Brevet FR2497417A1 — publié le 19820702

L'invention concerne un procédé de limitation de la tension aux thyristors en série pour soupapes à haute tension. L'invention peut être appliquée à la réalisation de soupapes à thyristors à haute tension destinés aux lignes de transport d'énergie 'à courant continu. Le choix du nombre de thyristors en série consti- tuant des soupapes a thyristors a haute tension dépend de leurs caractéristiques et de l'amplitude maximale d'une. tension impulsionnelle pouvant agir sur la soupape aux régimes transistoires ayant lieu en cas d'un contour- nement de l'isolement mettant à la terre l'équipement d'un poste de conversion de la'ligne électrique à courant continu (voir Ablaev et al. "Centrales electriques,réseaux et systèmes. Problèmes essentiels de transport d'énergie électrique a courant continu de haute tension", M., VINITI, 1972, p.158-159). A cause de la capacité para- site par rapport à la terre des éléments de la soupape à haute tension, l'amplitude et la vitesse de croissance de cette tension sont reparties irrégulièrement entre les thyristors, de sorte que l'action de cette tension sur ces éléments peut dépasser les limites admissibles. Cette irrégularité de la repartition croit avec l'augmentation du nombre de thyristors en série et de la valeur de la capacité parasite par rapport à la terre des éléments de la soupape à haute tension (voir J.Lekorguiy6, "Soupapes électriques commandés et leur avplicationi", éd. "Ener- gia", M., 1971, pp. 153 à 155). La limitation des actions exercées sur les thyris- tors est obtenue par un choix convenable du circuit de redresseur destiné à régulariser la distribution de l'amplitude et de la vitesse de montée de la tension im- _ p _ pulsionnelle entre euxz. ie choix du cirouit dépend dans une grande mesure du point d'applicatJion de la tension. Dans les convertisseurs à plusienrs ponts. les soupapes a haute tension fainant pa33;ie des ponite.au..a.rs Xc-D vent.pp.r- r sars.ommage I'ac que coté catuhioe. la -Jo e.Jde=e s cn et.e dinuion du I..-r''eo, ponts ade con;vertisse.ls de.-,n serci rant 2ortinu con.ise7nt î uri a,-.e, i-a-c e:-,a "iL;u'de *'e 13 -i el a ant-'; u:- r.LCs à haute te.son et, par Conséqluent, Lài.e augme.a..on dtu notibre de thyristors en srie, Un choix judicieux du cir- cuit de la soupape permfet de diminuer.i'i.régula.rité de distribution de la tension entre les thyristors et donc le nombre de ces derniers. TDans une soupape i th;/ristors à haute tension connu (,oir,per exemple, A.Y..Stoukatchev et autres, "Centrales électriques, réseaux et systèmes. Transport d'énergie éle- ctrique à courant continu", M., VINITI 1978, p. 44) la tension impulsionnelle est distributée entre les groupes de thyristors à l'aide de condensateurs de compensation branchés en parallele avec eux. Dans chaque groupe, la distribution de l'amplitude et de la vitesse de monrtée de la tension aux thyristors se fait grâce a une réan-- tance mont4e en para3 leie aux thyristurs du groupe, et des condensateurs d'amortissement montés parallèlement à chaque thyristor. Grace la qatté faible des thyristors en série du 1rou-e i 'irrégularité de ia é- partition de la tension impulsionnelle entre eux est in- signifiante. le nombre minimai de th,yristors en série d'un red- resseur avec un tel schéma de double distribution de la tension est déterminé.par la relation: -p}. 8. I[1 n = (1) - 5- o E est l'amplitude de la tension impulsionnelle; Ul est la tension admissible au thyristor; est le degré d'irrégularité de la division de tension; Ki est le coefficient tenant compte de la montée de la tension due au branchement en série de la réac- tance et des condensateurs d'amortissement dans le groupe. Le nombre de thyristors déterminé à l'aide de la re- lation (1) est supérieur d'une valeur an E (&Kî) au nombre de thyristors en cas de distribution uniforme de la tension. En réalité, les valeurs de b sont compri- ses entre 1, 1 et 1,2 et celles de K1, entre 1,05 et 1,15. Compte tenu de ces plages de valeurs, l'influence