Brevet FR2098462A1 — publié le 19720310

La présente invention concerne les commutateurs électriques de puissance et les dispositifs de protection pour ces commutateurs, et plus particulièrement une combinaison à commutateurs a l'état solide (thyristors) com-5 portant un dispositif de commutation commandé à thyristors pour permettre ou pour bloquer sélectivement le passage du courant électrique d'une source h une charge ou dispositif d'utilisation et pour assurer l'isolement de la charge de la source dans le cas anormal où un thyristor de commande de com-10 mutation est hors service. Dans le domaine de la distribution et de l'utilisation de l'énergie électrique, il est courant d'utiliser des commutateurs ou des disjoncteurs pour permettre et pour interrompre le passage du courant d'utilisation par commande par un 15 circuit de commande. Ces commutateurs peuvent être avantageusement des dispositifs commutateurs à l'état solide commandés tels que des thyristors. Un redresseur commandé au silicium (SCR) est un type de thyristor couramment utilisé pour ces commutateurs. Comme les commutateurs à thyristors ne comportent 20 aucun élément mobile pour l'établissement ou l'interruption du circuit, ils sont appelés des commutateurs statiques. Les commutateurs statiques peuvent comporter des dispositifs de protection contre les surintensités qui interrompent le passage du courant d'excitation en réponse à la détection d'une surintensité d'une 25 valeur prédéterminée. Ainsi qu'il est connu, URredre?seur commandé au silicium comporte un corps en semi-conducteur ayant plusieurs couches alternées de conductivités type P et type N qui forment plusieurs jonctions redresseuses dos a dos. Le corps en semi-30 conducteur est disposé entre deux électrodes principales, l'une appelée l'anode et l'autre la cathode. Le thyristor comporte de plus un dispositif de commande d'une forme convenable (par exemple dans un redresseur commandé au silicium l'électrode de commande) utilisé pour démarrer la conduction entre l'anode et la 35 cathode. Quand un redresseur coismandé au silicium est connecté entre une source de tension et une charge, il bloque habituellement tout courant appréciable entre l'anode et la cathode jusqu'à être déclenché par un signal appliqué à l'électrode de commande 71 26237 2 2098462 quand l'anode est positive par rapport à la cathode, le redresseur passant alors brusquement à un état de- conduction à résistance relativement faible,. Quand le redresseur a été rendu conducteur, il continue à être conducteur même sans autre si-5 gnal de commande de condition tant que l'amplitude du courant est supérieure à un niveau prédéterminé de maintien. Quand l'amplitude du courant tombe en dessous de ce Mveau, le redresseur commandé au silicium repasse à un état de résistance relativement élevé, le passage du courant vers la charge étant 10 alors bloqué jusqu'à un nouveau déclenchement du redresseur. Par suite, quand un redresseur commandé au silicium est connecté à une source de courant alternatif, il cesse nécessairement d'être conducteur au passage normal du courant par zéro. Les redresseurs commandés au silicium sont 15 des commutateurs commandés unidirectionnels et par suite dans un système de distribution de courant alternatif ils sont normalement connectés sur un mode en parallèle dans des sens inverses pour former le commutateur statique afin que le circuit d'utilisation soit alimenté aussi bien par les demi-périodes 20 positives que par les demi-périodes négatives. Un circuit de commande est normalement utilisé pour fournir des signaux de commande aux redresseurs commandés au silicium afin de provoquer leur conduction. Le circuit de commande peut comporter un dispositif pour provoquer l'interruption du courant d'uti-25 lisation en réponse à la détection d'une surintensité. Ce résultat peut être obtenu en arrêtant l'envoi des signaux de déclenchement par le circuit de commande, les thyristors de puissance commençant alors à bloquer le courant d'utilisation au passage normal suivant par zéro. Il doit être noté que 30 ce mode d'interruption du courant peut permettre l'augmentation du courant de dérangement à des valeurs dangereuses pendant que le commutateur conducteur atteint son état de blocage parce que l'interruption ne peut avoir lieu qu'à l'arrivée à zéro du courant suivant la détection du cotlrant de dérangement. 