Brevet FR2448782A1 — publié le 19800905

Dispositif coupe-circuit permettant d'éliminer les surtensions apparaissant au moment de sa fermeture, et procédé de mise en oeuvre. La présente invention concerne un dispositif coupecircuit destiné à être employé dans un système de transport d'énergie électrique de haute tension permettant de supprimer efficacement les surtensions apparaissant au moment de la fermeture du coupe-circuit. Alors que la demande en énergie électrique augmente la construction de centrales électriques dans les banlieues des villes rencontre diverses difficultés, telles que celles liées à la pollution et celles qu'ily a a trouver des terrains pour la construction, de sorte qu'apparaît la tendance à construire les nouvelles centrales en des lieux de plus en plus éloignés des villes.Ceci entraîne que le transport sur des distances croissantes doitêtreassuré par des lignes de transport d'élec- tri cité servants amener l'énergie électrique des centrales aux villes, ta longueur d'une ligne de transport d'électricité est étroitement liée au rendement de ce transport ; plus la longueur est grande, plus les pertes résistives dans la ligne sont importantes et moins le rendement du transport est élevé. Une des mesures permettant d'accroître le rendement du transport consiste a augmenter la puissance délivrée par la ligne pour un même courant en augmentant la tension de transport sur cette ligne.Si l'on désigne par V la tension de transport, par I le courant de-transport et R la résistance de la ligne, la puissance transportée PT et la puissance perdue PL dans la ligne sont respectivement données par les relations de proportionalité suivantes PT Ç VI-PL PL Y I R. Pour le transport de l'énergie électrique sous haute tension auquel il a été fait allusion ci-dessus, l'isolation des lignes et des équipements de transport rencontrent divers problèmes. Pour obtenir une distance d'isolation suffisante, il est souvent nécessaire de faire appel à des pylônes très élevés et à des appareillages massifs. En particulier, la tension de rupture diélectrique de l'air a tendance a n'augmenter avec la longueur de séparation entre éléments conducteurs que jusqu'a une longueur fixe, pour laquelle il y a saturation et cessation de l'augmentation. Ainsi, il faut, pour le transport de 1 ténergie électrique de haute tension, une distance d d'iso- lation plus grande que dans le cas du transport d'électricité classique. Les surtensions appliquées aux appareillages du système de transport d'électricité en plus de la tension alternative normale comprennent les pointes de tension dues à la foudre, les pointes de tension se produisant au moment de l'ouverture et de la fermeture des interrupteurs et des coupe-circuit, et les tensions anormales continues. Dans le transport de l'électricité sous haute tension, il est nécessaire de limiter la valeur maximale de ces surtensions a une valeur aussi petite que possible. Le rapport de la surtension à la valeur de pic de la tension de transport est ordinairement appelée coefficient multiplicatif de surtension.Un des procédés pour limiter ce coefficient à une valeur réduite consiste à utiliser un parafoudre, et ce dispositif a été utilisé jusqu 1ici pour réduire les ondes a front raide dues à la foudre. En ce qui concerne les surtensions anormales continues et les pointes de tension apparaissant au moment de l'ouverture et de la fermeture des interrupteurs et des coupe-circuit, la technique antérieure a étudié les mécanismes responsables de ces surtensions pour les supprimer. Par exemple, pour le cas des surtensions anormales continuels, les dispositifs ont été construits et utilisés de façon appropriée à la satisfaction de cette nécessité, Si l'on considère les pointes de tension apparaissant au moment de la fermeture et de l'ouverture des coupe-circuit, la pointe de tension correspondant a l'établissement du courant et apparaissant lorsqu'on ferme un coupe-circuit connecté à la ligne est très importante. On peut analyser les mécanismes responsables de cette pointe de tension de fermeture au moyen du circuit monophasé présenté sur la figure 1. Comme le montre la figure 1, une source électrique 1 de courant alternatif est à la terre par une de ses bornes et est