Brevet FR2094171A1 — publié le 19720204

' 2094171 La présente invention concerne un disjonctent-à 'lé vie r à ouverture programmée des contacts ou disjoncteur programmé con- -v i çu de manière à pouvoir arrêter le passage dti courant dans des lignes à courant fort continu à haute tension. 5 La transmission d'énergie électrique par des courants po lyphasés de fréquence adaptée à la nature de la source d'énergie et à celle de la charge* est employée actuellement sur une grande échelles Le courant alternatif-est avantageux, car il permet d'utiliser des transformateurs pour faire passer des ten-10 sions d'une valeur convenant à la production d'énergie à des valeurs convenant au transport, à la distribution et finalement à l'utilisation de cette énergie. La demande croissante d'énergie électrique par les pays techniquement développés a conduit à la transmission de cette 15 énergie sous des tensions croissantes et à des distances de plus en plus grandes. Les réactances des lignes de transport de force sont télles,que toute nouvelle augmentation de la longueur ou de la tension d'une''ligne de transport d'énergie cesse d'être rentable. L'utilisateur doit s'accomncdei/de pertes d'énergie 20 croissant'avec l'augmentation des distances et des tensions. On a donc tenté de transmettre l'énergie électrique par des lignes à courant continu. Le courant continu est beaucoup plus intéressant, compte tenu de la réactance, pour les installations de transport sous-marines ou souterraines. Par consé-25 quent, on a réalisé des liaisons modernes entre d«a villes à l'aide de courant continu. Les mêmes considérations s'appliquent également aux longues installations aériennes. Compte tenu de l'augmentation de la population des centres urbains et des considérations esthétiques qui imposent d*.en,terrer les lignes 30 chaque fois que cela est possible, on prévoit que les lignes de transport urbaines seront en grande partie souterraines dans l'avenir. Ces considérations imposeront le transport d'énergie par courant continu. Evidemment, les pertes ohmiques d'une ligne à courant con-35 tinu diminuent avec l'élévation de la tension et la réduction de l'intensité du courant. Cependant, les disjoncteurs et les interrupteurs destinés à des tensions aussi élevées et, en particulier à des lignes de transport d'énergie électrique par courant continu fort, n'existaient pas antérieurement. 40 L'invention concerne des disjoncteurs à levier à ouverture 71 20989 2 2094171 £ programmée des contacts pour la coupure d'un circuit à courant continu fort et à haute tension. Ce disjoncteur comporte un connecteur dans la ligne à courant continu qui transporte normalement ledit courant. Un interrupteur électronique, un premier 5 interrupteur à coupure programmée en série avec une résistance et un second interrupteur à coupure programmée en série avec une résistance sont en parallèle sur ee connecteur. lie connecteur, l'interrupteur électronique et les interrupteurs à6ojiçuT« programmée sont commandés de manière à fonctionner dans un ordre 10 convenable lors de la détection d'un défaut, La présente invention a donc pour objet un disjoncteur à levier et ouverture programmée, capable de couper un circuit à cotLrant^or^ et à haute tension, permettant d'utiliser des lignes de transport d'énergie à courant continu avec des disjonc-- 15 teurs intercalés pour remédier aux défauts des circuits, et comportant un seul interrupteur électronique qui est fermé pendant les manoeuvres des contacts en parallèle sur lui, de manière que le risque de jaillissement d'un arc soit limité par la diminution de la tension appliquée à cet interrupteur électroni-20 que ; les contacts de ce disjoncteur s'ouvrent après qu'une résistance a.été branchée en série avec le premier afin d'absorber l'énergie du circuit ; donc des résistances non linéaires sont montées en série sur des interrupteurs à coupure programmée de manière qu'elles absorbent la quantité maximale d'énergie 25 du circuit par interrupteur, afin de limiter le nombre des interrupteurs programmés à deux ; le circuit comporte un interrupteur électronique qui peut être ouvert pu fermé pour couper le courant qui le traverse, de manière à réduire au minimum le jaillissement d'arcs provenant de.1'ouverture mécanique des con-50 tacts. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en référence aux dessins annexés dans lesquels î -35 La figure 1 représente schématiquement un circuit à courant continu fort et/haute tension dans lequel est intercalé le disjoncteur à levier programmé selon l'invention. 1 La figure 2 représente graphiquement le courant dans le circuit en fonction du temps pendant l'ouverture programmée des 40 contacts du disjoncteur selon l'invention. 7! 20989 3 2094171 La figure 3 représente graphiquement la tension entre les barres omnibus, pendant la succession des manoeuvres de la figure 2 ; et La figure 4 représente schématiquement l'équipement de com-5 mande des disjoncteurs et des interrupteurs. La figure t représente un circuit à courant continu haute tension tO comportant le disjoncteur 12 à levier programmé selon l'invention. Le circuit tO comprend une barre omnibus positive 14 et une tO barre de retour 16. Une source de courant continu fort à haute ten- *• sion 18, représentée pour simplifier par une batterie, est branchée entre elles. Cependant, comme on le sait,, la source de courant est en général constituée par un alternateur polyphasé entraîné par un moteur ou une turbine, et qui alimente en courant les transformateurs. 15 Ces transformateurs élèvent la tension et alimentent les redresseurs qui sont branchés entre la barre omnibus positive 14 et la barre omnibus de retour 16. L'exemple préféré donné dans le présent mémoire concerne un réseau de 40D MW parce que cette valeur de la puissance semble convenir pour la production, dans l'avenir, d'énergie électri-20 que destinée à des agglomérations urbaines voisines. C'est une puissance qui peut être transportée par des câbles souterrains entre des usines génératrices et des zones urbaines rapprochées. Dans cet exemple, le courant normal est de ÎOOO A, comme l'indique l'axe des ordonnées de la figure 2 où les divers chiffres correspondent à des 25 kiloampères. Par ailleurs, la tension normale entre la barre omnibus positive 14 et la barre omnibus de retour t6 est der 200 &VV comme l'indiquent lés chiffres portés en ordonnées, en kilovolts sur la figure 3. De plus, la barre omnibus de retour est de préférence au potentiel de la masse et un deuxième circuit identique 10 est incor-30 poré, avec une barre Omnibus négative à-200 kV et un deuxième disjoncteur 12 identique. En d'autres termes, la figure 1 représente la moitié d'un réseau qui. à titre d'exemple et d'explication est, dans tout le présent mémoire descriptif, un réseau à 400 MW. L'inductance 20 est branchée en série avec la source d'énergie 18. L'inductance 20 représente 1'inductance de lrensemble du cir-35 cuit. L'inductance du circuit.limite la vitesse de variation du courant en fonction du_temps, et, si l'inductance du circuit normal est trop faible, on peut brocher une inductance additionnelle pour régulariser et pour limiter la vitesse 71 20989 4 2094171 d'augmentation du courant en cas de défaut. Dans l'exemple particulier du présent mémoire, l'inductance du circuit est de Of5 H, si "bien que, pour la source de courant à 200 kV, la vitesse de variation du courant en fonction du temps ^Lors de l'apparition 5 d'un défaut,est de 400 A/ms. Un détecteur de défauts 22, les contacts 24 d'un connecteur et une charge 26 sont branchés en série dans la ligne. La charge 26 peut être une charge industrielle classique ou une charge spéciale qui absorbe la puissance produite par la source de cou-10 rant. Par conséquent, la charge 26 peut comporter des onduleurs, des transformateurs et un équipement de distribution à la charge proprement dite. Les lignes 28 et 30 représentent respectivement des parties de la barre omnibus positive 14 et de la barre omnibus de retour qui transportent la puissance de la source à la 15 charge. Par conséquent, le disjoncteur 12 est, de préférence, près de la source 18 et la transmission à distance est réalisée par les lignes 28 et 30. La connexion 32 avec son interrupteur 34, entre les lignes 28 et 30, représente un court-circuit qui pourrait se produire 20 à l'entrée de la charge 26 ou dans les lignes 28 et 30 qui y conduisent. La fermeture