de l'irrégularité de ces planes de valeurs, l'influence de l'irrégularité de répartition de la tension sur le nombre des thyristors en série, comparé au cas de distri- bution régulière, peut être évaluée comme suit: A n = 15 à 38%. Un tel accroissement du nombre de thyristors constitue un désavantage important des redresseurs à thyristors à haute tension ayant ledit système de double division de la tension impulsionnelle. le circuit de la matrice à haute tension d'un red- resseur à thyristors à haute tension General Electric (Voir brevetUSA NI 3626271 "Matrice à haute tension à courant continu") permet de limiter la tension aux thy- ristors en vue de les protéger contre l'action des ten- sions à fronts raides. Ta matrice comprend quatre thy- ristors, des circuits RC de protection et des induc- tances d'arrêt. Un des éléments de protection est ré- alisé sous forme d'un condensateur servant à shunter - 11. - une partie de résistances des circuit RC des deux thyris- tors du milieu, lorsqu'il se produit une onde de surten- sion dangereuse. La plus grande partie de la tension im- pulsionnelle est appliquée dans ce cas à deux thyristors extrSmes de la matrice oui, lorsque la tension atteint le niveau limite sont branchés par un circuit comprenant des inductances d'arrgt. La tension à front raide sépar- rée aux inductances d'arrêt s'additionne à la tension appli- quée aux deux thyristors extrêmes de sorte que ces derniers sont commutés du fait que la vitesse critique de montée - de la tension y est dépassée. Le nombre de thyristors dans le redresseur composé des matrices à courant continu mon- tées en série corresoond à une distribution régulière de la tension impulsionnelle. Toutefois le branchement d'une partie des thyristors à partir du niveau limite a pour effet de diminuer leur fiabilité. Un autre inconvénient consiste en ce que l'autre partie des thyristors est bran- chée à la vitesse critique de montée de la tension (dU/dt). En ce cas, il faut que les th7yristors aient une sensibili- té bien déterminée à dU/dt et que les écarts entre les sen- sibilités des thyristors soient faibles, ce qui est dif- ficile à réaliser lorsque ces derniers sont au grand nom- bre. En outre, les derniers progrès dans le domaine de stabilité dynamique des thyristors ont révélé un acrois- sement important des valeurs de dU/dt et un avenir peut prometteur pour l'utilisation du paramètre dU/dt qui est très difficile à contrôler. L'action de la protection contre les effets impulsionnels a pour résultat final le branchement de tout la soupape à haute tension. Mais le fait qu'il n'est pas branché à temps provoque une Der- turbation de la commutation normale du pont convertisseur et donc une diminution de la fiabilité du transport de l'électricité. Dans un dispositif de protection des thyristors en série (voir, par exemple le certificat d'auteur de l'URSS N 244489) dans lequel il est prévu pour chaque thyristor -, - un circuit composé de deux diodes à avalanche montées en opposition, les surtensions aux thyristors sont limitées par les diodes à avalanche. Toutefois, si un ou plusieurs thyristors ne reçoivent pas d'impulsions de commande (ce qui est suffisamment probable, étant donné le grand nombre de thyristors connectés en série), les diodes à avalanche des thyristors non branchés seront parcourues par le cou- rant de puissance de tout la soupape. Il en résultera, bien entendu, le claquage des diodes à avalanche,leur suréchauffement et le risque d'inflammation de la sou- pape en fin de compte. Pour protéger les diodes à ava- lanche, on peut dans ce cas brancher les thyristors deve- nus incontrôlables par le courant d'avalanche de ces di- odes (Voir,par exemple "Dispositif de protection des thyristors contre Jes surtensions", brevet USA n 3662250). Toutefois, le nombre de thyristors corres- pondant à une distribution uniforme doit alors s'accro - tre premièrement d'un nombre nécessaire pour prévenir le branchement de toute la soupape sous une tension impul- sionnelle appliquée