35 Pour permettre l'interruption du courant en une fraction de demi-période du courant alternatif d'alimentation, un moyen doit être prévu pour provoquer la non-conduction forcée du thyristor (c'est-à-dire le retour du thyristor à son 71 26237 3 2098462 état bloquant). Le passage à la non conduction d'un thyristor de puissance conducteur est un processus appelé la commutation forcée ou simplement la commutation. Un commutateur statique comportant un dispositif de commutation pour interrompre 5 le courant d'utilisation en une fraction de demi-période à la détection d'un dérangement est appelé un commutateur limiteur de courant. Un tel commutateur limite l'amplitude du courant de dérangement à une valeur acceptable par interruption du courant de dérangement d'une façon précoce pendant sa demi-pé-10 riode (c'est-à-dire avant que ce courant atteigne une amplitude de pointe). Un circuit d'un type utile pour la commutation d'un thyristor conducteur comporte un condensateur chargé connecté en série avec un thyristor (ce thyristor étant appelé le 15 thyristor commutateur et le condensateur, le condensateur commutateur). Ce circuit est placé en shunt avec le thyristor de puissance du commutateur statique. Le thyristor commutateur est polarisé dans le môme sens que le thyristor de puissance, et il est normalement non conducteur. Le condensateur commutateur 20 est chargé à une tension prédéterminée en courant continu dans le sens opposé à la polarité du thyristor de puissance, et il est isolé decëLui-ci par Ifi thyristor commutateur non conducteur. Quand un courant de dérangement est détecté dans le système, le thyristor commutateur est déclenché par eon circuit de commande et 25 il permet la décharge du condensateur commutateur dans le sens inverse à travers la thyristor de puissance conducteur. La décharge du condensateur commutateur sert à inverser la polarisation du thyristor de puissance et a amener le courant traversant ce thyristor à une valeur inférieure à la valeur de maintien, 30 le thyristor de puissance devenant alors non conducteur (c'est-à-dire reprenant son état bloquant). Bien que les thyristors soient des dispositifs à l'état solide, et que par' suite ils soient relativement sûrs et de longue durée, ils peuvent parfois devenir défectueux. Quand 35 un thyristor est défectueux, il perd son aptitude au blocage du courant et par suite il se comporte comme un court-circuit. Dans un système de puissance comportant un commutateur statique limiteur de courant, si un thyristor commu 71 26237 4 2098462 tateur est en dérangement au moment où le thyristor de puissance associé est à l'état bloquant, le condensateur commutateur chargé est fclacé en série avec le source de courant, ce qui augmente la tension entre les conducteurs du système de la tension du 5 condensateur. Il en résulte une surcharge dé l'isolant entre les conducteurs étroitement voisins du système. Dans un système de puissance à courant alternatif triphasé non à la terre logé dans des enveloppes métalliques à la terre, la défaillance d'un thyristor de commutation peut se traduire au moment où il appa-10 raît à un dérangement à la terre dans le système (c'est-à-dire le court-circuit à la terre d'un conducteur du système) par une surcharge de l'isolant des conducteurs du système. Cela provient du fait que tous les conducteurs du système sont à proximité immédiate de l'enveloppe à la terre quand l'un des conducteurs 15 est en court~circuit avec cette enveloppe. Par suite, la tension du condensateur commutateur additionnée à la tension du système peut surcharger l'isolant entre les conducteurs voisins par l'intermédiaire du conducteur à la terre et de l'enveloppe métallique à la terre. 20 La présente invention a pour objet un circuit de protection pour un commutateur statique limiteur de courant comportant un circuit de commutation à thyristor commandé pour isoler la source d'alimentation de la charge en cas de court-circuit du thyristor commutateur. 25 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel s la figure unique est le schéma d'un circuit protecteur et d'un commutateur statique d'un circuit de puissance 30 selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. L'invention concerne ainsi un circuit protecteur pour un commutateur statique limiteur de courant connecté à une source de courant alternatif et une charge ou dispositif d'utilisation dans un système de distribution de courant électrique. 35 Le commutateur à thyristor comporte un circuit commutateur comprenant un thyristor normalement non conducteur et un condensateur associé chargé à une tension en courant continu. La conduction du commutateur statique est commandée par un circuit de 71 26237 5 2098462 commande. Le circuit de protection est adapté pour actionner (dest-à-dire pour ouvrir^ un disjoncteur auxiliaire normalement fermé et connecté en série avec le commutateur statique, si le thyristor commutateur est court-circuité. 