Brevet FR2678770A1 — publié le 19930108

Disjoncteur hybride haute tension à grande tension d'are. La présente invention concerne un disjoncteur hybride haute tension à grande tension d'arc. Plus précisément elle se rapporte à une chambre de coupure haute tension comprenant une enveloppe étanche remplie de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre ou l'azote sous pression et comprenant des contacts permanents et des contacts d'arc associés à des moyens de souflage et à des moyens permettant de créer une grande tension d'arc. Elle porte également sur un disjoncteur à haute tension en série avec la chambre à grande tension d'arc, disjoncteur classique comprenant par phase une ou plusieurs chambres de coupure selon la tension du réseau, remplies de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre sous pression. Pour le réseau à haute tension à compensation série, lors de certains types de défaut, le courant de défaut peut avoir une très forte composante continue. Ceci peut entraîner des non-passages par zéro du courant de défaut pendant plusieurs périodes. L'insertion d'une tension d'arc élevée dans le circuit permet d'absorber l'énergie de la composante continue et de faire décroître rapidement cette composante vers zéro. Il est connu d'utiliser de l'air comprimé pour la coupure des courants de défaut n'ayant pas de passage par zéro. Ceci permet de créer une tension d'arc élevée de plusieurs milliers de volts. Ce sujet est développé dans l'article IEEE, Transactions on Power Apparatus and Systems, (Novembre - Decembre 1976, volume PAS-95 Numéro 6, "Compressed Air, the solution for generator breakers problems"). Cependant les disjoncteurs à air comprimé présentent des problèmes de prix, de bruit, de compresseur nécessaire pour l'alimentation en air comprimé. L'utilisation de disjoncteurs à faible volume d'huile permet également de résoudre le problème de non-passage à zéro. Cependant de tels disjoncteurs ont un faible pouvoir de coupure. Ils posent des problèmes de coupure des lignes à vide et leur temps de coupure est relativement long, de cinq cycles ou plus au lieu de deux cycles avec les appareils actuels à SF6. La présente invention propose un disjoncteur plus efficace et plus économique à tension d'arc élevée. Pour ce faire, selon l'invention, une chambre de coupure conforme à l'invention comporte au moins un premier agencement de fusible permanent connecté en parallèle aux contacts. Selon une première variante, une résistance de valeur d'environ quelques milliers d'ohms et de tension de quelques kilovolts est montée en parallèle aux contacts. Selon une seconde variante, un condensateur de valeur d'environ une vingtaine de milliers de picofarads et de tension de quelques kilovolts est monté en parallèle aux contacts. Il est également possible de connecter un second agencement de fusible permanent en parallèle aux contacts. Dans ce cas, le premier agencement de fusible permanent est associé en série à un enclencheur rapide normalement en position fermé et le second agencement de fusible permanent est associé en série à un enclencheur rapide normalement en position ouvert et de préférence, les deux enclencheurs sont associés en un appareil unique comprenant des moyens de fermeture et d'ouverture simultanés. Selon un agencement préféré, l'agencement de fusible permanent est constitué d'au moins un fusible permanent logé dans un tube isolant à l'intérieur de l'enveloppe, connecté électriquement et mécaniquement à une plaque supérieure métallique fermant l'enveloppe et reliée à une première prise de courant et connecté à une seconde prise de courant par l'intermédiaire d'un conducteur fixé à un bloc métallique inférieur fermant le tube. Lorsqu'une résistance est associée de préférence, elle est de forme cylindrique à base de carbone et montée parallèlement à l'agencement de fusible permanent, reliée à la plaque supérieure de fermeture et au bloc inférieur. De préférence, l'agencement de fusible permanent comprend au moins un fusible à élément fusible à base de sodium. Cette chambre de coupure est de préférence destinée à équiper un disjoncteur classique à haute tension comprenant par phase une ou plusieurs chambres de coupure remplies de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre sous pression. Dans ce cas, la première est constituée d'une chambre telle que décrite précédemment, cette première chambre de coupure étant de faible tension nominale et de même temps d'ouverture et de même courant nominal que les autres chambres de la meme phase. Les fonctions et avantages de ces différentes caractéristiques apparaissent à la lecture de la description suivante, qui expose l'invention plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement un mode de réalisation. La figure 1 est une représentation schématique d'un disjoncteur à haute tension conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique analogue partielle d'un autre mode de réalisation de la première chambre de coupure. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale du mode de réalisation préféré d'une chambre de coupure conforme à l'invention. La figure 1 est une vue schématique d'une phase d'un disjoncteur à haute tension par exemple à 800 kV. Quatre chambres de coupure 1, 2, 3, 4 sont montées en série entre une première prise de courant 5 et une seconde prise de courant 6. Ces chambres sont remplies d'un gaz diélectrique qui est du SF6 pour les chambres 2, 3, 4 et de préférence de l'azote à une pression égale ou supérieure à 10 bars pour la chambre 1. Les chambres 2, 3, 4 sont équipées d'un organe de coupure 7 et d'un condensateur 8 de répartition monté en parallèle de façon classique. La première chambre de coupure 1 est équipée d'un organe de coupure 7. Cette chambre 1 est de faible tension nominale, de même temps d'ouverture et de meme courant nominal que les autres chambres 2, 3, 4. Monté en parallèle et à côté de la chambre 1, est disposé un agencement de fusible 10 permanent. De préférence, cet agencement 10 comprend un ou des fusibles dit PPF (permanent power fuse), constitués d'un élément fusible de sodium solide enfermé dans un tube isolant de céramique, lui-m8me entouré d'un cylindre d'acier pourvu de connecteurs d'extrémité en chrome-cuivre. Une résistance 11 de valeur d'environ quelques milliers d'ohms et de tension de quelques kilovolts est également montée en parallèle et à côté de la chambre 1. Elle peut être remplacée par un condensateur de valeur d'environ une vingtaine de milliers de picofarads et de tension de quelques kilovolts. Le rôle de la résistance ou du condensateur est de rendre négligeable la tension aux bornes de la chambre 1 une fois que les autres chambres 2, 3, 4 coupent le courant de défaut. La répartition du courant nominal entre la chambre de coupure 1 et l'agencement de fusibles 10 est de l'ordre de 99 % - 1 %, c'est à dire 99 % du courant nominal dans la chambre 1 et 1 % du courant nominal dans l'agencement de fusible 10. La mise en oeuvre du disjoncteur est la suivante. Lors d'un défaut, les quatre chambres 1, 2, 3, 4 s'ouvrent en même temps. A la séparation des contacts d'arc de l'organe de coupure 7 de la première chambre 1, le courant de défaut est immédiatement transféré dans l'agencement de fusible 10. Le passage de ce courant fait fonctionner le fusible 10 (dans le cas où cet agencement ne comporte qu'un fusible). Le sodium solide se transforme en gaz de sodium à très haute pression créant ainsi une tension d'arc élevée de plusieurs kilovolts. On peut augmenter cette tension d'arc en utilisant plusieurs fusibles en série dans l'agencement 10. L'agencement de fusible 10 peut également comprendre plusieurs fusibles en parallèle afin d'augmenter le pouvoir de coupure en cas de grand courant de défaut. Il est à noter que le ou les fusibles ne sont utilisés que pour créer une tension d'arc et non pour la coupure du circuit qui est assurée par les trois autres chambres 2, 3, 4. Cette tension d'arc fait décroître la composante continue du courant de défaut très rapidement. Les trois autres chambres 2, 3, 4 peuvent ainsi couper le courant de défaut au premier passage par zéro du courant sans difficulté. L'extinction du courant dans le fusible permet un refroidissement rapide de ce dernier. Le sodium redevient solide et le fusible peut de nouveau transporter le courant. Dès l'extinction de ce dernier, on peut refermer l'organe de coupure 7 de la première chambre 1, les trois autres chambres restant ouvertes. I1 est souhaitable que cette chambre 1 puisse effectuer un cycle O-F rapide. Dans le cycle de refermeture rapide, on referme les chambres 2, 3, 4 environ 0,3 seconde après leur ouverture. Pour assurer avec sécurité plusieurs fonctionnements successifs du disjoncteur, un autre mode de réalisation peut etre utilisé, qui est décrit sur la figure 2. Un second agencement de fusible permanent 12 est monté en parallèle avec la chambre 1. Un enclencheur rapide 14 est monté en série avec ce second fusible 12 (ou ces seconds fusibles 12); il est normalement en position ouverte. De même le premier fusible 10 (ou les premiers fusibles 10) est en série avec un enclencheur rapide 13 normalement en position fermée. Après le fonctionnement du premier fusible 10 (comme décrit ci-dessus), l'enclencheur 13 est ouvert et l'enclencheur 14 est fermé et c'est le second fusible 12 qui assure l'élévation de la tension d'arc lors de la 20 ouverture rapide sur défaut. Les deux enclencheurs 13, 14 font de préférence partie d'un appareil unique permettant la fermeture et l'ouverture simultanées. Il est à noter que même si le fusible peut transporter le courant nominal en permanence, la présence de la chambre de coupure 1 est nécessaire. Elle permet en effet la synchronisation de fonctionnement du fusible par rapport aux autres chambres de coupure 2, 3, 4 évitant ainsi des durées d'arc trop longues dans le fusible. Elle protège également le fusible en cas de tenue en surintensité ou en cas de non fonctionnement de chambres 2, 3, 4. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation préféré de la première chambre de coupure 1. La référence 20 désigne une enveloppe isolante, en céramique ou en composite, délimitant un volume 21 contenant les éléments de coupure. L'enveloppe isolante est fermée à une extrémité par une plaque métallique 22, fixée à une couronne métallique 24 constituant une première prise de courant et prolongée à l'intérieur de l'enveloppe par des bras 25 auxquels sont fixés un premier tube métallique 26 constituant le contact principal fixe et un second tube 27, coaxial au premier, et constituant le contact d'arc fixe. Le volume 21 est rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexaflurorure de soufre sous une pression de quelques bars ou de l'azote sous une pression supérieure ou égale à 10 bars. Un équipage mobile comprend un tube métallique 29, prolongé par un capot pare-effluves 30, et muni d'une cloison métallique transversale portant des doigts de contact 32 constituant le contact principal mobile et un tube de soufflage 33 prolongé par des doigts de contact 34 constituant le contact d'arc mobile. La cloison, percée de trous pour le passage du gaz de soufflage, porte une buse de soufflage 37 en matériau isolant Le soufflage est assuré par un piston fixe disposé à l'intérieur du tube 29. Le tube 29 est relié, par des contacts glissants non représentés, à une deuxième prise de courant du disjoncteur. Un tube isolant 41 est fixé à sa partie supérieure à la plaque métallique 22 fermant l'enveloppe 20. Le tube 41 est fermé à sa partie inférieure par un bloc métallique 46 portant un bras 47 conducteur relié à la seconde prise de courant (sortie) non représentée. Selon ce mode de réalisation préféré, l'agencement de fusible 10 est incorporé dans la chambre de coupure. Les fusibles 101 sont disposés en série dans le tube 41 par empilement, reliés par des conducteurs 102. Ce tube 41 est fermé à son extrémité supérieure par une plaquette 106. Il n'est pas étanche et est pourvu d'orifices 107 pour etre rempli de SF6 ou de N2. Les fusibles 101 sont ainsi montés en parallèle aux contacts d'arc 27, 34 par l'intermédiaire de la plaque 22 relié à la première prise de courant (entrée) et du conducteur 47 relié à la seconde prise de courant (sortie). Une résistance 11 est montée en parallèle à l'agencement de fusible 10. Elle est constituée d'un bâtonnet à base de carbone, connecté à la plaque 22 et au bloc conducteur 46. Radialement, cette résistance Il est montée entre les deux bras 5. Elle est dessinée sur la figure 3, adjacente à un bras 5 pour faciliter sa représentation. En réalité, elle est décalée radialement de 900 (sur l'avant ou l'arrière du tube 41 selon la figure 3). REVENDICATIONS 1) Chambre de coupure haute tension destinée à être disposée en série avec un disjoncteur haute tension classique, comprenant une enveloppe (20) étanche remplie de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre ou l'azote sous pression et comprenant des contacts permanents (26, 32) et des contacts d'arc (27, 34) associés à des moyens de soufflage, chambre de coupure caractérisée en ce qu'au moins un premier agencement de fusible permanent (10) est connecté en parallèle aux contacts (27, 34), 2) Chambre de coupure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une résistance (11) de valeur d'environ quelques milliers d'ohms et de tension de quelques kilovolts est montée en parallèle aux contacts (27, 34). 3) Chambre de coupure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un condensateur de valeur d'environ une vingtaine de milliers de picofarads et de tension de quelques kilovolts est monté en parallèle aux contacts (27, 34) à la place de la résistance (11). 4) Chambre de coupure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un second agencement de fusible permanent (12) est connecté en parallèle aux contacts (27, 34). 5) Chambre de coupure selon la revendication 4, caractérisée en ce que le premier agencement de fusible permanent (10) est associé en série à un enclencheur rapide (13) normalement en position fermé et le second agencement de fusible permanent (12) est associé en série à un enclencheur rapide (14) normalement en position ouvert. 6) Chambre de coupure selon la revendication 5, caractérisée en ce que les deux enclencheurs (13, 14) sont associés en un appareil unique comprenant des moyens de fermeture et d'ouverture simultanées. 7) Chambre de coupure selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'agencement de fusible permanent (10) est constitué d'au moins un fusible permanent (101) logé dans un tube isolant (41) à l'intérieur de l'enveloppe (20), connecté électriquement et mécaniquement à une plaque supérieure (22) fermant l'enveloppe (20) et reliée à une première prise de courant et connecté à une seconde prise de courant par l'intermédiaire d'un conducteur (47) fixé à un bloc métallique (46) inférieur fermant le tube (41). 8) Chambre de coupure selon la revendication 7 caractérisée en ce que l'agencement de fusible permanent (10) comprend au moins deux fusibles (101) en série empilés dans le tube (41), un élément conducteur (102) étant inséré entre les fusibles (101). 9) Chambre de coupure selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'une résistance (11) de forme cylindrique à base de carbone est montée parallèlement à l'agencement de fusible permanent (10), relié à la plaque supérieure de fermeture (22) et au bloc inférieur (46). 10) Disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que l'agencement de fusible permanent (10) comprend au moins un fusible à élément fusible à base de sodium. 11) Disjoncteur à haute tension comprenant par phase au moins deux chambres de coupure (1, 2) en série, remplies de gaz à bonnes propriétés diélectriques, caractérisé en ce que la première chambre (1) est constituée d'une chambre conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, cette première chambre de coupure (1) étant de faible tension nominale et de même temps d'ouverture et de même courant nominal que la ou les chambre(s) (2) de la même phase.