connectée, par son autre borne, via une inductance 2 relative la source électrique, à une borne d'un coupe-circuit 3, dont l'autre borne est connectée via une ligne 4 de transport d'électricité à une borne 5 de charge. Dans ce cas, lorsqu'on ferme le coupe-circuit 3, la différence de tension (v ~ve) entre la tension v du côté source du coupe-circuit 3 et la tension ve du côté charge se propage sous la forme d'une onde progressive le long de la Ligne 4, comme cela est indiqué dans la partie a de la figure 2. L'onde progressive est réfléchie au niveau de l'extrémité du côté charge de sorte qu'elle apparaît sous la forme d'une onde ayant un niveau de tension double du niveau initial, comme cela est présenté sur la partie b de la figure 2, cette onde étant réfléchie au niveau de l'extrémité du côté source pour prendre alors la forme d'une onde ayant un niveau de tension triple du niveau initial, comme cela est présenté sur la partie c de la figure 2. A ce moment, une impulsion P1 se superpose au niveau de tension triple sous l'influence de l'inductance 2 de la source électrique.Lorsque la tension résultante a été transportée jusqu'à l'extrémité charge 5 et s'y est réfléchie, une tension très élevée dont le niveau vaut 4 fois le niveau initial plus l'impulsion P1 est appliquée à la ligne 4. Pour limiter cette pointe de tension de fermeture, qui est produite par le mécanisme indiqué ci-dessus au moment de la fermeture d'un coupe-circuit, la technique antérieure a songé à limiter la différence de tension (v -v), existant entre le côté source et le côté charge au moment de la fermeture du coupe-circuit 3, à une valeur faible ou bien à ramener l'onde progressive a un niveau bas. Le premier procédé, connu sous le nom de procédé de fermeture synchrone, consiste à fermer le coupe-circuit à l'instant ou la tension de la source passe par la valeur nulle afin de maintenir la valeur maximale de la différence de tension (v -vg) dans les limites de la valeur maximale de la charge piégée dans la ligne. Quant au deuxième procédé, il consiste à utiliser un dispositif de connexion à une résistance, dans lequel le coupe-circuit est fermé par l'intermédiaire d'un résistance de façon à ainsi limiter le niveau de tonde progressive. Si l'on désigne la valeur de la résistance par R, 1 'impé- dance de surtension de la ligne par r, et la différence de tension (v5-) existant entre le côté source et le côté charge du coupecircuit par E, la tension ET de l'onde progressive est donnée par la formule suivante ET = E r/(R+ r). Lorsqu'on utilise une combinaison du dispositif de connexion à une résistance et du dispositif à fermeture synchrone, on peut limiter dans une certaine mesure la surtension de fermeture, comme le montre l'étude présentée ci-dessus. Toutefois, dans le cas du dispositif à connexion à une résistance, il apparaît également une pointe de tension au moment du shunt de la résistance. Ainsi, il se révèle difficile de limiter effectivement la pointe de tension à un niveau faible. Néanmoins, les conditions d'isolation, en particulier dans le cas d'un transport d'énergie sous très haute tension, pour une tension de transport de 1000 kV par exemple, imposent que le coefficient multiplicatif de surtension relatif aux surtensions d'ouverture et de fermeture soit limité à une valeur faible de l'ordre de 1,5 à 1,7.Par conséquent, le besoin se fait sentir de l'existance d'un coupe-circuit d'un modèle nouveau qui se distingue de celui de la technique antérieure et qui possède une fonction efficace de limitation des surtensions, ainsi que d'un procédé de mise en oeuvre de ce coupe-circuit. L'invention a été imaginée a la lumière des indications données ci-dessus, et son objet est de proposer un dispositif coupecircuit qui puisse efficacement limiter les surtensions se produisant au moment de la fermeture du coupe-circuit, ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre de ce dispositif coupe-circuit. Selon l'invention, le but visé est obtenu au moyen d'un dispositif coupe-circuit qui comprend un circuit série d'un premier contact de coupe-circuit et d'une résistance tous deux connectés en série avec une ligne de transport d'énergie électrique, un deuxième contact de coupe-circuit connecté en parallèle avec la résistance ou le circuit série de la résistance et du premier contact de coupecircuit, et un moyen de commande de fermeture dont le roule est de fermer le premier contact de coupe-circuit lorsque la tension de la source passe par zéro, puis de fermer le deuxième contact de coupe-circuit après que s'est écoulée une durée qui est un multiple entier de 1/(2f), où f est la fréquence de la source électrique. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels la figure 1 est une vue schématique illustrant le mécanisme responsable de la surtension de fermeture d'un coupe-circuit ; la figure 2 est une vue illustrant le processus responsable d'une surtension s'accompagnant de la propagation de cette surtension dans une ligne de transport d'énergie électrique la figure 3 est un schéma de montage présentant les principes de fonctionnement d'un mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 est un diagramme temporel illustrant le fonctionnement du dispositif coupe-circuit de la figure 3 ; la figure 5 est un schéma de principe montrant une structure de circuit spécifique du mode de réalisation de la figure 3 ; et la figure 6 est un schéma de principe montrant un second mode de réalisation de l'invention. Puisque les figures 1 et 2 ont déjà été décrites en relation avec la technique antérieure on va maintenant décrire l'invention, suivant certains modes de réalisation préférés, en relation avec les figures 3 à 6. On se reporte d'abord à la figure 3, qui présente un mode de réalisation du dispositif coupe-circuit selon l'invention, dans lequel le numéro de référence 11 désigne une borne connectée à une source d'électricité La borne 11 est connectée via une résistance 12 et un contact 13 de coupe-circuit à une borne 14, dite borne de côté charge. Un autre contact 15 de coupe-circuit est connecté en parallèle avec la résistance 12. Le déroulement des phénomènes apparaissant lors de la fermeture du dispositif coupe-circuit de la figure 3 est décrit en relation avec la figure 4. Le contact de coupe-circuit 13 se ferme à un instant tl, qui correspond à l'instant de passage par zéro de la tension de la source (voir partie a de la figure 4) délivrée à la borne 11, comme on peut le voir sur la partie b de la figure 4, indiquant la tension appliquée à l'élément 13 en fonction du temps. Il s'ensuit que la résistance 12 est alors connectée en série avec une ligne de transport d'énergie électrique (non représentée) qui est connectée à la borne 14. A un instant ultérieur t2 (voir la partie a de la figure 4), survenant après l'écoulement de la moitié d'une période du cycle de la tension de la source, l'autre contact de coupe-circuit 15 se ferme de façon à shunter la résistance 12, comme cela est présenté sur la partie c de la figure 4 qui représente la tension appliquée à l'élément 15 en fonction du temps. I1 est également possible de fermer le contact de coupe-circuit 15 à un instant t3 (voir la partie a de la figure 4) correspondant à l'écoulement d'une autre moitié de la période de cycle par rapport à l'instant t2. Puisque la connexion de la résistance 12 est établie à l'instant qui correspond au passage par zéro de la tension de la source, la surtension de fermeture apparaissant au moment de la connexion de la résistance peut être limitée à un niveau bas, comme dans le cas du procédé de fermeture synchrone de la technique antérieure. Si l'on suppose le cas où une charge est piégée dans la ligne de transport d'énergie, on voit que l'amplitude maximale de l'onde progressive peut etre ramenée à la moitié du niveau qu'elle aurait dans le cas où le procédé de fermeture synchrone ne serait pas utilisé. La surtension qui est produite au moment où la résistance 12 ést shuntée par le contact 15 de coupe-circuit est influencée par la relation de phase existant entre la tension de source et la chute de tension aux bornes de la résistance 12. Selon l'invention, la durée qui sépare la connexion, ou l'insertion, de la résistance 12 de son shunt est fixée de manière à être un multiple entier de 10 ms dans le cas ou la fréquence de la source d'énergie électrique vaut 50 Hz et a hêtre un multiple entier de 8,3 ms dans le cas où la fréquence de la source vaut 60 Hz. De ce fait, la résistance 12 peut