5 Le circuit protecteur comporte un premier dis positif connecté en shunt au commutateur statique et un second dispositif agissant à l'excitation directe du premier dispositif pour faire fonctionner le disjoncteur auxiliaire. Le premier dispositif est excité quand le courant commence à passer 10 à partir du condensateur chargé à travers le thyristor court-circuité, le second dispositif actionnant alors le disjoncteur auxiliaire pour isoler la charge de la source. De préférence, le premier dispositif est un enroulement d'un relais électromagnétique et un condensateur filtre est couplé à l'enroulement 15 du relais pour supprimer le courant alternatif afin que le relais soit sensible uniquement au courant continu. La figure unique représente une source de courant triphasé 1 pour alimenter une charge ou dispositif d'utilisation 3 pour démarrer ou interrompre le passage du courant vers la 20 charge. Un disjoncteur est placé entre la source et la charge. Ce disjoncteur est appelé protecteur à système statique 2 du fait qu'il comporte un commutateur statique ou disposa l'état solide 4. . Pour copaancier la conduction du commutateur 25 statique , c'est-à-dire pour démarrer ou arrêter sa conduction, le protecteur a système statique comporte aussi un circuit de commande 6 pouvant 'être dans deux états, l'état "marche" et l'état "arrêt". Le circuit de commande 6 est disposé pour être passé de l'état "marche" à l'état "arrêt" (pour provoquer l'in-30 terruption du courant de charge par le commutateur statique 4) soit manuellement, soit par un signal produit par un dispositif d'un type convenable répondant a la détection d'un dérangement, tel que le circuit détecteur de surintensité 7. Le protecteur à système statique comporte aussi de préférence un dispositif com-35 mutateur pour provoquer la commutation forcée I grande vitesse du commutateur statique du fait de la détection d'un courant de dérangement par le circuit détecteur 7. Le commutateur statique 4 comporte un commuta 71 26237 6 2098462 teur à thyristors pour chaque phase du circuit de puissance, c'est-à-dire les phases 4a, 4b et 4c. Pour obtenir une conduction unidirectionnelle du courant de charge, chaque commutateur de phase comprend deux branches à thyristors 5 en pa-5 rallèle, les thyristors étant connectés dans des sens opposés. Les branches à thyristors 5 sont représentées avec une double électrode de commande pour indiquer symbolique-menthe chaque branche peut comporter un groupe de thyristors de grande puissance en parallèle connectés dans le même sens. 10 Le nombre de thyristors de chaque branche dépend de la capacité de passage de courant désiré pour le commutateur. Bien entendu, il doit être compris que chaque branche 5 peut comporter un seul thyristor de puissance, si cela est désiré. Pour former un commutateur pour des tensions supérieures, des thyristors sup-15 plémentaires peuvent être connectés en série avec ceux représentés, si cela est nécessaire. Quand le circuit de commande 6 est à l'état "marche", il produit des signaux de commande convenables pour le thyristor formant le commutateur 4 afin que ce commutateur 20 soit rendu conducteur pour que le courant de charge puisse passer de la source 1 à la charge 3. Quand le circuit d» commande est à l'état "arrêt", il ne produit aucun signal de commande pour les thyristors du commutateur . Par suite, quand le circuit de commande 6 est à l'état arrêt, le commutateur statique 4 blo-25 que le passage du courant de charge. Chaque commutateur de phase du protecteur à système ststique est équipé d'un dispositif pour forcer rapidement la non-conduction de tous les thyristors de puissance conducteurs en réponse à la détection d'un dérangement dans cette 30 phase. Ce dispositif comporte une paire de circuits commutateurs 8, chacun de ces circuits étant connecté en shunt dans une branche à thyristors correspondante du commutateur de la phase. Chaque circuit commutateur 8 comporte un thyristor commutateur 9 normalement non conducteur et un condensateur commutateur 10 35 connecté en série. Le condensateur 10 est chargé à une tension en courant continu dont la polarité es$ représentée sur la figure. Un mode de charge préalable tel que celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n°3.098.949, peut être uti 71 26237 7 2098462 lisé si désiré. Une fois chargé, le condensateur est disposé pour provoquer la commutation du transistor de puissance associé quand cela est (nécessaire. Si un courant de dérangement d'une amplitude 5 prédéterminée commence à circuler, le circuit détecteur de surintensité 7 fonctionne, et il produit immédiatement un signal "arrêt" pour le circuit de commande & A la réception du signal "arrêt", le circuit de commande 6 cesse d'envoyer les signaux de commande aux branches à thyristor de puissance 5. En même 10 temps, le circuit de commande 6 commence à envoyer des