Brevet FR2653611A1 — publié le 19910426

La présente invention concerne un disjoncteur destiné notamment à l'insertion et à la désinsertion, dans une ligne électrique à haute tension d'une réactance. Contrairement à la coupure des bancs de condensateurs ou des lignes à vide, où la tension aux bornes du disjoncteur n'atteint sa valeur maximale, égale environ à 2 p.u. Un étant la tension composée ou nominale) qu'en 1/2 cycle, c'est-à-dire 10 millisecondes à 50Hz, la coupure des réactances entraîne des tensions aux bornes du disjoncteur (dU = U1 -U2) qui peuvent atteindre des valeurs maximales (environ 2 p.u.) en 0,1 à 0,2 milliseconde après l'extinction de l'arc (la fréquence d'oscillation f de la réactance est supposée égale à quelques kHz). Le risque d'amorçage entre les contacts du disjoncteur sera alors très grand, surtout pour les temps d'arc courts, c'est-à-dire lorsque les contacts ne sont pas encore suffisamment écartés. Avec un temps d'arc faible, de l'ordre de 1 à 2 millisecondes environ, selon les disjoncteurs et les pressions utilisés, il y aura toujours amorçage entre contacts pendant l'accroissement de la tension dU. L'amorçage dans ces conditions, qu'on appelle "amorçage bas" ou réallumage, ne donne pas de surtension élevée étant donnée la faible valeur de la tension d'amorçage ( Pour les temps d'arc plus grands, par exemple entre 3 et 4 millisecondes environ, l'amorçage devient plus dangereux ( on se trouve dans la zone B du diagramme, avec une tension d'amorçage supérieure à 1 p.u.), car cet amorçage entraîne des surtensions plus élevées. On désigne cet amorçage par l'expression "amorçage haut". Les conséquences de ce type d'amorçage sont: - une usure des contacts et de la buse isolante de soufflage, - création d'ondes de tension à très haute fréquence dans le circuit, néfastes pour les enroulements des réactances ou des transformateurs. Si l'amorçage survient au point C où la tension U1 atteint la valeur de crête négative, la surtension est maximale. Pour les grands temps d'arc, par exemple supérieurs à 5 millisecondes, la distance entre les contacts peut être suffisante pour éviter tout amorçage. En résumé, la coupure est dangereuse dans notre exemple pour des temps d'arc compris entre 3 et 4 millisecondes. Ce problème très classique a reçu plusieurs solutions. I1 a été proposé de réaliser une ouverture dite synchronisée du disjoncteur, c'est-à-dire d'imposer au disjoncteur de ne s'ouvrir qu'au début de l'onde de courant afin d'avoir un temps d'arc assez long, supérieur par exemple à 6 millisecondes. Cette méthode est de mise en oeuvre onéreuse, car elle nécessite la présence d'un système de détection et d'un donneur d'ordre. On a proposé d'utiliser une varistance, reliée en parallèle aux bornes des contacts du disjoncteur, pour empêcher la tension d'atteindre le point C du diagramme de la figure 1. La varistance s'amorce (ou conduit) en absorbant l'énergie avant l'amorçage sur les contacts du disjoncteur. Cette méthode est depuis longtemps utilisée pour la protection des contacts des relais en basse tension. On remarque immédiatement ce qui suit: 1/ Si la tension de fonctionnement de la varistance est fixée égale à 1 p.u. (fonctionnement au point O de la figure 1), on protégera très bien le disjoncteur et la réactance, mais en position déclenchée du disjoncteur après coupure du courant, la varistance fonctionnera en permanence à la valeur crête de la tension simple. Ce mode de fonctionnement doit être prohibé à cause de l'échauffement de la varistance, sauf si l'on met en série avec cette dernière un interrupteur qui l'isole rapidement. 2/ Si la tension de fonctionnement de la varistance est égale à 2 p.u (tension au point C du diagramme de la figure 1), on réduira les contraintes sur la varistance mais on ne protégera plus la zone d'amorçage comprise entre les points O et C (zone B), sauf au point C. C'est donc bien une valeur intermédiaire dans la zone B qu'il faut choisir, valeur compatible avec le seuil souhaité de surtension à ne pas dépasser, avec l'échauffement et la caractéristique de la varistance, avec la capacité de coupure et de tenue diélectrique du disjoncteur. Examinons le cas pratique d'un disjoncteur à 2 chambres de coupure en série par phase, équipé de deux