et, deuxièmement, d'un nombre destiné à compenser la différence des niveaux de fonctionnement des diodes à avalanche. Les mêmes inconvénients sont inhérents aux circuits à thyristors protégés contre les surtensions (voir, par exemple, le brevet USA n 3487261) à l'aide d'un éclateur à action rapide branché parallèlement à chaque tbyristor du circuit. On trouve dans la littérature (Abalayev et autres, "Centrales électriques, réseaux et systèmes. Problèmes techniques essentiels des transport d'énergie électrique à courant continu", M., VINITT, 1972, p.180) la des- cription d'une soupape dans lequel la tension aux thy- ristors est limitée à l'aide de circuits PRC de division. Il est possible de remplacer les circuits RC par des diodes à avalanche branchées en opposition. Une réac- tance linsaire est moti'e r1.i ia sopape a haute tension. Io:squt ume belsin l:p!;i e!e est ap ii?.Sée cot.e réactance, cette de!!è-- --- 'f-, te la vitesse de pontée de la teaÄs!o-1 n à a,;._ _. - cen uen'. J- U -àj.À:-,>. îîs.. -;l>.fsr s 9 ten- s1'.)e1ozoz éii q:o %c.oJ.-: ? 3-e' '-,' r 7- i'' - s. Cl. Joz u-? ei-e-5_:'i ds ia ': 9e; " en- sionl proS'-,5oc;t -L- =C./s,-z \ e_!e ff o _ol f::17 -?l cJf t!' sif: se Coonposau:S-;u d" la:::at:.e::' oes r::: n-':S,g.On peu.ti diminuera.'e t;S;3-4ensC-tio-t. i:aid.ea d:u 5_ 'n ii'be3_monS p;ë 'a.-; !0 1è1ement i:i n so ?t-a e% dont.D e rieau sup4ieLu- da fonctionnemev' es- al s]: 7amylfLe rulsionnellS. Dans ce cs,!e Doef fi.ie?, y, de l'ex-D- :azsi.on (1') dh.t $tre ri: s a unit', ce qui conduit à. ure diminution dne 5 15. du rizre dbe thyristors par rapport à -eur nombre dans une soupape sans!imrieu. I1 en est tout à fait autremen-t o:sqae l] tension impul- sionrelle est appliquée du coté oppos.' à la réactance. A cause de l'loignement de cette dernière et de la grande' longueur du circuit sérSie de la soupape, la réactance ne paricipDe qu e f'iblerient à l'abaisseiment de la ten- sion aà montée rapide, de sorte que 1tirrégularité de la division de l'amupii.ude de la tension impulsionnelle s' accentue nettement. Selon l'expression (1), cela -on- duit à un accroisóemrent du r-mbre de i-h-byristors en série. Dans ce cas, pou limiter les tensions au' tby- ristors A /e: valeurs admissibles, il faut que le ni- veau de f'onctionnement dS limiteur soit inférieur à l'amplitude de l!onde c 7,lsionce qui est inadmis- sivle, parce que le 't.,-..r c- tre insensible par rapport axU: 'ensios à la suo-.p-e a- régimes normaux et aux régimes de commuta'ion, Ie brevet USA N 5508135 décrit un dispositif dans lequel la protection contre les tensions -impul- sionnelles est assurgse par un procédé de limitation de la tension aux groupes de thyristors en série à -7- l'aide des diodes à avalanche montées en parallèle aux- dits groupes. Ile procédé consiste en ce que la limitation se fait à un niveau Uli inférieur à la somme des tensions minimales de commutations de N thyristors, mais supérieur à la tension maximale de commutation à l'anode de l'un des thyristors du groupe, soit Umax c UII en parallèle à un groupe de N thyristors et ayant un ni- veau de limitation cuelconque satisfaisant à la relation (2) garantit des tensions admissibles aux thyristors de ce groupe. Or des effets impulsionnels agissant sur une soupape à haute tension composé de plusieurs centaines de thyristors montés en série ont pour conséquence une très forte irrégularité de division de la tension agissante par les thyristors. Les tensions à une partie des thy- ristors situés plus près du point d'application de l'ac- tion sont supérieures aux valeurs admissibles, alors qu'elles sont inférieurs à ces valeurs aux autres thyris- tors. Ia tension totale aux thyristors du groupe au moment, o la tension à ce groupe est limitée par la diode à ava- lanche, peut être supérieure à la valeur à laquelle les tensions aux thyristors les plus chargés ne dépassent pas les tensions admissibles. Par exemple, lorsqu'on branche sur un groupe de N thyristors un limiteur au niveau II = O,9.N.UI satisfaisant à la relation (2), la ten- sion au thyristor le plus chargé est TiII. U o 3 est le degré de l'irrégularité de division. - 8 - Pour un =1,2, Ui-I = 1,08.UI, soit sup6- rieure à la valeur admissible, ce qui peut provoquer la mise hors d'usage de ce thyristor. Dans ce cas, il faut soit augmenter le nombre de tbyristors dans le groupe, en conservant le même niveau de limitation soit abaisser ce dernier. D'autre part, la limitation à des valeurs admissibles de la tension aux tbyristors les plus char- gss avec un nombre ouelconque de tbyristors dans le groupe necessite quaE le niveau de protection de la sou- pape soit égal au niveau total de limitation des diodes de la soupape. Ilorwalement lors de l'ut lisation des soupapes o haute tension, on prend leur niveau de protection égal a l'amplitude limite de l'onde d'impulsion agissante. si le niveau total de limitation le dépasse 'e! a conduit automatiquement à une augmentation des caracteristiques en haute tension'de la soupape et donc à une augmentation de son coût; s'il y est inférieur, cela Peut sEavérer inadmissible, par exemple, pour les raisons relatives à l'insensibilisation aux tensions a la soupape aux regi-. mes d'utilisation de longue durèé. Ainsi donc,1'utiiisation de ce procédé de limitation p de la tension à un groupe compose d'un nombre quelconque de thyristors en série risque de conduire à la mise hors d'usuage des thyristors ou a des niveaux de protection inadmissibles de la soupape; Dans le cadre de l'invention, on s'est propose de créer un procédé de limitation de la tension aux tky- ristors en séries d'une soupape a haute tension se carac- térisant par une telle relation entre le niveau de li- mitation et le nombre de tiyristors dans le groupe qui permette de diminuer le nombre de thyristors de la sou- pape tout en conservant le niveau de protection de la soupape, et d'améliorer la fiabilité de fonctionne- ment de la soupape. _9 _ Selon I'flIventtion, le procédé de limitation de la tension aux thyristors en série d'une soupape à haute tension subissant l'action d'une onde de surtension conj te en ce que la limitation de la tension est effectuée groupes de thyristors en série, chaque groupe ayant un nombre donné de thyristors, et il est caractérisé en ce que, le nombre de thyristors de chaque groupe étant cho; en fonction des paramètres de l'onde de surtension, on mesure la tension aux thyristors selon les étapes suiva] on mesure la tension au premier thyristor à partir du point d'application de l'onde de surtension et aux thy- ristors suivants; au moment o la tension au premier thyristor atteint la valeur prévue, on mesure successi- vement la tension totale aux thyristors à partir du prer jusqu'à ce qu'elle atteigne un niveau égal au rapport di l'amplitude de l'onde de surtension et du nombre total ( thyristors en série de la soupape, multiplié par le nom- bre de thyristors se trouvant sous la tension totale ainsi obtenue, correspondant au nombre de thyristors du groupe; et on limite à ce niveau la tension au groupe de thyristors. Le procédé de limitation de la tension aux thyris- tors en série d'une soupape à haute tension selon l'in- vention permet de diminuer le nombre de thyristors de la soupape et d'en améliorer la fiabilité de fonction- nement. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la descriptVol qui va suivre d'un exemple de réalisation du procédé et en se référant aux dessins annexés dans lesquels.. La figure 1 représente un diagramme temporel des tensions à un groupe de N thyristors et à chacun des thyristors au moment d'application à la soupape d'une onde de surtension, et le niveau de limitation de la tension au groupe par le procédé selon l'invention; La figure 2 représente le schéma fonctionnel d'une variante du dispositif pour la réalisation du procédé dg 2497 4 1 7 - 10 limritation de la tension aux thyristors en série d'une soupape à haute tension; selori:izn-__io La figur rrs e u reprisent ualgrade distribution de l'onde d'Wia;pu s inpar gr-.D;upo-s -' hvristors d'une S scavnve à -auC lsr;_ 'a r_- est lion t.e su5iy.ait eú so!T't.........