signaux de commande aux thyristors commutateurs normalement non conducteurs 9 pour provoquer leur conduction. Quand un thyristor commutateur 9 commence à êtrecônducteur, le condensateur commutateur chargé associé 10 commence à se décharger à travers la branche à 15 thyristors 5 associée dans le sens inverse (c'est-à-dire de la cathode à l'anode), ce qui provoque la non-conduction de la branche à thyristors conducteurs 5. La séquencé d'événements décrite ci-dessus peut avoir lieu en quelques microsecondes à partir de l'instant 20 où un dérangement d'une amplitude prédéterminée est détecté. Par suite, le courant de dérangement pouvant passer peut être limité à une valeur acceptable (c'est-à-dire bien en dessous de l'a^plitude~dè^?t^n±_de^ointe de dérangement possible), en raison de la réponse rapide du protecteur à système statique. 25 L'appareil représenté sous la forme d'un système triphasé non à la terre est logé d'une façon classique bien connue sur un bâti ____ôu-TJâ^îsnine~Tjnnoire (non représenté )^dë préférence connecté^à___ la terre pour la sécurité du personnel^ Tous—Iês—eircuits de distribution du courant et autres éléments sous tension repré-30 s entés de l'appareil commutateur sont, dans la pratique, montés dans une armoire sur des isolateurs convenables d'une façon courante. En cas de dérangement d'un thyristor commutateur shuntant une branche à thyristors de puissance non conducteurs (c'est-à-dire quand le thyristor commutateur est en court-circuit), le 35 condensateur commutateur associé est placé en série entre la source de courant et la charge aux bornes de la branche à thyristors non conducteurs, de aorte que la tension en courant continu à laquelle le condensateur a été chargé est additionnée à la V 71 26237 s 2098462 tension normale de la source de courant. Si à ce moment l'un des conducteurs des phases est court-circuité à la terre (cette condition étant appelée un dérangement' à la terre), la somme de la tension du condensateur commutateur et de la tension 5 de la source apparaît sur les côtés opposés de l'isolant entre l'armoire à la terre et un conducteur de phase sous tension non à la terre. L'apparition de cette tension d'addition peut surcharger l'isolant entre ce conducteur et l'armoire. Cette situation peut être mieux comprise en 10 considérant la figure unique et les hypothèses suivantes données à titre d'exemple : (1) le commutateur statique 4 est à l'état "arrêt", (2) le thyristor commutateur 9 du commutateur 4a se comporte en court-circuit, (3) le conducteur de la phase A est court-circuité à la terre en un point.X et (£) la phase B est 15 sous-tension. Dans ces conditions, la tension entre le point X et un point Y (c'est-à-dire un point sur le conducteur de la phase B) est égale à la somme de la tension Vg de la source et de la tension V du condensateur commutateur. Du fait que les c conducteurs des phases sont très voisins de l'équipement à la 20 terre de l'armoire un certain nombre d'endroits, par exemple aux enroulements du transformateur triphasé de la source de courant qui peuvent être très voisins de l'armoire dans laquelle est logé le transformateur, la tension entre la phase B et la phase A à la terre apparaît nécessairement entre les côtés oppo- 25 sés de l'isolant séparant l'armoire du conducteur de la phase B. Quand cette tension V_ du condensateur commutateur est addition- c née à la tension normale de la source, elle peut être suffisante pour surcharger l'isolant situé entre le conducteur de la phase B et l'armoire. 30 II doit être remarqué que, même en l'absence de dérangement à la terre, si la tension Vc du condensateur est appliquée au système par un thyristor commutateur en court-circuit, elle augmente encore la tension entre les phases du système. Cette condition peut provoquer une surcharge de l'isolant entre 35 ces phases quand les conducteurs sont étroitement voisins. Pour réduire, si ce n'est pour empêcher le risque de surcharge de l'isolant d'un conducteur dans le cas anormal de défaillance d'un thyristor commutateur, un circuit protecteur 71 26237 9 2098462 11 est utilisé conformément à l'invention pour isoler le circuit de charge de la source d'alimentation en réponse à la détection du dérangement du thyristor. Plus particulièrement, ce circuit protecteur est adapté pour démarrer l'ouverture 5 d'un commutateur auxiliaire normalement fermé ou disjoncteur auxiliaire avec réponse rapide à la détection d'un thyristor commutateur en court-circuit. Le disjoncteur auxiliaire 12 est connecté dans le système de puissance, ainsi que le montre la figure 10 unique. Le disjoncteur 12 comporte une paire de contacts principaux normalement fermés pour chacune des trois phases du système, c'est-à-dire des paires de contacts 12a, 12b et 12c.