Brevet FR2186654A1 — publié le 19740111

L'invention concerne les essais synthétiques de disjoncteurs électriques. On sait qu'on désigne par le terme "essai synthétique" un essai dans lequel on reproduit ou simule les conditions de fonctionnement en service du disjoncteur en alimentant celui-ci à partir de sources distinctes de courant et de tension, la première destinée à faire passer jusqu'â coupure effective un courant de charge dans le disjoncteur, et la seconde destinée à simuler la tension transitoire de rétablissement. Cette dernière source comporte en général un banc de condensateurs pour stocker l'énergie nécessaire à son fonctionnement. Dans les réseaux électriques fonctionnant à une tension inférieure à 100 KV, la variation dans le temps de la tension transitoire de rétahlissement peut gnéralement être assimilee à une fbncffsn périodique à une seule fréquence. Cette approximation est également valable pour les réseaux dont la tension est supérieure à 100 gV, mais uniquement pour des courants de court-circuit faibles par rapport au courant maximal. Il existe divers montages permettant de simuler avec une bonne approximation les conditions de fonctionnement dans de tels cas. On connatt notamment les montages dits "Weil-Dobke" et "Nashatyr-Eaplan". Par contre, dans le cas d'un réseau à tension supérieure à 100 KV et lorsque le courant de court-circuit est élevé, on ne peut plus assimiler la variation de la tension transitoire de rétablissement à une fonction dont la courbe représentative a une seule fréquence et dont l'enveloppe est constituée de deux segmat;s de droite. La présente invention vise à fournir une installation perfectionnée d'essais de disjoncteurs, notamment haute tension, permettant de réaliser des essais synthétiques en court-circuit même pour des tensions largement supérieures à 100 KV et ce en ne mettant en oeuvre que des moyens matériels simples. Dans ce but, l'invention propose une installation comprenant, en série avec le disjoncteur, une source de tension et uneinductance et, en parallèle sur le disjoncteur, un premier circuit série comportant une résistance et une capacité, installation caractérisée notamment par un second circuit série, placé en parallèle sur le premier et, comprenant une résistance, une capacité et une inductance, les valeurs des impédances de l'installation étant telles qu'une tension de rétablissement comportant deux oscillations superposées à des fréquences différentes appa raisse aux bornes du disjoncteur lorsque, celui-ci étant ouvert,la source de tension (condensateurs de stockage préalablement chargés en général) est mise en circuit. Les inventeurs ont constaté que, pour des valeurs appropriées des diverses reactances, la tension de rétablissement créée par le réseau à double maille ainsi constitué, tension résultant de la superposition de deux fréquences différentes, fournissait une reps sentation suffisamment approchée des tensions de rétablissement reelle. En particulier, il est possible, une fois fixees trois droites dont on peut considérer quelles délimitent un polygone enveloppe de toutes les courbes de rétablissement correspondant aux conditions de coupure à remplir, de déterminer des valeurs d'impédances telles que la courbe représentative de la variation dans le temps de la tension de rétablissement soit tangente à ces droites. L'installation peut évidemment être complétée par le circuit de courant classique, comprenant une source d'alimentation convenable (transformateur en général) placée en série avec le disjoncteur à essayer par l'intermédiaire d'un disjoncteur auxiliaire, source qui doit simplement fournir un courant à une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une installation qui constitue un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, et dela comparaison qui en est faite avec les systèmes antérieurs. La description se refère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un diagramme montrant une courbe typique de variF tion dans le temps de la tension transitoire de rétablissement aux bornes d'un disjoncteur dans un réseau de tension inférieure à 100 