Brevet FR2040399A1 — publié le 19710122

La présente invention concerne les installations polyphasées de production, de transport et de transformation d'énergie. Elle concerne plus particulièrement des installations de production d'énergie triphasée qui réduisent de façon importante le ris-5 que d'apparition de forces destructives dans le cas de défauts entre deux lignes ou entre une ligne et le neutre dans l'installation elle-même. Les turbo-générateurs actuels sont continuellement perfectionnés pour augmenter leur puissance nominale. Lorsque la puis-10 sance nominale augmente, jusqu'à atteindre une valeur de l'ordre de 2000 MVA, pour des installations triphasées comportant trois conducteurs omnibus, les courants de ligne deviennent excessivement importants si on ne veut pas dépasser les valeurs de tension utilisées actuellement. Par exemple, le courant de ligne pour un 15 générateur de 1350 MVA à 26 KV est égal à 30 000 A. Le courant de ligne pour un générateur de 2500 MVA à 24 KV est égal à 60 000 A. Dans les installations actuelles de production d'énergie triphasée, l'énergie du générateur triphasé est transmise, par l'intermédiaire de trois conducteurs de ligne individuels, logés 20 dans trois sections isolées de conducteurs omnibus entourés de gaines métalliques mises à la terre, à des transformateurs qui élèvent la .tension pour le transport de cette énergie. Suivant la loi de Lenz sur l'induction électromagnétique, les courants circulant dans les conducteurs de ligne sont réfléchis de façon 25 importante à l'intérieur de la gaine, ce qui provoque des pertes supplémentaires s'ajoutant aux pertes ohmiques apparaissant dans les conducteurs de ligne eux-mêmes. Un autre problème apparaissant dans les installations précédemment mentionnées lorsque les courants deviennent très importants 30 est que les champs magnétiques parasites apparaissant autour des sections isolées de conducteurs omnibus deviennent suffisamment importants pour créer un échauffement nuisible dans les éléments adjacents, ainsi que des signaux de commande erronés pour les relais dans certains cas. Même dans les conducteurs omnibus isolés 35 perfectionnés utilisés actuellement qui éliminent de façon importance les champs magnétiques à l'extérieur de la gaine sur la plus grande partie de la longueur de ces conducteurs, ces problèmes apparaissent encore au voisinage des extrémités. Par conséquent la présente invention se propose de fournir un générateur polyphasé 40 et un réseau de conducteurs omnibus perfectionnés permettant de 70 15669 2 2040399 réduire les courants de phase en utilisant plusieurs phases sans augmenter le risque d'apparition de forces destructives et d'un échauffement dans le cas d'un défaut entre lignes ou entre une ligne et la terre. 5 La présente invention se propose aussi de fournir un géné rateur polyphasé associé â un réseau compact de conducteurs omnibus qui limitent les courants de défaut à de très faibles valeurs et réduit les pertes et les champs magnétiques dans l'installation en général. 10 La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel : La figure 1 est une représentation simplifiée d'un générateur triphasé et d'un réseau de conducteurs omnibus isolés connus antë-15 rieurement. Les figures la et lb sont des diagrammes vectoriels correspondant respectivement à des conditions normales et à l'apparition d'un défaut dans le dispositif représenté dans la figure 1. La figure 2 est une représentation simplifiée d'un généra-20 teur comportant six conducteurs de phase et du réseau de transport d'énergie qui lui est associé suivant la présente invention Les figures 2a et 2b sont des diagrammes vectoriels correspondant respectivement à des conditions normales de fonctionnement et à l'apparition d'un défaut dans le dispositif représenté dans 25 la figure 2. La figure 3 est une autre forme de réalisation d'un réseau de transport d'énergie comportant six conducteurs de phase et d'un transformateur permettant de reconvertir l'énergie en énergie triphasée. 