toujours entre shuntée à un moment qui correspond au passage par zéro de la tension de la source. En général, une durée valant un multiple entier de 1/ (2f), où f est la fréquence de la source, est nécessaire pour permettre l'insertion de la résistance. La chute de tension se produisant aux bornes de la résistance à l'instant de son shunt peut être calculée en terme de constantes localisées représentant respectivement la valeur de la résistance 12 et l'impédance de la ligne de transport d'énergie électrique. La réactance de la ligne est généralement représentée par une capacité, qui sera désignée par C, et la chute de tension VR produite aux bornes de la résistance au moment de son insertion vaut, par rapport à la tension de source VS sin Wt où a = arctg (1/OJCR). On voit que la chute de tension VR aux bornes de la résistance est élevée lorsque la capacité C est grande et que la valeur de est proche de VS. A cet instant, la valeur 1/(CR), et par conséquent de a, est presque nulle. Par conséquent, la phase de la chute de tension aux bornes de la résistance coïncide avec la phase de la tension de source, et la chute de tension est nulle lorsque la résistance est insérée à un moment qui correspond au passade nar zéro de la tension de source. T.nrnnnn la valeur-de la capacité C est petite, SS wy est faible, si bien que la chute de tension a un niveau peu élevé. Comme cela a été indiqué ci-dessus, selon l'invention, l'insertion et le shunt de la résistance sont respectivement effectués à des instants qui correspondent au passage par zéro de la tension de source, si bien qu'il est possible d'obtenir un dispositif coupe-circuit et un procédé de mise en oeuvre de celui-ci pour lesquels la surtension de fermeture relative à l'insertion de la résistance et la chute de tension correspondant à l'instant du shunt de celle-ci peuvent être limitée à de faibles valeurs, ce qui permet le transport d'énergie électrique sous tension très élevée, comme par exemple 1000 kV. La figure 5 est un schéma de principe montrant un exemple spécifique du dispositif coupe-circuit selon l'invention, ce dispositif étant en conformité avec les principes présentés sur la figure 3. Sur la figure 5, les parties analogues à des parties de la figure 3 sont désignées par de mêmes numéros de référence. Sur la figure 5, la tension en courant alternatif qui est délivrée a la borne il du c6té source est couplée à l'enroulement primaire21a d'un transformateur de tension 21, et la tension induite dans l'en- roulement secondaire 21b du transformateur est délivrée au détecteur de phase 22. Celui-ci détecte la phase de la tension induite et produit une impulsion à un instant tl (voir la partie a de la figure 4) par exemple. Cette impulsion est délivrée à une bobine électromagnétique du mécanisme de commande 23, de sorte que le mécanisme de commande 23 ferme immédiatement le contact 13 de coupe-circuit, comme cela est présenté sur la partie b de la figure 4.L'impulsion produite par le détecteur de phase 22 est également appliquée à un circuit retardateur 24, lequel retarde l'impulsion d'entrée pendant une durée T séparant les instants tl et t2, le circuit retardateur24 étant lui-même connecté à un mécanisme de commande 25 agissant sur le contact 15 de coupe-circuit, si bien que le contact 15 se ferme à l'instant t2 en shuntant la résistance 12. La figure 6 présente un autre mode de réalisation, dans lequel le contact 15 de coupe-circuit est connecté en parallèle avec la combinaison série du contact 13 de coupe-circuit et de la résistance 12. Dans le mode de réalisation de la figure 6, un mécanisme de commande 23 est d'abord actionné par le signal de sortie d'un détecteur de phase 22 (non représenté sur la figure 6) de façon à fermer le contact 13 de coupe-circuit à l'instant tl pour ainsi insérer la résistance 12 entre les bornes 11 et 14, après quoi un mécanisme de commande 25 est actionné, par exemple à l'instant t2, par le signal de sortie du circuit retardateur 24 (non représenté sur la figure 6) afin de fermer le contact 15 de coupe-circuit pour shunter la résistance 12.Dans le mode de réalisation de la figure 5, les contacts de coupe-circuit 13 et 15 sont insérés en série entre les bornes 11 et 14, ce qui entraîne la