de l'interrupteur 34 représente un court-circuit accidentel et, par conséquent, la connexion 32 avec son interrupteur représente schématiquement d'autres types de connexion électrique à résistance très faible entre les li-25 gnes 28 et 30. Les barres omnibus 36 et 38 font partie du disjoncteur 12 et sont reliées à la barre omnibus positive 14 par les contacts 24 sur les faces opposées du connecteur. Les connexions entre ces barres omnibus 36 et 38 sont branchées en parallèle sur les 30 contacts 24 du connecteur. TJn interrupteur électronique 40 est branché entre ces barres omnibus. L'ensemble du premier interrupteur à programme 42 et de sa résistance série 44 est branché entre ces barres. De même, le second interrupteur à programme 46 et sa résistance série 48 sont branchés entre ces barres. Si 35 nécessaire, des ensembles série additionnels d'interrupteurs programmés et de résistances peuvent être branchés entre ces barres omnibus pour fonctionner tour à tour. Enfin, une résistance 50 et un condensateur 52 de filtrage sont branchés en série l'un avec l'autre et sont branchés en parallèle sur les con-40 tacts 46 du second interrupteur programmé. 71 20989 2 C 9 4171 Le détecteur *22 de défauts de la figure 4 est relié au dispositif de commande 54-qui contient des circuits de commande qui fonctionnent comme indiqué ci-après. La sortie de 1'ensemble de commande 54 est reliée à un dispositif de manoeuvre 56 des 5 contacts du connecteur, un dispositif de commande 58 de l'interrupteur- électronique, un dispositif de manoeuvre 60 des contacts du premier interrupteur programmé, et un dispositif de manoeuvre 62 des contacts du second interrupteur programmé. Le détecteur de défauts 22 est un détecteur de défauts 10 simple .:et classique qui est sensible à la tension'entre les barres omnibus 14 et 16, à la vitesse de variation de la tension entre-les barres omnibus 14 et 16, au courant circulant dans la barre omnibus 14 ou à la variation du courant'dans la barre omnibus 14 en fonction du temps, ou à une combinaison de ces quan-15 tités. Des détecteurs de défautAppropriés sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique II0 3 353 171 » '3 419 791 ; 3 463 998 ; 3 471 784 î 3 473 106 -, 3 475 653 î 3 478 352 et 3 489 920. Un ou plusieurs de ces appareils peuvent être utilisés comme détecteurs de défauts 22. Le modèle de détecteur de dé-20 fauts n'est pas imposé en ce qui concerne l'invention et on peut employer un détecteur de défauts classique. Le dispositif 56 de manoeuvre des.contacts du connecteur et ses contacts 24 sont du type rencontré dans un disjoncteur classique,tél celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Améri-25 que N° 3 268 687 fonctionnant dans l'hexafluorure dé" .soufre SFg pour porter les tensions d'are à une valeur suffisante. Les conditions imposées sont les.suivantes : les contacts 24 du connecteur doivent être capables de supporter 1000 A quand ils sont fermés (le courant maximal dans le cas du circuit à courant con-30 tinu décrit à titre d'exemple dans le présent mémoire descriptif) et de résister,sans devenir conducteurs,à la surtension du circuit. A titre d'exemple, cette surtension est choisie, égale à 1,7 fois la tension, normale du circuit. Si la tension normale du circuit est de 200 kV, cette surtension peut avoir une va-35 leur de 340 kV selon cet. exemple. Par conséquent, quand ils sont ouverts et désionisés, les contacts 24 du connecteur doivent pouvoir résister à une tension continue appliquée de 340 kV. L'interrupteur électronique 40 peut être un interrupteur à champs croisés ou un interrupteur à cathode en métal liquide-, tous deux 71 20989 2C94171 décrite en détail dans le brevet des Etats - Unis d'Amérique N° 3.534.226» Cet interrupteur électronique 40 .doit satisfaire à la condition ci-après : il. doit.- être conducteur quand la tension appliquée entre ses bornes est comprise entre 5 une tension assez faible et une tension supérieure à la -tension nominale du circuit. Dans le cas présent, il doit être conducteur pour toute tension appliquée entre ses bornes, comprise entre sa chute de tension propre minimale et au moins 220 000 V, comme 1* indique la figure 3. 