Brevet FR2649245A1 — publié le 19910104

DISJONCTEUR A HAUTE TENSION A DISPOSITIFS DE DETECTION DE TENSION INCORPORES La présente invention concerne un disjoncteur à haute tension, dans lequel l'isolement est assuré par un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre. L'invention concerne plus particulièrement un disjoncteur du type précité comprenant des moyens pour détecter la tension existant sur chacune de ses prises d'entrée et de sortie. Par détection de la tension, on entend soit la simple connaissance de l'existence d'une tension non nulle et de sa polarité, soit une réelle mesure, aussi precise que possible, de la valeur de cette tension en valeur absolue et phase. La connaissance de la tension sur chacune des bornes d'un disjoncteur, installé dans un réseau de transport ou de distribution d'énergie électrique, présente un certain nombre d'avantages. On peut en effet, par la connaissance des tensions précitées, en déduire l'instant favorable de l'onde de courant pour ouvrir les contacts du disjoncteur de manière à éviter tout réamorçage par insuffisance de l'écartement des contacts. Les cas donnant les plus grandes surtensions lors de la coupure de charges inductives ou capacitives sont ceux où le déphasage se rapproche de moins ou plus 90 degrés. Dans ces conditions, il suffit de synchroniser l'ouverture des contacts sur l'onde de tension, afin d'obtenir le temps d'arc suffisant. I1 existe une autre application où la connaissance desdites tensions est intéressante. Il s'agit de la fermeture du disjoncteur. La connaissance des tensions aux deux prises du disjoncteur permet de choisir, pour la fermeture du disjoncteur un instant où les tensions sont de même polarité et de préférence, d'amplitude voisine. Ceci permet de réduire la valeur des surtensions et même d'envisager la suppression des -résistances insérées temporairement à la fermeture des disjoncteurs. Un but de l'invention est de réaliser des dispositifs pour détecter la tension sur les prises de courant des disjoncteurs qui soient simples et peu onéreux et qui puissent être installés sur les disjoncteurs existants sans nécessiter de modifications notables. L'invention a pour objet un disjoncteur à haute tension à isolation électrique assuré par un gaz à bonnes propriétés diélectriques, comprenant pour chaque phase, - une colonne support remplie dudit gaz diélectrique et constituant une chambre à l'intérieur de laquelle sont disposés un ensemble de contacts fixes, un ensemble de contacts mobiles et une tringle de manoeuvre, - une première et une seconde prises de courant, - et un condensateur d'amortissement des variations de tension transitoire, constitué d'un empilement de condensateurs élémentaires en série et connecté en parallèle sur lesdites prises, caractérisé en ce qu'il comprend un premier moyen de détection de la tension sur l'une desdites prises de courant comprenant, sur ladite prise, un premier diviseur de tension comprenant un premier et un deuxième condensateurs, ledit deuxième condensateur étant constitué par au moins un condensateur élémentaire dudit empilement, ledit premier condensateur étant constitué par les autres condensateurs élémentaires, et un premier moyen de mesure et d'acheminement au sol de la tension aux bornes dudit deuxième condensateur, le disjoncteur comprenant en outre un deuxième moyen de détection de la tension existant sur l'autre prise de courant, associé à un deuxième moyen de mesure et d'acheminement au sol de la tension existant sur ladite autre prise de courant. Dans un premier mode de réalisation, ledit deuxième moyen de détection de tension comprend un second diviseur capacitif comprenant un troisième et un quatrième condensateurs, ledit troisième condensateur ayant pour première armature une portion métallique de ladite enveloppe au potentiel de ladite prise, pour diélectrique ledit gaz et pour seconde armature une première feuille métallique séparée d'une seconde feuille métallique au potentiel de la terre par une mince feuille de matériau diélectrique, lesdites première et seconde feuilles métalliques et ladite feuille diélectrique constituant ledit quatrième condensateur, ledit quatrième condensateur étant relié audit deuxième moyen pour l'acheminement au sol de la tension à ses bornes. De préférence, lesdits premier et second moyens de