KV, à partir de la coupure du courant - la figure 2, similaire à la figure 1, montre la variation de la tension transitoire de rétablissement dans le cas d'un réseau de tension supérieure à 100 KV et pour un courant de courticircuit représentant une fraction élevée du courant maximal la figure 3 est un schéma de principe de l'installation permettant de réaliser la courbe de variation illustrée en figure 2 - la figure 4 donne une matrice de détermination des valeurs des réactances du schéma de la figure 3 - la figure 5 estunschémadeprinciped'une installation d'essais de disjoncteurs sur défaut en ligne réalisé par modification simple de celui de la figure 3. Avant de passer à une description de l'invention, il peut être utile de rappeler quelques définitions et indications géné rales sur le processus de coupure d'un circuit par un disjoncteur haute tension. On sait qu'un disjoncteur est un interrupteur à grand pouvoir de coupure, muni d'un dispositif de commande automatique dans le sens de l'ouverture du circuit. Lors du fonctionnement d'un tel disjoncteur sur un réseau réel, le disjoncteur est soumis à une contrainte due au courant de court-circuit (ou à un courant plus faible dans le cas de défaut en ligne) et à une contrainte de tension lors du rétablissement de la tension de service. Les études ont fait apparaître que ces contraintes n'agissent sur le disjoncteur qu'avec un très court intervalle de chevauchement. Au cours d ' une première période seules , des contraintes de courant agissent sur le disjoncteur. Au cours d'une seconde période, qui commence lorsque le circuit vient d'être coupé à un passage à zéro du courant, seule une contrainte de tension agit pratiquement sur le disjoncteur. Dans les réseaux dont la tension de service est inférieure à 100 KV, la variation de la tension transitoire de rétablissement à partir de la coupure peut être assimilée à une fonction comportant une composante alternative à une seule fréquence, du genre illustré en figure 1. Sur cette figure, la forme d'onde est indiquée par la courbe 10, qui peut être définie par son enveloppe comprenant deux segments de droite successifs Il et 12, dont le second est parallèle à l'axe des temps. Cette enveloppe peut à son tour être définie par deux paramètres Uc et ?, coordonnées du point 13 où se rejoignent les segments Il et 12.Divers schémas électriques ont été réalisés et ont permis d'obtenir, lors d'esses synthétiques, une tension transitoire de rétablissement dont la courbe représentative est tangente aux segments Il et 12. Dans certains réseaux dont la tension de service est supérieure à 100 KV, la tension transitoire de rétablissement ne peut plus être définie par une enveloppe du type illustré en figure I si le courant de court-circuit est élevé. La courbe de variation présente alors en effet l'allure indiquée en 14 sur la figure 2. La tension aux bornes du disjoncteur augmente rapidement dans la partie initiale de la courbe ,puis la pente diminue notablement de sorte que la tension n'atteint sa valeur de crête qu'à l'issue d'un intervalle de temps relativement long à partir de la coupure, si on le compare à l'intervalle de temps correspondant dans le cas de la figure 1. Si la forme d'onde correspondante ne peut plus être définie par une enveloppe du type illustré en figure 1, elle peut par contre être caractérisée par une enveloppe constituée de trois segments de droite successifs 15, 16 et 17, dont le premier part de l'origine et le troisième est parallèle à l'axe des temps. Le disjoncteur en essai devra pouvoir couper dans toutes les conditions correspondant à une courbe intérieure au polygone ainsi réalisé, notamment à une courbe 14 tangente à ces trois segments. On peut de plus préciser la forme de la courbe 14 au voisinage de l'origine par le segment de droite 18 parallèle à 15 qu'elle ne dépasse pas jusqu'à une valeur U' de la tension aux bornes du disjoncteur lors du rétablissement. La courbe de rétablissement peut ainsi être définie par cinq paramètres - t1 et U1, coordonnées du point de raccordement de 15 et 16, - t2 et Uc, coordonnées du point de raccordement