30 La figure 4 est une autre forme de réalisation de la pré sente invention et représente d'autres types de réalisation des enroulements du générateur, des conducteurs omnibus et du transformateur de sortie. La figure 5 est une autre forme de réalisation de la présen-35 te invention et représente un générateur à 9 phases et une installation de transport , de transformation et de redressement d'énergie. Suivant la présente invention on utilise plusieurs groupes d'enroulements polyphasés dans le générateur, chaque groupe d'en-40 roulements possédant un point neutre distinct. Chaque point neutre 70 15669 3 2040399 est mis à la terre par l'intermédiaire d'une impédance sensible au courant distincte. Dans une forme de réalisation des conducteurs omnibus, les conducteurs des différents groupes d'enroulements de phase se trouvant sensiblement en opposition de phase 5 peuvent être logés dans une gaine commune, ce qui permet à la fois de réduire les pertes dans ces conducteurs omnibus et de limiter les courants de défaut. La figure 1 représente un générateur triphasé, désigné dans son ensemble par 10, dont les enroulements sont disposés dans les 10 encoches et sont reliés de façon à former un enroulement de phase A, un enroulement de phase B et un enroulement de phase C. Comme il est bien connu de ceux qui sont familiers avec cette technique chacun des enroulements de phase peut comporter un où plusieurs conducteurs de phase et un ou plusieurs circuits bran-15 chés en parallèle pour éviter le déséquilibre entre les circuits Le point neutre N des enroulements de phase A, B et C branchés en étoile est relié à la terre par l'intermédiaire d'une impédance 11 sensible au courant constituée par un transformateur monophasé possédant un enroulement primaire 12 et un enroulement 20 secondaire 13 aux bornes duquel est branchée une bobine 13. A l'apparition d'un défaut entre une ligne et la terre, les courants sont limités par l'impédance 11 de mise à la terre du neutre à des valeurs de l'ordre de 10 ampères. Les trois conducteurs de phase A, B, C sont reliés respec-25 tivement à des sections isolées de conducteurs omnibus 15,16,17. En se référant à la section 15 par exemple, on peut voir que chaque section comporte une gaine métallique 15a mise à la terre, entourant un conducteur omnibus 15b supporté par une colonne isolante 15c. Ces sections de lignes omnibus peuvent avoir dif-30 férentes formes et sont conçues et réalisées de façon a minimiser les effets non souhaitables des champs crées par les conducteurs électriques logés à l'intérieur ainsi qu'à arrêter les forces dues aux courants de Foucault et les courts-circuits possibles. La figure la représente les vecteurs de tension des trois 35 phases et indique la présence d'une mise à la terre virtuelle entre le point neutre et la terre par l'intermédiaire du primaire 12 du transformateur et du counlage capacitif associé. La figure lb illustre le comportement de ce dispositif antérieurement connu à l'apparition d'un défaut. Si le point B est mis à la terre 40 par inadvertance la tension du point N augmente brutalement 70 15669 4 2040399 jusqu'à la tension de phase à causé de l'effet de blocage de l'impédance sensible au courant freprésentée par l'impédance virtuelle 18 reliée à la terre). La tension des points A et C augmente brutalement jusqu'à une valeur égale à fois la tension de phase. 5 La figure 2 représente un générateur 20 aomportant deux grou pes complètement indépendants d'enroulements triphasés. Le groupe d'enroulements A, B, C possède un point neutre N. tandis que le groupe d'enroulements X,Y,Z possède un point neutre M distinct. Les enroulements du générateur dans cette forme de 10 réalisation sont disposés de façon que les tensions de chacun des enroulements des deux groupes A, B, C et X,Y,Z soient respectivement déphasées de 60°. De nombreux schémas d'enroulement peuvent être utilisés pour obtenir ce déphasage à l'intérieur du générateur, soit en modifiant les connexions entre les enroule-15 ments " à circuits multiples", soit, par exemple, en utilisant un quelconque des schémas d'enroulement des brevets précédemment cités. De nombreux agencements destinés à fournir deux enroulements complètement distincts sur le corps du stator d'un génarateur ont 20 déjà été décrits, par exemple dans le brevet américain n° 2 630 540. Il y a peu de différence entre des enroulements distincts sur un corps de stator et des enroulements à circuits multiples possédant plus d'un circuit branché en parallèle par phase étant donné que l'on peut utiliser l'un ou l'autre de ces agencements pour obtenir 25 deux ou plusieurs groupes de tensions de phase déphasés les uns par rapport aux autres. Par conséquent, en pratique la forme de réalisation représentée dans la figure 2 peut être obtenue très facilement en modifiant les connexions internes des enroulements à deux circuits 30 précédemment connus en inversant simplement les points neutres pour un circuit de chaque phase. Suivant là présente invention le noint neutre N du groupe de phases A, B, C est relié à la terre par l'intermédiaire d'une impédance 21 sensible au courant tandis que le point neutre M du 35 groupe de phases X,Y,Z est relié séparément à la terre par l'intermédiaire d'une autre impédance 22 sensible au courant. Ces impédances peuvent être identiques à l'impédance 11 utilisée dans la forme de réalisation de la figure 1. Les conducteurs