varistances à base d'oxyde de zinc fonctionnant à 1,5 p.u. (point D du diagramme de la figure 1), soit 0,75 p.u. par varistance, et de deux condensateurs de répartition de tension. En coupure et en position ouverte du disjoncteur, on a une répartition capacitive à peu près 50%, 50%. Chaque fois que la tension aux bornes du disjoncteur atteint 1,5 p.u., les deux varistances fonctionnent. Selon le temps d'arc, le disjoncteur à cet instant peut avoir amorçage ou non. Par contre, les varistances fonctionnent systématiquement pour les temps d'arc moyens et longs. Après coupure, la tension oscille entre - 0,5 p.u. et + 0,5 p.u. en s'amortissant lentement avec une fréquence de quelques kHz. Ces principes étant rappelés, un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur de réactance qui n'utilise qu'une seule varistance lorsque deux sont nécessaires dans les montages de l'art antérieur, tout en assurant une meilleure protection, sans amorçage direct à travers le disjoncteur lorsque la différence de tension dU est supérieure à 1 p.u. L'invention a pour objet un disjoncteur de réactance comprenant pour chaque phase une pluralité de chambres de coupure en série, caractérisé en ce que chaque chambre de coupure comporte en parallèle un condensateur de répartition de tension, qu'au moins une chambre comprend en parallèle une varistance et qu'au moins une chambre, qui n'a pas de varistance à ses bornes, a un instant d'ouverture retardé par rapport à l'instant d'ouverture des autres chambres. Préférentiellement, les varistances sont choisies pour fonctionner globalement entre 1 et 0,9 p.u. Selon une autre caractéristique de l'invention, le délai de retard des chambres à fonctionnement retardé est compris entre 0,075 et 0,125 périodes du circuit dans lequel le disjoncteur est placé. L'invention sera expliquée en détail par la description de divers disjoncteurs selon l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un diagramme représentant la tension aux bornes d'un disjoncteur au moment de l'ouverture des contacts, - la figure 2 est une représentation simplifiée d'un disjoncteur de l'invention à deux chambres de coupure par phase, - la figure 3 est le schéma électrique correspondant au disjoncteur de la figure 2, - la figure 4 est un diagramme des tensions lors d'une ouverture du disjoncteur de la figure 2, - la figure 5 est un schéma d'un disjoncteur selon l'invention, à trois chambres de coupure par phase, - la figure 6 est est un schéma d'un disjoncteur selon l'invention, à quatre chambres de coupure par phase, - la figure 7 est un schéma d'un disjoncteur selon l'invention, à cinq chambres de coupure par phase. La figure 1 a déjà été commentée et on s'y référera dans la suite. La figure 2 représente une phase d'un disjoncteur à deux chambres de coupure par phase, désignées 1 et 2. Les chambres, isolées par gaz à rigidité diélectrique élevée, tel que l'hexafluorure de soufre (SF6), sont supportées par des colonnes isolantes lA, 2A elle-mêmes portées par des charpentes métalliques 1B,2B. La référence 12 désigne la commande des chambres de coupure. En parallèle sur chacune des chambres l et 2 est connecté un condensateur de répartition de tension, respectivement 3 et 4. Une varistance 5 est montée en parallèle sur l'une des chambres, par exemple la chambre 1. La varistance est disposée dans une colonne isolante remplie de SF6 ou d'air sec. Le disjoncteur est placé en série dans une phase 10 d'une ligne et est destiné à l'insertion ou à la désinsertion d'une réactance ll. La varistance a une tension de fonctionnement fixé à 1 p.u. par exemple. Grâce à cette valeur, la varistance ne fonctionne pas en position ouverte du disjoncteur, car en raison de la répartition 50% - 50% de la tension entre les deux chambres, la tension dU aux bornes de la varistance reste très inférieure à 1 p.u. Selon une caractéristique de l'invention, la chambre 2, qui n'a pas de varistance à ses bornes, est agencée pour que son instant d'ouverture soit retardé par rapport à celui de la chambre 1, par exemple de 2 millisecondes environ. La chambre 2 joue ainsi le rôle d'éclateur permettant le report de la tension dU sur la chambre 1 et la varistance 5. Selon le temps d'arc et l'amplitude de dU, on peut avoir l'un des fonctionnements