10 En ce qui concerne la conduction, il doit pouvoir laisser passer quatre fois le courant normal du circuit. Dans l'exemple du présent mémoire descriptif, le courant maximal choisi est limité à quatre fois le courant normal, ce qui est compatible avec des surtensions égales à 1,7 fois la tension normale et une in-15 ductance du réseau de 0,5 H. Par conséquent, l'interrupteur électronique 40 doit pouvoir supporter jusqu'à 4 000 A. De plus, l'interrupteur électronique 40 doit pouvoir couper un courant de cette intensité. Pour obtenir un fonctionnement satisfaisant pour le circuit dudit exemple, l'augmentation de la 20 tension en fonction du temps à laquelle peut résister l'interrupteur 40 doit être d'au moins 1»0 ic\T par microseconde. l'interrupteur à champs croisés et l'interrupteur à cathode en métal liquide du brevet précité donne des résultats satisfaisanto^our cette application. Evidemment, l'interrupteur électronique 40 25 peut comporter un ou plusieurs interrupteurs électroniques branchés en série, du type décrit dans ledit brevet î pour obtenir la tension d'isolement nécessaire pour pouvoir effectuer cette coupure, les caractéristiques des interrupteurs électroniques du type industriel.doivent être celles indiquées ci-dessus. 30 Le dispositif 58 de commande dé l'interrupteur électroni que est relié à l'interrupteur 40 pour commander ses ouvertures et ses fermetures. Comme l'indique le brevet des Etats-TJhis d 'Amérique N°3.534.226 précité , la fermeture et l'ouverture des interrupteurs électroniques peuvent être commandées. 35 Les contacts 42 du premier interrupteur programmé et son dispositif de manoeuvre 60 sont des disjoncteurs du type représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 268 687 précité mais, pour la présente application, un disjoncteur ayant une vitesse de fonctionnement aussi grande n'est, pas nécessaire. 40 Les contacts doivent pouvoir résister à 340 kV quand ils sont 71 20989 7 2C94171 ouverts et doivent pouvoir laisser passer au maximum 3200 A quand ils sont fermés. Le second interrupteur à programme, avec un contact 46 et un dispositif de commande 62, est identique au premier interrupteur à programme. Ces interrupteurs répartissent le cou-5 rant maximal de 4 000 A, au prorata des valeurs ohmiques de leurs résistances série 44 et 48. Les résistances série 44 et 48 représentéesfeont des résistances non linéaires qui sont à préférer, étant donné qu'avec des résistances non linéaires, le disjoncteur 12 selon l'inven-10 tion peut réaliser la coupure du circuit de l'exemple avec seulement le premier et le second interrupteur » programmé 42 et 46. Si l'on utilisait des résistances linéaires à la place des résistances non linéaires 44 et 48, il faudrait au moins trois interrupteurs programmés. Les résistances série 44 et 48 sont 15 des résistances au carbure de silicium. Ces résistances répartissent le courant maximal entre les contacts 42 et 46 sur la base de 2700 et 1300 A respectivement. Le condensateur 52 absorbant les surtensions est du type classique à huile et sa valeur est d'environ 2,0 microfarads dans 20 le présent exemple. Il peut résister à la tension de 340 kV pour bloquer la surtension finale. Sa résistance^âe suppression des surtensions a une valeur ohmique de 170 ohms et peut supporter 700 A lors de la suppression d'une surtension. Lorsque le circuit 10 fonctionne normalement, la source de 25 courant 18 débite un courant de 1000 A à travers l'inductance 20, le détecteur de défauts 22, les contacts fermés 24 du connecteur et dans la charge 26. La différence de potentiel nominale aux bornes de la charge est de 200 kV. Dans ces conditions, les contacts 42 et 46 des premier et second interrupteurs pro-30 grammés sont fermés. De plus, l'interrupteur électronique 40 est en régime d'attente si bien que, quand une tension lui est appliquée, il devient conducteur. Cet état de choses est représenté sur les figures 2 et 3» entre l'origine et l'instant a porté en abscisses. 