de 16 et 17,et; - tds abscisse à l'origine de 18. Les paramètres d'essai à respecter sont groupés dans des recommandations établies par la Commission Electrotechnique Internationale et qui fixent les temps t1 et t2 pour chaque valeur de la tension nominaie UR du réseau sur lequel est monté le disjoncteur et des relations entre les autres paramètres d'essai et les valeurs t1 et UR. Les relations généralement admises à ce jour sont les suivantes Uc = 1,4 U1 = - U1/2 td =0,02 t1 Il a été constaté qu'une courbe du type illustré en figure 2 pouvait être obtenue en superposant deux oscillations simples à une seule fréquence et, plus précisément, une onde à fréquence élevée, donnant une pente à l'origine forte, et une onde à fréquence inférieure à la précédente, mais d'amplitude supérieure. Le schéma suivant l'invention qui sera maintenant décrit en se référant à la figure 3 peut être regardé comme composé de deux mailles et fournit une telle onde de tension,résultant de la superposition de deux- oscillations à des fréquences différentes. L'installation schématisée en figure 3 montre le disjoncteur 19 en cours d'essais placé dans un montage comportant un circuit 20 d'alitato'n encourant et un circuit 21 de création de la tension de rétablissement.Le circuit d'alimentation en courant 20, qui sera par la suite appelé circuit courant pour plus de simplicité, peut être constitué par un alternateur ou un réseau 22 fournis santuncourant sinusoidal,àune fréquence de 50 Hz,alimentant un transformateur 23 dont le secondaire attaque les bornes du disjoncteur 19 en essai, un disjoncteur auxIliaire 24 étant interposé sur le circuit. il est important à ce stade de noter que le circuit 21 réalisé pour fournir la tension de rétablissement n'interfère absolument pas avec celui 20 destiné à fournir le courant,. ce qui permet d'essayer le disjoncteur dans des conditions représentatives enlui fournissant un courant alternatif sinusoidal. Le courant injecté le circuit 21 est sinusoïdal son amplitude est dans un rapport avec le courant de court-circuit qui est simple, mais inférieur à 1, en utilisant une fréquence différente de celle du réseau (entre 250 Hz et 1000 Hz, en général, au lieu de 50 Hz ou 60 Hz). L'amplitude et la pulsation de courant injecté sont liées aux valeurs correspondantes du courant de court-circuit par la relatif: - w .1 1 s - 50 cc où wu et et I sont les pulsation et amplitude du courant injecté, et #50 et Iccles valeurs correspondantes du courant de court-circuit. Le circuit 21 de création de la tension de rétablissement,qui sera par la suite dénommé "circuit tension" pour plus de simplicité, comporte une source, constituée généralement par un banc de condensateurs 25 représentant une capacité Cl, et une bobine 26 d'inductance L1. Une alimentation (non représentée) permet d'établir entre les armatures du condensateur 25 une différence de tension initiale appropriée VO continue. Des moyens connecteurs rapides 27, constitués par exemple par un éclateur à boules commandé, sont interposés entre l'une des armatures du condensateur et l'une des bornes de l'inductance. En parallèle sur le disjoncteur 19 est montée une première branche comprenant un premier banc de condensateurs 28 de capacité C3 et une résistance 29 de valeur R3. La partie décrite jusqu'à présent de l'installation est relativement classique. L'installation suivant l'invention comporte une seconde branche en parallèle sur la première, comprenant une résistance 30 de valeur R2, un banc de condensateurs 31 de capacité C2 et une bobine 32 d'inductance L2. A priori , on pourrait penser que chacune des branches est destinée à simuler, avec le circuit oscillant constitué par le condensateur 25 et la bobine 26, l'une des fréquences de la tension transitoire de rétablissement. En fait, la réalité est entièrement différente du fait de l'interaction entre les mailles. Les composants du schéma qui vient d'être décrit doivent être choisis de façon à fournir aux bornes du disjoncteur 19 une tension de rétablissement résultant de la superposition de deux ondes périodiques à fréquence différente.Diverses méthodes