mesure et d'acheminement au sol des tensions des prises comprennent chacun un convertisseur opto-électronique transformant l'information électrique en information optique, et au moins une fibre optique reliant ledit convertisseur à un circuit opto-électronique de mesure placé au voisinage du sol, ladite fibre optique cheminant à travers ladite colonne support. Dans un mode préféré de réalisation, ladite deuxième feuille métallique est placée sur un tube métallique disposée coaxialement à ladite colonne support et relié au potentiel de la terre. Avantageusement, la tension dudit quatrième condensateur est acheminée au sol à l'intérieur dudit tube métallique. Dans un mode particulier de réalisation de disjoncteurs, ledit tube métallique sert de support à un transformateur de courant. Dans un second mode de réalisation, ledit deuxième moyen de détection de tension comprend un élément métallique placé sur une surface équipotentielle très voisine de ladite prise et correspondant à une fraction donnée du potentiel existant sur ladite prise. De préférence, lesdits premier moyen et second moyens de mesure et d'acheminement au sol des tensions des prises comprennent chacun un convertisseur opto-électronique transformant l'information électrique en information optique, et au moins une fibre optique reliant ledit convertisseur à un circuit opto-électronique de mesure placé au voisinage du sol, ladite fibre optique cheminant à travers ladite colonne support. Avantageusement, ledit convertisseur est une cellule de Pockels en optique intégrée, du type interféromètre de Mach-Zehnder ou du type commutateur électro-optique. L'invention a également pour objet un disjoncteur comprenant, entre une prise d'entrée et une prise de sortie au moins deux chambres de coupure en série, carctérisé en ce qu'au voisinage de chacune des prises est disposé un élément métallique, ledit élément étant placé sur une surface équipotentielle correspondant à une fraction donnée du potentiel existant sur ladite prise, chacun desdits éléments étant associé à un moyen de mesure et d'acheminement au sol de ladite tension de l'élément. De préférence, ledit moyen de mesure et d'acheminement comprend un convertisseur électro-optique et au moins une fibre optique. De préférence, ledit convertisseur est une cellule à effet Pockels en optique intégrée. L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après d'un mode préféré de réalisation de l'invention, en référence au dessin ci-annexé dans lequel, - la figure 1 est une vue en élévation d'une phase d'un disjoncteur équipe selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale du disjoncteur de la figure 1, montrant le premier diviseur capacitif, - la figure 3 est une vue agrandie d'une partie A de la figure 2, - la figure 4 est une vue partielle en coupe axiale du disjoncteur de la figure 1, montrant le deuxième diviseur capacitif, - la figure 5 est une vue agrandie d'une partie B de la figure 4, - la figure 6 est une vue partielle dtun disjonçteur selon l'invention dans lequel est incorporé un transformateur de courant, - la figure 7 est une vue partielle en coupe axiale d'un disjoncteur dans lequel le moyen de détection de tension est un élément métallique placé sur une surface équipotentielle, - la figure 8 est un schéma d'un disjoncteur à deux chambres de coupure par phase, muni de moyens de détection de tension de l'invention. On examinera en premier le cas des disjoncteurs ne comprenant qu'une seule chambre de coupure par phase. On examinera ultérieurement le cas des disjoncteurs ayant, pour chaque phase, plusieurs chambres en chandelle, en T ou en V. La figure 1 représente, en élévation, un phase d'un disjoncteur triphasé à une chambre de coupure par phase. On distingue dans la figure une colonne 1 disposé sur un bâti métallique 2 placé sur le sol 3. La colonne comprend un premier tronçon 1A en céramique ê l'intérieur duquel se trouve la chambre de coupure, un second tronçon lB, métallique, dont le rôle sera précisé plus loin et un troisième tronçon, lC, enfermant une tringle de manoeuvre reliée à un mécanisme de commande 4. A la partie supérieure du tronçon 1A est disposé un flasque métallique 5 prolongé par une première prise de courant 5A à laquelle est fixé un conducteur d'arrivée de courant 6. On trouve, à la partie inférieure du tronçon