fermeture des deux contacts 13 et 15 de coupe-circuit, alors que la résistance 12 seule est shuntée par le contact 15 de coupe-circuit, de sorte que les contacts 13 et 15 doivent nécessairement pouvoir transporter de forts courants. Dans le mode de réalisation de la figure 6, on note que, après la fermeture du contact 15, le courant passe principalement dans le contact 15, si bien qu'il n'est pas nécessaire que la résistance 12 et le contact 13 puissent transporter de forts courants. Le premier contact de coupe-circuit, le deuxième contact de coupe-circuit, qui sont tous deux utilisés dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, peuvent etre disposés à l'inté- rieur d'un unique boitier ou dans deux boîtiers séparés. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des dispositifs et des procédés dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention REVENDICATIONS 1. Dispositif coupe-circuit caractérisé en ce qu'il comprend une combinaison série d'un premier contact de coupe-circuit et d'une résistance en série avec une ligne de transport d'énergie électrique, un deuxième contact de coupe-circuit connecté en parallèle avec la résistance, et un moyen de commande de fermeture qui fonctionne de façon 9 fermer le premier contact de coupe-circuit lorsque la tension de source passe par zéro, puis à fermer le deuxième contact de coupe-circuit après que s'est écoulée une durée égale à un multiple entier de l/(2f), où f est la fréquence de la source d'énergie électrique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que le moyen de commande de fermeture comporte un détecteur de phase qui détecte la phase de la tension de source et produit un signal de sortie a un instant qui correspond au passage par zéro de la tension de source, un premier mécanisme de commande qui ferme le premier contact de coupe-circuit en réponse à la réception du signal de sortie, un circuit retardateur qui retarde le signal de sortie pendant ladite durée, et un deuxième mécanisme de commande qui ferme le deuxième contact de coupe-circuit en réponse à la réception du signal de sortie du circuit retardateur. 3. Dispositif coupe-circuit caractérisé en ce qu'il comprend une combinaison série d'une résistance et d'un premier contact de coupe-circuit en série avec une ligne de transport d'énergie électrique, un deuxième contact de coupe-circuit connecté en parallèle avec ladite combinaison série, et un moyen de commande de fermeture qui fonctionne en fermant le premier contact de coupe-circuit lorsque la tension de source passe par zéro, puis en fermant le deuxième contact de coupe-circuit afin de shunter ladite combinaison série après qu'il s'est écoulé une durée égale à un multiple entier de 1/ (2f), où f est la fréquence de la source d'énergie électrique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de commande de fermeture comporte un détecteur de phase qui détecte la phase de la tension de source et produit un signal de sortie a un instant qui correspond au passage par zéro de la tension de source, un premier mécanisme de commande qui ferme le premier contact de coupe-circuit en réponse à la réception du signal de sortie, un circuit retardateur qui retarde le signal de sortie pendant ladite durée, et un deuxième mécanisme de commande qui ferme le deuxième contact de coupe-circuit en réponse à la réception du signal de sortie du circuit retardateur. 5. Procédé de fermeture d'un dispositif coupe-circuit du type a connexion à une résistance, caractérisé en ce que le coupecircuit auquel s'applique le procédé de fermeture comprend un premier contact de coupe-circuit connecté en série avec une résistance et un deuxième contact de coupe-circuit connecté en parallèle avec la résistance afin de shunter la résistance et de réaliser l'état de fermeture final, le procédé comprenant les opérations qui consistent à fermer le premier contact de coupe-circuit qui est connecté en série avec la résistance, puis à fermer le deuxième contact de coupe-circuit afin de shunter la résistance, la durée qui sépare la fermeture du premier contact de coupe-circuit de la fermeture du deuxième contact de coupe-circuit étant fixée à un multiple entier de 1/ (2f), ou f est la fréquence de la source d'énergie électrique.