peuvent être utilisées pour déterminer les impédances qui permettent d'arriver à une courbe, répondant à des valeurs déterminées de t1 t2, td, U1 et Uc. On peut rechercher les valeurs des paramètres en effectuant une étude par tâtonnements sur modèle, mais ce mode de calcul est rendu délicat du fait que, pour la plupart des valeurs des impédances, le réseau fonctionne en système mono-fréquence amortie et qu'il ne devient bi-fréquence que dans un domaine de variation très restreint des composants. Une première solution faisant intervenir le calcul consiste à rechercher les pôles de la transformée de Laplace de l'expression t U (p), 8 Uétant la tension variable aux bornes du disjoncteur pendant la période transitoire. L'un des p8les correspond à la tension continue de repos du système, atteinte au bout d'un temps suffisant pour que 8 s'établisse le régime permanent, et il peut être négligé. il est nécessaire de donner aux composants des valeurs telles que les quatre autres pôles correspondent à deux couples de deux racines imaginaires conjuguées alors quevians la plupart des casoseules deux des racines sont imaginaires conjuguées, les autres étant réelles et négatives. Le calcul peut être mené sur calculateur analogique ou digital. Une solution plus directe consiste à résoudre le système d'équations différentielles représentant le régime d'oscillation du système sur un calculateur numérique suffisamment puissant. En utilisant les notations indiquées en figure 3 et rappelées ciaprès, on a les équations dans lesquelles i ,i ,i et i4 sont respectivement les courants circulant dans dff dffferentes branches du circuit composées res- pectivement: - du condensateur 25 et de l'inductance 26, - de la résistance 30,du condensateur 31 et de l'inductance 32, - de la résistance 29 et du condensateur 28, - du disjoncteur n essai 19. VE est la tension qui apparaît aux bornes du condensateur 25 ; R est la valeurdela résistance introduite parle disjoncteur (qi pourra en général être considérée comme infinie pendant la période transitoire de rétablissement de la tension) ; V est le potentiel de l'extrémité non à la terre des branches et du disjoncteur. En introduisant les variables auxiliaires V', V" et V"' (tensions aux bornes du condensateur 28, du condensateur 31 et de l'inductance 32) on peut écrire le système d'équations sous la forme Ce système peut encore être écrit sous une forme matricielle, qui est plus commode pour l'exploitation sur calculateur et prend alors la forme indiquée en figure 4 en supposant infinie la résistance Rd. A partir de cette matrice, Si l'on se donne la forme de la courbe de variation de la tension aux bornes du dis joncteur en fonction du temps, on peut calculer la valeur des éléments constitutifs du réseau par une méthode d'identification, suivant un programme relativement classique, qu'il n'y a pas lieu de décrire ici et pour lequel aucune protection n'est recherchée dans le cadre du présent brevet.. A titre d'exemple, on peut indiquer les valeurs des éléments d'un schéma d'essai retenu pour contraindre un disjoncteur qui doit interrompre un courant de 50 kA sur un reseau de 245 kV. U = 300 kV U = 420 kV td = 6 ps 1 c tl = 300 Ms t2 = 900 ps On a tout d'abord tracé une courbe arbitraire de tension du type illustré en figure 2, s'inscrivant dans l'enveloppe définie par les caractéristiques ci-dessus. Puis on a calculé les éléments du schéma pour un disjoncteur coupant un courant de 50 kA fourni par le circuit 20 à la fréquence de 50 Hz. Le circuit 21 fournit un courant injecté à la fréquence de 250 Hz, donc d'amplitude cinq fois moindre que le courant de court-circuit. La fréquence retenue pour l'onde de tension à grande amplitude est de 450 Hz. On a obtenu les valeurs suivantes C1 = 21,6F Z1 = 6,1à à 50 Hz Vo = 434 kVcc C2 = 1,8 F R2 Z2 = 14 a à 50 Hz C3 = 6,5pF R3 = 56 li. La courbe de tension calculéé à partir de ces éléments est extrêmement proche de la courbe fixée à l'avance. Des essais de vérification sur micro-réseau ont donné une concordance satisfaisante, avec quelques écarts essentiellement dus au fait que les valeurs réelles