-Le disjoncteur auxiliaire 12 comporte aussi un mécanisme de commande non représenté qui, lorsqu'il est excité, provoque 15 l'ouverture des contacts principaux 12a, 12b et 12c. Quand ces contacts principaux sont ouverts, la charge 3 est isolée de la source de courant 1 . Le circuit de protection 11 comporte de préférence un relais à action rapide pour exciter le mécanisme de 20 commande 12 du disjoncteur auxiliaire. Un enroulement de relais 13 est connecté en parallèle aux bornes de chaque commutateur de phase 4a, 4b et 4c. Un condensateur filtre 15 est connecté en parallèle avec l'enroulement 13 et une résistance de limitation de courant 14 est connectée en série avec l'enroulement 13. Le 25 condensateur 15 est utilisé de façon que tout courant alternatif devant normalement passer à travers le circuit de protection 11 quand le disjoncteur 12 est fermé et le commutateur statique 4 n'est pas conducteur de courant de charge, soit shunté par rapport à l'enroulement 13 afin que pendant le fonctionnement normal 30 du commutateur , cet enroulement ne soit pas excité. Dans le cas anormal de dérangement d'un thyristor commutateur , le condensateur commutateur chargé associé commence à se décharger en courant continu à travers le thyristor en dérangement et l'enroulement 13 du relais. Quand l*enrou-35 lement 13 est excité par ce courant continu, les contacts dû relais provoquent le fonctionnement du mécanisme 12 du disjoncteur auxiliaire, de la façon indiquée schématiquement par la ligne en traits mixtes 16* Quand l'enroulement du disjoncteur 71 26237 10 2098462 auxiliaire a été ainsi actionné, les contacts 12a, 12b et 12c du disjoncteur sont ouverts. Bien entendu, 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. 71 26237 u 2098462 REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection pour un système de puissance à courant alternatif comportant un commutateur 5 à thyristors pour le passage du courant de charge entre une source d'alimentation et une charge, un circuit de commande pour démarrer de façon commandée la conduction du commutateur â thyristor, un circuit de commutation couplé au commutateur a thyristor et agissant sélectivement pour mettre fin rapide» 10 ment à la conduction du commutateur à thyristor, ce circuit commutateur comportant un dispositif pour bloquer normalement le passage du courant a travers ce circuit et un commutateur auxiliaire normalement conducteur connecté en série avec le commutateur â thyristor, caractérisé en ce que le dispositif de 15 protection #st couplé au circuit commutateur et au commutateur auxiliaire, le dispositif protecteur agissant pour provoquât la non-conduction du commutateur auxiliaire en réponse au passage d'un courant à travers le circuit commutateur et pour a ssurer que la charge soit isolée électriquement de la source de courant. 20 2. Dispositif de protection selon la revendi cation 1, caractérisé en ce que le circuit commutateur comprend un thyristor et un condensateur en série et le dispositif de protection comprend un relais ayant un premier dispositif combiné pour être excité du fait du passage d'un courant dans le circuit 25 commutateur et un second dispositif répondant a l'excitation du premier dispositif en provoquant la non-conduction du commutateur auxiliaire. 3. Dispositif protecteur pour un système de puissance à courant alternatif comportant un commutateur à thy-30 ristors pour le passage du courant entre une source d'alimenta~ tion en courant alternatif et une charge, un circuit de commande pour provoquer de façon commandée la conduction du commutateur à thyristors, un circuit de commutation connecté en parallèle avec le commutateur a thyristors et fonctionnant sélectivement 35 pour mettre fin rapidement a la conduction du commutateur à thyristors en réponse à la détection d'un courant de charge anormal, le circuit commutateur comportant lethyristor commutateur en 71 26237 12 2098462 série avec le condensateur chargé à une tension déterminée en courant continu, et un commutateur auxiliaire normalement conducteur en série avec le commutateur à thyristors, caractérisé en ce que le dispositif de protection est couplé au S circuit commutateur et au commutateur auxiliaire, le dispositif protecteur agissant pour provoquer la non-conduction du commutateur auxiliaire en réponse au passage d'un courant dans le circuit commutateur pour que la charge soit isolée électriquement de la source de courant et le dispositif protecteur 10 comportant un circuit à relais shuhtant le circuit commutateur, le relais pouvant être excité, et un filtre pour faire passer le courant alternatif en by-pass autour du relais afin que le relais soit sensible seulement au courant continu.