provenant des groupes de phases distincts pris deux par deux sont envoyés 40 vers des sections omnibus distinctes 23,24,25. Chaque section, 70 15669 5 2040399 telle 23, comporte deux conducteurs omnibus 23a, 23b supportés par des colonnes isolantes opposées 23c et 23d. Une gaine diélectrique 23e, constituée par deux feuilles isolantes disposées à une certaine distance l'une de l'autre avec un espace d'air entre 5 elles, sépare ces deux conducteurs. Dans quelques cas il peut y avoir une mince feuille métallique ou un blindage supplémentaire entre les conducteurs. Les deux conducteurs sont logés dans une gaine commune 23f. Il est important de remarquer que les deux conducteurs logés dans chacune des gaines possèdent des points 10 neutres M et N indépendants et qu'ils sont choisis de préférence de façon à être sensiblement en opposition de phase, c'est-à-dire que la gaine 23f contient les phases C et Z qtii sont sensiblement déphasées de 180°. De même, les conducteurs provenant des enroulements de phase Y et B sont logés dans la section 24 et les con-15 ducteurs provenant des enroulements de phase. A et X sont logés dans la section 25. La figure 2a représente le schéma vectoriel des tensions fournies par les deux groupes d'enroulements de phase distincts représentés dans la figure 2. Dans des conditions d'équilibre les 20 deux points neutres M et N sont au même potentiel comme représenté par la mise à la terre virtuelle unique 24. Comme, on l'a vu précédemment, dans la forme de réalisation la plus avantageuse deux conducteurs sensiblement en opposition de phase sont disposés dans la même gaine. A l'apparition d'un 25 défaut entre lignes à l'intérieur de la gaine, ce qui est la condition la plus défavorable, les vecteurs de tension seront identiques à ceux représentés dans la figure 2b. Ici on suppose que le défaut est apparu dans la section omnibus 24 entre les conducteurs de phase B et Y. Etant donné que les courants circulant entre 30 le neutre et la terre sont limités par les impédances 21, 22 sensibles au courant les points neutres M et N sont déphasés de façon identique et puisque les tensions de phase B et Y sont opposées pratiquement aucun courant de défaut ne circule, que ce soit entre les lignes ou vers la terre. Bien que les contraintes diélectri-35 ques respectives entre les phases A et X dans la section omnibus 25 et C et Z dans la section 25, où il n'apparait- pas de défaut, augmentent elles ne sont pas supérieures à VU* fois leurs valeurs précédentes, ce qui est représenté par la ligne en pointillé dans la figuré 2b. 40 Le principal avantage de loger des conducteurs de ligne 70 15669 6 2040399 sensiblement en opposition de phase dans la même gaine est que leurs champs s'annulent largement, ce qui minimise les pertes normales apparaissant dans la gaine et les champs extérieurs. Par conséquent, on peut réduire le coût de fabrication des barres 5 omnibus ainsi que les pertes globales. En outre, en reliant les points neutres à la terre par l'intermédiaire d'impédances sensibles au courant distinctes il devient possible de loger les conducteurs deux par deux dans une même gaine sans craindre 1'apparition de courants destructifs 10 importants dans le cas d'un défaut entre des conducteurs quelconques logés dans une même gaine. La figure 3 représente une autre forme de réalisation dans laquelle le générateur est bobiné de façon à former deux groupes d'enroulements triphasés déphasés de 30°. L'enroulement 15 du générateur peut être réalisé de la façon décrite dans le brevet français n° 1 137 663 cité à titre de référence. Cependant, au lieu d'utiliser une connexion neutre-terre commune comme dans le brevet précédemment cité, le point neutre N des phases A, B, C est mis à la terre par l'intermédiaire d'une impédance 31 sensible 20 au courant et le point neutre des phases X,Y, Z est mis à la terre par l'intermédiaire d'une impédance 32. Les conducteurs sont logés deux par deux dans des sections omnibus 23, 24, 25 qui peuvent être construites de la façon décrite en se référant à la figure 2. Pour recombiner les deux groupes de tensions triphasées 25 décalés de 30° on peut utiliser un transformateur spécial introduisant un déphasage de 30° pour l'un de ces groupes de tensions. Ce transformateur comporte un primaire 33 en triangle pour les phases A, B, C et un primaire 34 en étoile pour les phases X, Y,Z. Le fonctionnement de cette forme de réalisation est identique à 30 celui de la forme de réalisation représentée dans la figure 2 mis à part que les conducteurs appariés ne sont pas déphasés de 180° mais de 150°. Par conséquent l'annulation des champs électromagnétiques provenant des deux conducteurs n'est pas aussi complète qu'elle pourrait