lA, un second flasque métallique 7 prolongé par une seconde prise de courant 7A à laquelle est relié un conducteur de départ de courant 8. Le tronçon 1B est relié à la prise de courant 6 et servira, comme on le verra, à la mesure du potentiel de cette prise; il peut être de hauteur très réduite (-quelques centimètres); comme on le verra en référence à la figure 6, il peut être de hauteur plus importante de manière à contenir des transformateurs de courant. Entre les prises 5 et 6 est connecté un condensateur 10 destiné à améliorer le pouvoir de coupure du disjoncteur. Comme on le distingue mieux dans la figure 2, le condensateur 10 comprend une enveloppe isolante , de préférence en céramique, à l'intérieur de laquelle est placé un empilement de condensateurs élémentaires 12 connectés électriquement en série et pressés axialement par un moyen élastique représenté schématiquement par le ressort 13. On a représenté, à l'intérieur de la chambre de coupure lA, un contact principal fixe 15, un contact d;arc fixe 16, un contact principal mobile 17, un contact d'arc mobile 18, un piston de soufflage 19, un cylindre de soufflage 20, une buse de soufflage 21 et une tringle de mamoeuvre 22 traversant le flasque 7. Selon une caractéristique de l'invention, on utilise le condensateur 10 pour constituer un diviseur capacitif dont un premier condensateur est constitué (voir figure 3) par un ou plusieurs éléments de l'empilement; dans l'exemple représenté dans la figure 3, le premier condensateur du diviseur capacitif est constitué d'un seul élément 12A de condensateur, sur un total de n éléments (n étant typiquement égal à 300) de sorte que la tension aux bornes de l'élément 12A est égal à 1/300 de la tension entre les prises 5A et 7A. Bien entendu ces nombres sont donnés à titre d'exemple et on choisira le nombre d'éléments du premier condensateur du diviseur capacitif en fonction de la tension nominale du disjoncteur, du nombre des éléments du condensateur de répartition et du degré de précision exigé par l'application envisagée. La tension aux bornes du condensateur 12A doit être acheminée au sol et, pour cela, elle est convertie en signal optique au moyen d'un convertisseur électro-optique 25 placée de préférence à l'intérieur du tronçon 1B de la colonne du disjoncteur. On choisit préférentiellement une cellule de Pockels, dans laquelle la tension prélevée aux bornes de l'élément 12A de condensateur est appliquée à des électrodes qui créent un champ électrique qui entraîne une variation de l'indice de réfraction d'un cristal de niobiate de lithium ou de BSO ou de BGO. Une première fibre optique 26, cheminant à l'intérieur de la colonne 1C, est parcourue par un rayon de lumière qui traverse la cellule 25 ; un seconde fibre optique 27 achemine au sol la lumière après son passage dans la cellule. Un circuit électronique non représenté, muni de convertisseurs opto-électroniques, traite les informations en provenance de la fibre 27. Le dispositif qui vient d'être décrit permet, moyennant un aménagement simple et peu onéreux des disjoncteurs existants, de connaître avec une bonne précision le potentiel électrique de la prise 5A. I1 reste à connaître le potentiel électrique de l'autre prise, par exemple la prise 7A. Ceci est obtenu, dans n premier mode de réalisation, par le dispositif décrit maintenant en référence aux figures 4 à 6. Ce dispositif est constitué par un diviseur capacitif qui comprend deux condensateurs. Pour réaliser ce diviseur capacitif, il est nécessaire de disposer d'un tube métallique 30, au potentiel de la terre, qui peut avantageusement servir de guide à la tringle de manoeuvre du disjoncteur. Dans l'exemple représenté dans les figures 4 et 5, ce tube s'élève dans la colonne 1C et débouche dans le tronçon 1B où il est équipé d'un anneau pare-effluves. Le tronçon métallique 1B est au potentiel de la prise 7A. On réalise un diviseur capacitif en munissant le tube 30, au droit du tronçon 1B, d'une feuille 31 en matériau diélectrique en sandwich entre une première feuille métallique 32 et une seconde feuille métallique 33 en contact avec le tube 30 et donc au potentiel de la terre.Le premier condensateur de ce diviseur capacitif est donc constitué par les armatures 1B et 32, séparées par le gaz isolant remplissant le disjoncteur (généralement SF6); le deuxième