suivants: a) amorçage des contacts de la chambre 1 seulement (ce cas survient pour les très faibles temps d'arc). b) amorçage des contacts des chambres 2 et l (ce cas survient pour les faibles temps d'arc). c) amorçage des contacts de la chambre 2, de la chambre 1 et fonctionnement de la varistance pour dU à peu près égal à 1 p.u. d) amorçage des contacts de la chambre 2, fonctionnement de la varistance (ce cas survient pour les temps d'arc moyens). e) pas d'amorçage des contacts de la chambre 2, donc pas de fonctionnement de la varistance (ce cas intervient pour les temps d'arc longs). On note que même avec une surtension dU = 2 p.u., l'amorçage des contacts de la chambre 2 (au point C du diagramme de la figure l) entraîne le fonctionnement de la varistance qui limite la surtension dU immédiatement à 1 p.u.; il n'y a pas d'amorçage des contacts de la chambre 1 étant donné que l'écartement des contacts est suffisamment grand. Ainsi, pour les temps d'arc moyens ou longs, l'amorçage des contacts de la chambre 2 entraîne immédiatement le fonctionnement de la varistance, limitant dU à 1 p.u., et évitant ainsi des amorçages directs sur les contacts de la chambre 1. Prenons un exemple numérique, en supposant un amorçage au point C du diagramme de la figure 1, et une tension de fonctionnement de la varistance de 450 kvc (kilovolts crête) correspondant à 1 p.u.; on a donc 2 p.u. = 900 kVc = dU au point C. La chambre 2 a un temps d'arc de 3 ms, sa tension d'amorçage correspondante est 450 kVc. La chambre 1 a un temps d'arc de 5 ms, sa tension d'amorçage correspondante est de 600 kVc. La répartition de tension est supposée 50%-50%. A dU = 900 kVc, il y a amorçage des contacts de la chambre 2, toute la tension est reportée sur la varistance qui conduit immédiatement à 450 kVc. Il n'y a pas d'amorçage dans la chambre 1 qui ne s'amorce qu'à 600 kVc. La varistance conduit pendant un temps très court de l'ordre de 0,5 ms. Il n'y a pratiquement pas d'oscillations autour du point O, car la varistance 5 limite dU à 1 p.u. On note que l'amorçage des contacts de la chambre 2 est un amorçage d'énergie faible, puisque pendant le fonctionnement de la varistance 5, le courant traversant la varistance 5 et les contacts de la chambre 2 est limité par l'impédance de la réactance 11. Le courant traversant la réactance sera de l'ordre de quelques centaines d'ampères; avec un temps de courant de 0,5 ms, l'énergie dans la varistance restera donc très faible. Pour retarder l'instant d'ouverture des contacts de la chambre 2, on peut par exemple modifier certains éléments mécaniques de la commande (par exemple pour une commande pneumatique ou hydraulique, allonger le tuyau d'ordre). On peut également réduire la distance entre les contacts d'arc de la chambre 2 en allongeant l'électrode coulissant à l'intérieur de la buse isolante. Avec une vitesse de déplacement des contacts de 6m/s, on obtient un retard de 2 ms en allongeant l'électrode d'arc de 12 mm. La figure 3 est le schéma électrique du disjoncteur de la figure 2. La figure 4 montre les variations des diverses tensions, pour un amorçage au point C, dans le cas d'une varistance fonctionnant à 1 p.u. Ainsi, grâce à la répartition capacitive fixée par les condensateurs pilotes, grâce au rôle d'éclateur joué par la chambre de coupure à ouverture retardée, on peut réduire sensiblement le nombre de varistances par rapport au nombre de chambres de coupure, tout en assurant parfaitement la protection contre les surtensions et le fonctionnement normal de la varistance. On observera que le disjoncteur de l'invention associé à son mode de fonctionnement crée moins de surtensions que les dispositifs de l'art antérieur. Dans un cas classique de l'art antérieur, dU = 1,6 p.u., ce qui veut dire que pour certains temps d'arc faibles, avec un dU légèrement inférieur à 1,6 p.u. (par exemple 700 kVc au lieu de 450 x 1,6 = 720 kVc avec les données précédentes), on peut avoir amorçage sur les 2 chambres avant fonctionnement des varistances. Dans les mêmes circonstances, avec le disjoncteur de l'invention, où la varistance est réglée à 1 ou 0,9 p.u.,l'amorçage direct sur les deux chambres ne peut se produire seulement que vers 1 p.u. = 450 kVc au lieu de 700 kVc dans le cas classique. Il y a