35 A cet instant, un défaut représenté par la fermeture d'un interrupteur 34 apparaît et court-circuite les lignes 28 et 30. Ce défaut abaisse la tension à environ zéro et provoque une augmentation du courant qui est limitée par l'inductance 20. Le courant augmente à raison de 400 A/ta 3, comme indiqué ci-40 dessus. Le détecteur 22 mesure l'augmentation ou la vitesse 71 20989 8 2094171 à1 augmentation du courant, ou encore la diminution ou la vitesse de diminution de la tension entre les barres omnibus ou une combinaison de ces grandeurs pour établir si un défaut s'est produit. Cette détermination se produit à l'instant représenté par 5 sur l'axe des abscisses des représentations graphiques des figures 2 et 3. le résultat de cette mesure par le détecteur 22 agit sur l'ensemble de commande 54 qui ordonne au dispositif de manoeuvre 56 d'ouvrir les contacts 24 du connecteur. Ces contacts s'ouvrent et, lorsqu'ils s'ouvrent, un arc jaillit et une diffé-10 rence de potentiel apparaît entre eux. L'interrupteur électronique 40 est dans sa position d'attente dans laquelle il est prêt à devenir conducteur dès qu'une tension suffisante est appliquée à ses bornes. L'ouverture des contacts 24 et la tension aux bornes de l'arc fournissent cette tension suffisante pour 15 rendre conducteur 1'interrupteur électronique 40. Dans le cas d'un seul tube à champs croisés conduisant un courant ayant l'intensité indiquée, une différence de potentiel appropriée est 500 V. lia tension aux bornes de l'interrupteur électronique est représentée entre les points b et ç de l'axe des abscisses 20 de la figure 3. La chute de tension provoquée par un interrupteur à arc et métal liquide doit être un peu plus faible. Etant donné que le courant augmente pendant l'intervalle a à c, cet intervalle de temps doit être réduit au minimum, On emploie par conséquent un détecteur à réponse rapide commandant 25 des contacts ayant un.temps d'ouverture minimal. L'interrupteur électronique 40 reste conducteur pendant tin intervalle de temps suffisant, de b à es, pour permettre aux contacts 24 du connecteur de s'ouvrir complètement et de se désioniser de manière qu'ils puissent résister à la tension maximale de 340 kV qui 30 leur est appliquée. Pour le connecteur 24 ci-dessus, l'intervalle de temps entre b et c est compris entre là 5 ms. A l'instant ç, l'ensemble de commande 54 donne 1'ordre au dispositif de manoeuvre 58 de l'interrupteur électronique d'ouvrir l'interrupteur électronique 40. Ceci provoque une sur-35 tension au point c étant donné que tout le courant doit passer à travers les contacts 42 et 46 des premier et second interrupteurs programmés en parallèle, et leurs résistances correspondantes. La valeur ohmique de ces résistances est telle qu'elle provoque une diminution du courant entre l'instant £ et l'ins-40 tant d. 71 20989 2094171 Pendant ce temps, la différence de potentiel ne varie pas proportionnellement au courant étant donné les caractéristiques non linéaires des résistances 44 et 48. On obtiendrait théoriquement l'absorption maximale d'énergie dans le temps le plus 5 court si le sommet de la courbe des tensions était horizontal. Cependant, la forme de courbe représentée, est la pxus satisfaisante possible avec les appareils actuels. Quand la tension et le courant ont diminué jusqu'à.une valeur telle que les contacts 42.du premier interrupteur à programme peuvent être ou-10 verts sans élever la tension au-delà des 340 kT admissibles, l'ensemble de commande 54 provoque l'ouverture des contacts du premier interrupteur programmé et rend à nouveau conducteur l'interrupteur électronique 40 pendant un- court intervalle de temps. Puisque l'intervalle entre les contacte est désionisé, il subsis-15 te seulement la faible différence de potentiel aux bornes de l'interrupteur 40 électronique conducteur et l'arc s'éteint rapidement. Dès que l'interrupteur électronique commence à conduire, un courant cesse de circuler dans l'interrupteur 42. Pendant ce temps, le circuit 10 est à nouveau presque parfaitement court-20 circuité, si bien que le courant augmente légèrement à l'instant d, (figure 2). La durée de la conduction de l'interrupteur 40 est courte, de l'ordre de 1 ms, si bien que l'intensité du courant augmente seulement légèrement. Dès que les contacts 42 du premier interrupteur program-25 mé sont complètement ouverts pour résister à la surtension, l'ensemble de commande 54 rend à nouveau 1'interrupteur électronique 40 non