condensateur du diviseur capacitif est constitué par les armatures 32 et 33, séparées par la couche 31 de matériau diélectrique. La tension prélevée sur les feuilles métalliques 32 et 33 est une image du potentiel de la prise 7A. Cette tension est acheminée par des fils électriques 34 et 35 placés à l'intérieur du tube 30, jusqu'à un organe électronique de traitement non représenté, lequel est pourra utiliser soit la tension obtenue aux bornes du diviseur, soit le courant traversant le condensateur haute tension; selon le schéma retenu. La figure 6, dans laquelle les éléments communs à cette figure et aux éléments des figures précédentes ont reçu le même numéro de référence, montre un disjoncteur comprenant à la fois les dispositifs de détection de potentiel du type précité, mais également un transformateur de courant. Ce dernier comprend une bobine torique 40 traversée par le conducteur 41 véhiculant le courant du disjoncteur. La bobine est placée sur un plateau 42 porté par des bras issus du tube 30. Le signal de sortie de la bobine 40 est acheminé par des fils électriques 44 et 45 vers la partie inférieure du disjoncteur, à l'intérieur du tube 30. Dans cette version, la cellule de Pockels 25 a été placée dans une enceinte 24 sous pression et adjacente à la colonne 1B. Selon les applications, la bobine torique avec son circuit magnétique peut être remplacée avantageusement par une bobine de Rogowski. La figure 7 représente partiellement une chambre de coupure comprenant un premier diviseur capacitif comprenant un élément de condensateur 12A relié à une cellule de Pockels 25 placée à l'intérieur du tronçon lB, comme dans la figure 3. La détection de la tension sur la prise 7A est effectuée au moyen d'une feuille métallique 50, tel qu'un anneau plat, placé sur une surface équipotentielle (dont la trace dans la figure 7 est figurée par la ligne en tiretés 51, correspondant à une fraction donnée de la tension sur la prise 7A; cette fraction est par exemple égale à 99,9% du potentiel de la prise. L'anneau 50 est isolé de la prise 7A, soit par une mince couche de gaz diélectrique, soit par un film isolant de très faible épaisseur. La différence de potentiel entre l'anneau 50 et la prise 7A est appliquée aux électrodes d'un convertisseur électro-optique, une cellule de Pockels 52 par exemple. Cette différence de potentiel est égale à 0,1% de la différence de potentiel entre la prise 7A et la terre, ce qui permet d'appliquer une tension assez faible à la cellule de Pockels.Bien entendu, la valeur donnée ci-dessus de la fraction n'est qu'un exemple. L'homme de métier saura choisir la fraction compatible avec les matériels utilisés. Comme précédemment, l'information de tension est acheminée par des fibres optiques 5 et 54 qui traversent la colonne 1C du disjoncteur. La figure 8 représente schématiquement une phase d'un disjoncteur. comprenant deux chambres de coupure par phase, 61 et 62, munies respectivement de condensateurs de répartition 63 et 64. Les références 71 et 72 désignent les prises d'entrée et de sortie du courant. Au voisinage de chacune des prises, et sur des surface équipotentielles respectives convenablement choisies sont placés des anneaux métalliques 81 et 91 associés à des cellules de Pockels 82 et 92. Les informations de tension, converties en onde lumineuse, sont acheminées au sol par les fibres 83, 84. et 93, 94. On pourra équiper de manière analogue les prises extrèmes des disjoncteurs à plusieurs chambres de coupure disposées en T ou en V ou selon toute autre configuration. En variante, les mesures de tension des prises peuvent être obtenus au moyen des condensateurs 63 et 64, comme il a été expliqué plus haut. L'invention qui vient d'être décrite en référence aux exemples représentés dans les dessins, s'applique à tout équipement ou installation électrique comprenant des disjoncteurs à haute tension. REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à haute tension à isolation électrique assuré par un gaz à bonnes propriétés diélectriques, comprenant pour chaque phase, - au moins une colonne support remplie dudit gaz diélectrique et constituant une chambre à l'interieur de laquelle sont disposés un ensemble de contacts fixes, un ensemble de contacts mobiles et une tringle de manoeuvre, - une première et une seconde prises de courant, - et un