donc, grâce à l'invention, moins de surtension et une meilleure protection de la réactance. Dans le dispositif de l'invention, la chambre 2 joue en quelque sorte le rôle de l'éclateur du parafoudre classique en carbure de silicium. Cette fois, l'éclateur a une distance d'amorçage variable et non fixe; il est placé dans le gaz diélectrique (SF6) et non dans l'air atmosphérique; il a un bon pouvoir de coupure. Le retard de la chambre 2 est choisi voisin de 1/10 de période (par exemple de 0,075 à 0,125 période), ce qui, à 50 Hz, correspond à 2 ms, au centre d'une fourchette allant de 1,5 à 2,5 ms. Ces valeurs permettent d'assurer un bon fonctionnement du disjoncteur dans toutes les circonstances, non seulement la coupure pour la désinsertion de la réactance, mais aussi en cas de défaut tel qu'un court-circuit aux bornes du disjoncteur. Dans le cas de la varistance fonctionnant à 0,9 p.u., la durée du courant traversant la varistance, dans le cas d'un réseau à 60 Hz, reste inférieure à 1,5 ms. La figure 5 représente schématiquement un disjoncteur à trois chambres de coupure par phase, 21, 22 et 23, avec trois condensateurs de répartition 31, 32 et 33, et deux varistances 25 et 26 sur les chambres 21 et 23; chaque varistance fonctionne entre 0,45 et 0,5 p.u. La chambre 22 a un temps de fonctionnement retardé. La figure 6 représente schématiquement un disjoncteur à quatre chambres de coupure par phase, 41, 42, 43 et 44, munies de condensateurs de répartition 51, 52, 53 et 54. Deux des chambres, 41 et 42, sont munies de varistances 45 et 46, choisies pour fonctionner globalement entre 0,9 et 1 p.u. Les chambres 43 et 44 ont un temps de fonctionnement retarde. La figure 7 représente schématiquement un disjoncteur à 5 chambres de coupure par phase, 61, 62, 63, 64 et 65, chacune munie d'un condensateur de répartition 71, 72, 73, 74 et 75. Trois des chambres, 61, 62 et 63 sont munies d'une varistance 65, 66 et 67. Chaque varistance fonctionne de 0,33 à 0,3 p.u. Les chambres 64 et 65 ont un fonctionnement retardé. L'invention, dont divers modes de mise en oeuvre viennent d'être décrits, présente de nombreux avantages. Elle permet une réduction du nombre de varistances utilisées. Elle assure une protection plus efficace: les surtensions sont plus faibles car la tension d'amorçage directe à travers le disjoncteur est plus faible, les varistances étant choisies pour fonctionner globalement entre 1 et 0,9 p.u., alors qu'elles fonctionnent entre 1,6 et 1,5 p.u. dans l'art antérieur. En position ouverte, du disjoncteur, la varistance unitaire supporte moins de contrainte à la fréquence industrielle. Dans le cas de deux chambres de coupure, le coefficient de travail est 1 p.u./0,5 p.u = 2, alors que dans l'art antérieur, il est de 0,8 p.u./0,5 p.u. = 1,6). Après le fonctionnement de la varistance du dispositif de l'invention, la réactance n'oscille pratiquement pas, alors qu'une oscillation de + 0,6 p.u. à - 0,6 p.u. (ou de + 0,5 p.u. à - 0,5 p.u.) a lieu dans les dispositifs de l'art antérieur. t'invention s'applique aussi bien aux disjoncteurs de type conventionnel ayant des enveloppes isolantes qu'aux disjoncteurs de type blindé à enveloppe métallique au potentiel de la masse. REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur de réactance comprenant pour chaque phase une pluralité de chambres de coupure en série, caractérisé en ce que chaque chambre de coupure comporte en parallèle un condensateur de répartition de tension, qu'au moins une chambre comprend en parallèle une varistance et qu'au moins une chambre, qui n'a pas de varistance à ses bornes a un instant d'ouverture retardé par rapport à l'instant d'ouverture des autres chambres. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les varistances par phase sont choisies pour fonctionner entre 1 et 0,9 p.u. 3/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le délai de retard des chambres à fonctionnement retardé est compris entre 1,5 et 2,5 millisecondes. 4/ Disjoncteur de réactance selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est de type conventionnel ayant des enveloppes isolantes. 5/ Disjoncteur de réactance selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est de type blindé à enveloppe métallique au potentiel de la masse.