conducteur, pour ramener la tension à sa valeur maximale, comme représenté à l'instant d sur la figure 3. Le courant doit forcément passer à travers la résistance 46 et les 30 contacts 46 du second interrupteur programmé. Pendant cet intervalle de temps d à e, le courant est réduit à un point tel qu'il peut être absorbé par le condensateur 52 associé à sa résistance 50 de suppression des surintensités. Cette absorption se produit à l'instant e_, puis l'ensemble de commande 54 provoque 35 l'ouverture des contacts 46 du second interrupteur programmé et rend conducteur pendant un court instant 1'interrupteur électronique 40. Lorsque les contacts 46 sont désionisés, l'interrupteur électronique 40 cesse à nouveau d'être conducteur grâce à l'action de l'ensemble 54 de commande et le reste de la surin-40 tensité du réseau est dirigé sur le condensateur 52 et la résis .71 20989 10 2094171 tance 50 destinée à supprimer les surtensions. Le courant a été ramené à zéro et la tension appliquée entre les barres omnibus est égale à la tension nominale de la source 18 (figures 2 et 3). Le disjoncteur 12 peut être employé, comme interrupteur principal 5 pour couper les barres omnibus à leurs extrémités "source" et/ou à leurs extrémités "charge". De plus, il peut être utilisé comme interrupteur pour une ligne en dérivation sur une ligne de transport d'énergie. Par conséquent, le disjoncteur 12 est une application particulière d'un interrupteur d'emploi plus général. 10 II va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre indicatif mais.nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. % 71 2098*5 11 2094171 REVENDICATIONS 1°) - Interrupteur pour circuit à courant continu, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne électrique à courant continu et un connecteur, des contacts intercalés dans ladite ligne à 5 courant continu pour la couper, un interrupteur électronique branché en parallèle sur lesdits contacts du connecteur, un montage en série de contacts d'un premier interrupteur à ouverture programmée, ou interrupteur programmé, et d'une première résistance branchée en parallèle sur lesdits contacts du connecteur, 10 un montage en série de contacts d'un second interrupteur à ouverture programmée et d'une seconde résistance, branchée en parallèle sur lesdits contacts du connecteur et un dispositif de commande destiné à manoeuvrer lesdits contacts du connecteur, ledit interrupteur électronique, lesdits contacts du premier interrup-15 teur programmé et lesdits contacts du second interrupteur programmé, de manière que lesdits contacts s'ouvrent suivant un programme et que ledit interrupteur électronique soit rendu conducteur afin qu'il arrête le passage du courant par lesdits contacts et qu'il permette leur désionisation. 20 2°) - Interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde résistances en série avec lesdits contacts des premier et second interrupteurs programmés respectivement sont des résistances non linéaires. 3°) - Interrupteur selon la revendication 2, caractérisé 25 en ce qu'un montage en série d'un condensateur et d'une résistance de suppression des surtensions est branché en parallèle sur lesdits contacts du connecteur afin d'absorber le courant lors de l'ouverture de l'interrupteur électronique. 4°) - Interrupteur selon la revendication 3, caractérisé 30 en ce que lesdits condensateur et résistance de suppression des surtensions-branchés en série- sont montés en parallèle sur lesdits contacts du second interrupteur à programme. 5°) - Interrupteur selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé en ce qu'un détecteur de défauts est relié à ladite 35 ligne à courant continu pour y détecter les défauts, ledit détecteur de défauts étant relié audit dispositif de commande afin qu'après la détection d'un défaut dans ladite ligne à courant continu, ledit dispositif de commande provoque l'ouverture du-dit interrupteur. 40 6°) - Interrupteur selon la revendication 5% caractérisé 71 20989 12 2094171 en ce que ledit interrupteur électronique est un tube interrupteur à champs croisés. 7°) - Interrupteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit interrupteur de liquide est un tube à cathode de 5 métal liquide.