condensateur d'amortissement des variations de tension transitoire, constitué d'un empilement de condensateurs élémentaires en série et connecté en parallèle sur lesdites prises, caractérisé en ce qu'il comprend un premier moyen de détection de la tension de l'une des prises de courant comprenant, sur ladite prise de courant, un premier diviseur de tension comprenant un premier et un deuxième condensateurs, ledit deuxième condensateur (12A) étant constitué par au moins un condensateur éIémentaire dudit empilement, ledit premier condensateur étant constitué par les autres condensateurs élémentaires, et un premier moyen de mesure (25, 26, 27) et d'acheminement au sol de la tension aux bornes dudit deuxième condensateur, le disjoncteur comprenant en outre pn deuxième moyen de détection de la tension existant sur l'autre prise de courant associé à un deuxième moyen de mesure et d'acheminement au sol de la tension existant sur l'autre prise de courant. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième moyen de détection de tension comprend un second diviseur capacitif comprenant un troisième et un quatrième condensateurs, ledit troisième condensateur ayant pour première armature une portion métallique (1B) de ladite enveloppe au potentiel de ladite prise, pour diélectrique ledit gaz et pour seconde armature une première feuille métallique (32) séparée d'une seconde feuille métallique (33) au potentiel de la terre par une mince feuille (31) de matériau diélectrique, lesdites première et seconde feuilles métalliques et ladite feuille diélectrique constituant ledit quatrième condensateur, ledit quatrième condensateur étant relié audit deuxième moyen pour l'acheminement au sol de la ' tension à ses bornes. 3/ Disjoncteur selon la revendications 2, caractérisé en ce que ladite deuxième feuille métallique (33) est placée sur un tube métallique (30) disposé coaxialement à ladite colonne support et relié au potentiel de la terre. 4/ Disjoncteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit tube métallique (30) sert de support à un transformateur de courant (40). 5/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième moyen de détection de la tension comprend un élément métallique (50) placé sur une surface équipotentielle voisine de ladite autre prise (7A) et correspondant à une fraction donnée du potentiel existant sur ladite prise (7A). 6/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits premier moyen et second moyens de mesure et d'acheminement au sol des tensions des prises comprennent chacun un convertisseur opto-électronique transformant l'information électrique en information optique, et au moins une fibre optique reliant ledit convertisseur à un circuit opto-électronique de mesure placé au voisinage du sol, ladite fibre optique cheminant à travers ladite colonne support. 7/ Disjoncteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit convertisseur est une cellule de Pockels en optique intégrée, du type interféromètre de Mach-Zehnder ou du type commutateur électro-optique.' 8/ Disjoncteur comprenant, entre une prise d'entrée (71) et une prise de sortie (72) au moins deux chambres de coupure 61, 62) en série, caractérisé en ce qu'au voisinage de chacune des prises est disposé un élément (81, 91) métallique, ledit élément étant placé sur une surface équipotentielle correspondant à une fraction donnée du potentiel existant sur ladite prise, chacun desdits éléments étant associé à un moyen de mesure et d'acheminement au sol de la différence de potentiel entre l'élément et la prise correspondante. 9/ Disjoncteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit moyen de mesure et d'acheminement comprend un convertisseur électro-optique (82, 92) et au moins une fibre optique (83, 84, 93, 94). 10/ Disjoncteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit convertisseur (82, 92) est une cellule à effet Pockels en optique intégrée. 11/ Disjoncteur comprenant, entre une prise d'entrée (71) et une prise de sortie (72), au moins deux chambres de coupure en série disposées en T, en V ou en chandelle, et équipées de condensateurs de répartition (63,64), caractérisé en ce que la mesure du potentiel des prises (71,72) se fait à l'aide des condensateurs (63,64) et de moyens de mesure et d'acheminement au sol par fibres optiques (82, 92; 83,84; 93,94).