l'être si les courants qui les traversent étaient dépha-35 sés de 180°; Néanmoins on obtient une annulation partielle importante de sorte que les courants induits et les pertes à l'intérieur de la gaine sont beaucoup plus faibles que si l'on utilisait des gaines indépendantes possédant sensiblement les mêmes dimensions pour chacun des six conducteurs de' ligneDans le cas d'un défaut en-40 tre les conducteurs logés dans une même gaine ou d'un défaut entre un 70 15669 7 2040399 seul conducteur et la gaine, les courants de défaut seront limités à une faible valeur non destructive par les impédances 31, 32 sensibles au courant comme dans les formes de réalisation précédemment décrites. Comrçe dans les installations connues on peut utiliser des 5 relais pour détecter l'augmentation de tension du point neutre de sorte que les disjoncteurs peuvent être ouverts et que le générateur peut être arrêté ce qui permet la dissipation du défaut. Dans quelques cas il peut être souhaitable de bobiner un générateur de façon à obtenir deux groupes d'enroulements triphasés 10 complètement séparés qui sont décalés d'un pas d'encoche. Un tel générateur est représenté dans la figure 4 et est désigné par la référence 40, l'angle a représentant le pas d'encoche étant très exagéré. Cependant, les enroulements de phase sont branchés de façon à fournir deux groupes de tensions triphasées déphasés de 180° 15 plus l'angle correspondant à un pas d'encoche. Les points neutres M et N sont mis à la terre séparément par l'intermédiaire des impédances 41, 42 comee on l'a vu précédemment. Les conducteurs provenant des enroulements sensiblement en opposition de phase sont rassemblés deux à deux, comme précédemment, dans les sec-20 tions de barres omnibus 43, 44, 45. Ces sections sont représentées comme des conducteurs tubulaires coaxiaux bien qu'ils puissent avoir la même configuration que dans la figure 2. Chacune de ces sections comporte un conducteur intérieur, tel 43a, un conducteur extérieur coaxial 43b maintenu à une certaine distance du conduc-25 teur intérieur et une gaine coaxiale 43c mise à la terre et écartée du conducteur extérieur . Ces différents éléments sont maintenus écartés les uns des autres par des colonnes isolantes appropriées non représentées. Il est aussi possible de faire circuler de l'huile de transformateur dans les deux sens entre les sections 30 tubulaires pour obtenir un isolement diélectrique. Les deux groupes de tensions triphasées sont converties et combinées pour obtenir un seul groupe de tensions triphasées, en utilisant un transformateur déphaseur de n'importe quel type connu. Dans la figure 4 ce transformateur comporte deux primaires 35 46, 47 branchés en triangle et deux secondaires 48, 49 branchés en étoile. Le primaire 47 du transformateur possède des enroulements supplémentaires désignés par 47a destinés à compenser le déphasage correspondant au décalage d'un pas d'encoche dans l'enroulement du générateur. 40 La figure 5 montre que la présente invention n'est pas limitée 70 15669 8 2040399 à un générateur à six phases, ni à un réseau de distribution dans lequel les conducteurs en opposition de phase sont regroupés deux par deux ni même à la recombinaison en énergie triphasée. Un générateur 50 comporte trois enroulements triphasés distincts 5 branchés de façon à fournir trois groupes de phases distincts A,B,C; X, Y,Z; D,F,F. Ces groupes de phases possèdent des points neutres distincts N,M et L respectivement mis à la terre par l'intermédiaire des impédances 51, 52, 53 sensibles au courant. Un conducteur provenant de chacun des enroulements de phase est 10 logé dans une section isolée classique distincte 54. Les 9 phases peuvent être recombinées pour obtenir de l'énergie triphasée de la façon décrite dans ce brevet ou, comme représenté schéma-tiquement dans la figure 5, peuvent être recombinées par un ensemble 55 de transformateurs puis converties par les redresseurs 56 15 pour obtenir de l'énergie contenue à haute tension. Bien que les sections de barres omnibus représentées dans la figure 5 ne contiennent pas deux conducteurs pour bénéficier de l'annulation des champs mentionnée précédemment, les pertes dans ces sections sont beaucoup plus faibles étant donné que 20 pour une même puissance nominale les courants circulant dans un réseau à 9 phases sont beaucoup plus faibles que ceux qui circulent dans un réseau triphasé. Les sections de barres omnibus sont disposées de façon qu'aucune d'entre elles ne se trouve à côté d'une section contenant un conducteur provenant du même 25 groupe de phases mais qu'elle se trouve à côté d'une section contenant un conducteur sensiblement en opposition de r)hase. Par exemple la disposition représentée est