- tors e ---r ï c ne soupap- a... t.s son l'n esn.! - er:sste 3n ure oin e ia 'at.' eLe i.tension e s %ff-eeean f{ gro s d -- -, -ltr ra - or e nant. :. (onn6 e Oznnérs- e?;--s:.- dan cbauln grocrpeO Le n,.&r a e c hls-tors de ci vr'e grou est alors chei si en fo:%ction des par tes de i.'o: de surtensi n. A ce - effe, on maesure la tension aux thvristors de I.: façon suiaraite on mesure la tension au premier thayrstor à partir du point d'application de l'onde de surtension et aux thy- ristors suivants; au momient o la tension au premier thyristor atteint la valeur pré-%aie, on mesure successivement la ten- sion totale aux thyristors à partit du premier thyristor jusqu'R ce qu'elle atteigne un niveau égal au rapport entre l'amplitude de l'onde de surtension èt le nombre total de t'hyrist-rs en serie de la soupape multiplié par le nombre de thyristors se trouvanLt sous la tension hotale obtenue, correspondant au nombre de thyristors dans le groupe; et on limrite ce niveau la tension au groupe de thy- ristors. La tension agissant sur la soupape peut être repré- sentie dans la plupart des cas et avec une certaine ap- proximation sous formne d'une onde d'une amplitude connue E (courbe I de la figure I) et d'une durée connue e du front incliné. La courbe II représente la tension au groupe de N thyristors et les courbes III, IV,... N, les tensions aux thyristors du groupe. - il - Au moment to, o la tension au thyristor le plus chargé (courbe III) atteint la valeur assignée UI, on calcule, comme il a été indiqué plus haut, la somme des tensions aux thyristors, en commençant par le premier. si Nz E, o nest le nombre total de Zu.- . A Af, thyristors de la soupape, on limite la tension au groupe de N thyristors. Ie niveau de limitation est égal à l'am- plitude E de l'onde, divisée par le nombre (n) de N groupes. Dans ce procédé de limitation on évite le cas E 2 U/ --, o la tension au thyristor le plus chargé dépasse la valeur admissible. En outre, le niveau total de limitation garantit un niveau de protection de la soupape égal à l'amplitude de l'onde d'impulsion. On trouve ci-dessous la description de l'un des modes de réalisation possibles du procédé selon l'in- vention pour une soupape destiné au transport de l'élec- tricité à courant continu.. La soupape comprend n thy- ristors en série 11, 12,..., 1 et des circuits RC d'amortissement 21-31, 22-32, '. 2N - 3 branchés en parallèle à chacun des thyristors. Une réactance ano- dique 4 est branchée en série à la soupape. Parallèle- ment au circuit composé de la soupape et de la réactance et servant d'un bras au pont convertisseur de transport d'électricité, est branché un éclateur non linéaire 5 dé- terminant le niveau de protection de la soupape. Paral- lèlement à la soupape est branché un éclateur se compo- sant dans le cas le plus simple des limiteurs 61, 62,,,, 6N. Te niveau de fonctionnement de chacun des limiteurs 61-* 6N est choisi égal à E/n. le sorties des limi- - 12 - teurs 61. 6N sont branchées sur (n-!) sorties du bloc 7 de commutation qui, dans le cas général, peut avoir (n-1) sorties. Conformément à l'invention, le nombre de thyristors dans un groupe et le niveau de li- mitation de la tension à ce groupe peuvent être déter- minés comme suit... Les caoteurs de tension 8, 82,.. 8N mesurent les tensions aux thbyristors 1 2 7 '!. Les signaux de tous les capteurs arrivent au bloc 9 de commutation qui effectue la commutation, en branchant les sorties des capteurs 81, 82,... a, sur les entrées du bloc a calculateur 10, lorsque la tension au thyristors le plus chargé 1 atteint la valeur assignée (par exemple. la va- leur de la tension récurrente.. I.e bloc calculateur 10 calcule successivement le nombre} de tbyristors, la somme S des tensions auxihy- E ristors et la valeur de Ui =. 