur. Un autre avantage est que le dispositif de commande 56, 49, 51 pour l'éclateur à vide déclenché de' la figure 1 ou de la figure 2, peut être 10 au potentiel de la terre ou au voisinage de ce potentiel, ce qui simplifie l'isolement et réduit le prix. Il sera noté que le dispositif de commande 56, 49, 51 est connecté à la terre par le conducteur 51. Bien que des dispositifs interrupteurs 25 et 38 soient à une seule coupure pour simplifier la présentation et les explications, il doit être compris que pour des tensions plus 15 élevées; il peut être nécessaire d'utiliser des dispositifs à plusieurs coupures en série. Bien èntendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 69079/1 9 2004313 REVENDICATIONS 1 - Un dispositif interrupteur ou disjoncteur pour couper un circuit haute tension en courant continu comprenant une source de courant continu, une charge ou dispositif d'utilisation» un conducteur de ligne 5 haute tension et un conducteur de ligne au potentiel de la terre connectant la charge aux bornes de la source et un condensateur de filtrage connecté entre les conducteurs de ligne, caractérisé par un interrupteur connecté en série dans le conducteur de ligne haute tension sur le côté charge par rapport au condensateur et comportant des contacts pouvant recevoir des 10 mouvements relatifs en série avec la source d'alimentation et la charge et un dispositif pour maintenir normalement les contacts fermés pour le passage du courant vers la charge et pour séparer le contact avec établissement drun arc entre les contacts, et par un dispositif normalement ouvert constituant un circuit de décharge connecté aux conducteurs de ligne sur le.côté charge 15 par rapport au disjonteur, la fermeture de ce dispositif pour connecter en série l'interrupteur du disjoncteur et le dispositif établissant le circuit de décharge pour forcer à zéro le courant à travers les contacts du disjoncteur ayant lieu du fait de la fermeture du dispositif de décharge à l'amorçage de l'arc pour décharger le condensateur à travers la combinaison en 20 série de l'arc et du circuit de décharge du condensateur. 2 - Un dispositif interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif établissant le circuit de décharge du condensateur établit pratiquement un court-GÎrcuit entre le conducteur de ligne du côté charge et le conducteur de terre à travers un trajet indépendant de tout 25 trajet résultant d'un dérangement dans le circuit haute tension en courant continu. 3 - Un dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le dispositif établissant le circuit de décharge du condensateur comprend un éclateur à vide déclenché* comportant un intervalle prin- 30 cipal et un intervalle de déclenchement, et un dispositif de commande pour provoquer l'éclatement d'un arc à travers l'intervalle de déclenchement, afin de rendre conducteur l'intervalle principal. 4 - Un dispositif selon la revendication 3 2 caractérisé en ce que -l'éclateur à vide déclenché comprend deux électrodes principales normalement 35 espacées pour établir un intervalle principal d'arc et pouvant avoir un mouvement relatif,un dispositif pour rapprocher les électrodes principales immédiatement après le passage à état conducteur de l'intervalle principal, et un dispositif pour séparer les électrodes principales quand le courant -est tombé à une valeur prédéterminée. 6907971 i© 2004313 5 - Un dispositif selon 1'une des revendications 3 et 4 caractérisé en ce que le dispositif de commande comprend demi conducteurs pour la transmission d'une impulsion de déclenchement à l'intervalle de déclenchement de l'éclateur , l'un de ces conducteurs étant maintenu prati- 5 quement au potentiel de la terre. 6 - Un dispositif selon l'une des reveridications 1 et 2 caractérisé en ce que le dispositif établissant le circuit de décharge comprend un éclateur à vide déclenché comportant un intervalle d'arc principal et un intervalle de déclenchement, le dispositif pour provoquer la fermeture 10 de l'éclateur,comprenant un dispositif de commande pour provoquer l'éclatement à travers 1"intervalle de déclenchement afin de rendre conducteur l'intervalle principal, et deux conducteurs pour l'application d'une impulsion • de déclenchement aux bornes de l'intervalle de déclenchement, l'un de ces conducteurs étant maintenu sensiblement au potentiel de la terre.