A,Y,D,C,X,F5B,Z,E. Grâce à cette disposition les courants de défaut sont limités , par l'intermédiaire des trois circuits distincts de mise à la terre, 30 pour chacun des groupes d'enroulements triphasés. Ainsi, l'utilisation de groupes d'enroulements de phase ou d'enroulements séparés multiples à l'intérieur du générateur, avec des points neutres distincts mis à la terre par l'intermédiaire d'impédances distinctes sensibles au courant, permet de 35 simplifier et de réduire les pertes dans le réseau de transport associé au générateur. Premièrement en utilisant un nombre de phases plus important que cela a été fait jusqu'ici les courants de ligne sont plus faibles (pour une même tension) et de ce fait la construc-40 tion des barres omnibus est simplifiée et les pertes dans les 70 15669 9 2040399 gaines de transport sont réduites. Deuxièmement en séparant l'enroulement en groupes distincts avec des points neutres distincts on peut rassembler des conducteurs provenant des différents groupes d'enroulements et se trou-5 vant en opposition de phase dans une gaine commune pour minimiser encore les pertes dans les gaines de transport ainsi que les champs extérieurs. Troisièmement dans le cas d'un défaut apparaissant dans un ou plusieurs des conducteurs en oppositionde phase les impédances 10 sensibles au courant mettent les points neutres h des tensions différentes et limitent les courants de défaut. La contrainte diélectrique entre les conducteurs où n'apparait pas de défaut augmente mais pas de façon excessive. Bien que la présente invention convienne en particulier 15 pour les générateurs à 6 phases reliés à des conducteurs rassemblés deux à deux dans trois sections de gaines isolées, ceci est dû au fait que cette forme de réalisation est similaire à celles qui sont utilisées actuellement. Cependant, l'invention est applicable à n'importe quel système polyphasé dans lequel les en-20 roulements du générateur sont séparés en plusieurs groupes d'enroulements polyphasés possédant chacun un point neutre. Par exemple, bien que cela ne soit pas représenté dans les figures, il est évident que la présente invention est applicable à deux groupes d'enroulements biphasés. Dans ce cas le générateur compor-25 tera quatre enroulements de phase déphasés de 90? L'installation comportera deux sections de barres omnibus contenant chacune deux conducteurs déphasés de 180°. 70 15669 10 2040399 REVENDICATIONS 1-Tnsta! lat ion polyphasée rie production d'énergie caractérisée par le fait qu'elle comporte un générateur possédant plusieurs groupes d'enroulements polyphasés dont chacun possède un point neutre distinct, plusieurs impédances sensibles au cou- 5 rant, chacune de ces impédances étant branchées séparémment entre un des points neutres et la terre, et plusieurs sections de barres omnibus contenant des conducteurs reliés aux groupes d'enroulements et dont les gaines sont mises à la terre, les courants de défaut entre les groupes d'enroulements se trouvant 10 limités à de faibles valeurs par lesdites impédances. 2-Installation polyphasée suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que les conducteurs", provenant de différents groupes d'enroulements de phase, qui sont sensiblement en opposition de phase sont disposés l'un à côté de l'autre, ce qui permet 15 de limiter les courants de défaut. 3-Installation polyphasée suivant les revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que chacune des sections de barres omnibus comporte une gaine commune contenant un conducteur provenant de chacun des groupes d'enroulements de phase, les conducteurs 20 logés dans une même gaine étant choisis de façon à être sensiblement en opposition de phase. 4-Installation polyphasée suivant la revendication 3 caractérisée par le fait qu'il comporte deux groupes d'enroulements polyphasés, et que chaque section de barre omnibus contient deux con- 25 ducteurs disposés dans une gaine commune sur des colonnes isolantes opposées. 5-Installation polyphasée suivant la revendication 3, caractérisée par le fait qu'il comporte deux groupes d'enroulements polyphasés et que chaque section de barre omnibus comporte une 30 gaine tubulaire commune dans laquelle sont disposés deux conducteurs provenant des deux groupes d'enroulements de phase, ces conducteurs ainsi que la gaine étant coaxiaux. 6-Installation polyphasée suivant les revendications 1,2,3,4, ou 5, caractérisée par le fait que chacun des groupes d'enroule- 35 ments polyphasés est constitué par un groupe d'enroulements triphasés » et qu'il comporte en outre des moyens de transformation reliés aux sections de barre omnibus et.destinés à combiner les différentes tensions triphasées pour obtenir une source d'énergie triphasée.