1, puis les compare entre eux. Si ces grandeurs sont égales entre elles (à une certaine erreur près, bien entendu), il élabore un signal proportionnel au nombre Ni de thyristorso Ce signal arrive au bloc 7 qui relie les sorties des Croupes de N limiteurs aux sorties des groupes de IM thyristors. les capteurs 81, 82,.. . X, les blocs de commutation 7 et 9 et le bloc calculateur 10 peuvent être réalisés par les moyens techniques connus. Dans le Drocédé selon l'invention, la soupape peut être divisé en M groupes. La figure 3 représente la dis- tribution de l'onde d'impulsion 1 par groupes, lorsqu' elle est appliquée du côté opposée à la réactance 4 (figure 2). Etant donné l'éloignement de la réactance 4, son influence sur la distribution est peut importante. La tension impulsionnelle se présente sous la forme d' une onde à front incliné de l'amplitude E (figure 5) et de la durée 2-du front. Dans l'intervalle de temps 0 - 13 - à T Ja tension sur quelques groupes, par exemple U1 et U2, atteint le niveau E/P de limitation. Ia figure 5 mont- re qu'aux moments t1 et t, il s'est produit le fonc- tionnement des limiteurs dans le premier et le deuxième groupes. la durée de leur fonctionnement fait quelques fractions du front T de l'onde. la tension aux autres groupes éloignés, par exemple Uf (figure 3), n'atteint pas le niveau de limitation dans l'intervalle C à T. A partir du moment T, les tensions U1, U2 diminuent en dessous du niveau E/M qui sera à nouveau atteint dans l'intervalle tL - t''. S'il n'y avait pas de limiteurs 61 (figure 2), 62,...6N, la tension aux groupes varierait suivant les courbes représentées en trait interrompu sur la figure 5. Au moment Z, les tensions U1, U2 dépasseraient le niveau de limitation. On peut compenser ce dépassement, en aug- mentant le nombre de thyristors de la soupape. Ie branche- ment d'un seul limiteur au niveau E en parallèle avec l'en- semble de la soupape ne permet pas de diminuer les valeurs de U1, U2 car, au moment Z, la tension US à la soupape est inférieure au niveau E de limitation. Ce limiteur ne fait que "supprimer" la montée de la tension à la soupape due au phénomène de dépassement du réglage dans Je circuit I,-RC. Un niveau de limitation inférieur à E est inadmis- sible pour les raisons relatives à l'insensibilisation aux tensions au régimes continus. l'utilisation du procédé selon l'invention pour la li- mitation de la tension aux thyristors en série d'un sou- pape à haute tension dans le transport de l'électricité à courant continu permet de diminuer le nombre de thyris- tors dans les soupapes avec leurs systèmes de commande, de protection, de signalisation et de refroidissement. Ie procédé améliore la fiabilité grâce au fait que la tension aux thyristors ne peut pas dépasser la valeur admissible. En outre, si la limitation de tension aux groupes de thyristors s-e fait axr lie nxrocoe d aie i'inv J ' ti o 'i ne produit pas de branchement de la l sapan a partir.- ae l'amplitude de l'onde de surtension rr-vusouant uï:e perturba- >.on te la uutin rzerSrae iso.nep- té'.z1i vertjs- 0eitr.L: - 15 - REVENDICATION Procédé de limitation de la tension aux thyristors en série d'une soupape à haute tension subissant l'action d'une onde de surtension, consistant en ce que la limi- tation de la tension s'effectue aux groupes de thyristors en série, chaque groupe ayant un nombre donné de thy- ristors, caractérisé en ce que le nombre de thyristors d'un groupe étant choisi en fonction des paramètres de l'onde de surtension, on mesure la tension aux thyristors selon les étapes suivantes: on mesure la tension au premier thyristor à partir du point d'application de l'onde de surtension et aux thyristors suivants; au moment o la tension au premier thyristor atteint la valeur prévue,on mesure successivement la tension totale aux thyristors à partir du premier jusqu'à ce qu'elle at- teigne un niveau égal au rapport entre l'amplitude de l'onde de surtension et le nombre total de thyristors en série de la soupape, multiplié par le nombre de thy- ristors se trouvant sous la tension totale ainsi obtenue, correspondant au nombre de thyristors du groupe; et on limite à ce niveau la tension au groupe de thyristors.