des élements d'un modele ne sont connus qu'avec une tolérance de l'ordre de 20 %. il doit. être tenu compte de ces tolerances pour l'affinage final des caractéristiques, d'autant plus qu'une faible variation de valeur d'un des constituants des branches en parallèle peut entrainer des variations importantes de la forme de la courbe. Les avantages de l'installation ressortant de la description qui précède, il suffira de les indiquer brièvement : sa structure est extrêmement simple puisqu'il n'exige aucun organe de coupure ou d'enclenchement rapide s'ajoutant à ceux nécessaires dans un schéma d'essai en monofréquence et à courant de court-circuit faible ; le mode de mise en oeuvre est également le même, la commande de l'éclateur à boules étant synchronisée de la même façon avec le passage à zéro du courant. Le courant injecté reste en toutes circonstances sinusoidal. La tension n'est appliquée que sur une des bornes du disjoncteur, de sorte qu'il est possible de mettre l'autre à la terre. Ce schéma permet, moyennant peu de modifications, de réaliser des essais synthétiques par la méthode dite à "injection de tension'; Il suffit simplement de ne commuter la source de tension qu'après la coupure du disjoncteur en essai. On pourra alors insérer une impédance aux bornes du disjoncteur auxiliaire 24 et modifier légèrement la valeur des éléments des branches en parallèle sur le disjoncteur en essai 19. Le mode de réalisation illustré en figure 5 montre que l'on peut aisément adapter le circuit d'essais décrit à l'obtention du circuit d'essais en défaut en ligne. Le circuit représenté sur la figure 5 diffère du circuit représenté sur la figure 3 par l'insertion de la ligne de défaut 40 entre l'une des bornes du disjoncteur et le circuit de tension 21. On peut placer la ligne soit en amont du disjoncteur 19, donc entre la borne du disjoncteur et le point commun à l'inductance 26 et aux branches de réglage de la tension, soit en aval du disjoncteur, et on prendra soin de fixer le montage à la terre, en aval de la ligne. Le disjoncteur sera soumis à deux contraintes de tension l'une, définie par les quatre paramètres et qui simule la tension transitoire de rétablissement du réseau, l'autre, oscillant en dents de scie, qui simule l'oscillation d'une ligne courtcircuitée à une extrémité. -XEVENDICAIONS- 1. Installation d'essai de disjoncteur , comprenant, en série avec le disjoncteur, une source de tension et une inductance et, en parallèle sur le disjoncteur, un premier circuit série comportant une résistance et une capacité, installation caractérisée par un second circuit série, placé en parallèle sur le premier et comprenant une résistance, une capacité et une inductance, les valeurs des impédances de l'installation étant telles qu'une tension de rétablissement comportant deux oscillations superposées à des fréquences différentes apparaisse aux bornes du disjoncteur lorsque, celui-ci étant ouvert, la source de tension est mise en circuit. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la source de tension est constituée par une batterie de condensateurs et une source de courant continu pour charger la batterie avant mise en circuit des condensateurs. 3. Installation suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'une des bornes du disjoncteur à essayer est reliée aux dits circuits et l'autre à la terre. 4. Installation suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée par des moyens de mise en circuit de la source constitués par un éclateur à boules déclenché. 5. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que les impédances ont des valeurs satisfaisant l'équation matricielle de la figure 4, dans laquelle les données sont conformes aux recommandations ou normes en matière de disjoncteurs haute tension. 6. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'injection de courant ou d'injection de tension. 7. Installation suivant la revendication l, pour essai synthétique de disjoncteur sur défaut en ligne, caractérisée en ce qu'elle comporte un tronçon de ligne court-circuité à une extré- mité, en amont ou en aval du disjoncteur en essai.