Brevet FR2683937A1 — publié le 19930521

DISJONCTEUR HYBRIDE POUR LA COUPURE DES COURANTS A GRANDE COMPOSANTE CONTINUE La présente invention concerne la coupure des courants à grande composante continue, que l'on rencontre par exemple dans les réseaux alternatifs à haute tension à compensation série, lors de l'apparition de certains types de défaut La présence de la composante continue peut entraîner le non passage du courant par zéro, pendant plusieurs périodes Il est alors difficile de couper le courant par les méthodes classiques de soufflage ou auto-soufflage d'arc qui combinent un fort soufflage de l'arc et un passage concomitant par zéro de l'amplitude du courant. Il est bien connu que pour remédier à cet inconvénient, il faut, par un moyen convenable, augmenter la tension d'arc; une tension d'arc élevée permet en effet d'absorber l'énergie de la composante continue du courant et de la faire tendre vers zéro. Il a été proposé d'utiliser une chambre de coupure à fusibles permanents en série avec un disjoncteur haute tension classique La fusion des fusibles, lors d'une opération de déclenchement sur défaut, produit une très forte tension d'arc qui fait décroître très rapidement la composante continue du courant de défaut. Il a également été proposé d'utiliser une chambre de coupure à haute pression munie de moyens pour créer plusieurs arcs en série. Ces solutions nécessitent l'emploi d'appareils nouveaux Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur capable de créer une forte tension d'arc, en utilisant les matériels existant sur le marché, moyennant une modification technique mineure et de faible coût. Il est connu que le disjoncteur à air comprimé à haute pression peut créer des tensions d'arc élevées -2- dépassant dix fois celle des disjoncteurs à hexafluorure de soufre (SF 6) Ces disjoncteurs classiques à air comprimé ont été utilisés depuis longtemps dans les réseaux à haute et très haute tension On pourra se référer à cet égard à l'article " Appareillage haute tension" de E Thuries et Pham Van Doan, Avenir du Génie Electrique, Colloque national organisé par le Ministère de la Recherche, Actes, 28-29 Janvier 1987, Paris. Les disjoncteurs à air comprimé sont utilisés en particulier, dans les régions très froides o la température ambiante peut descendre jusqu'à 50 C. A cette température, il peut y avoir condensation du SF 6 si la pression à l'intérieur de la chambre de coupure du disjoncteur n'est pas suffisamment basse. Au moyen de deux chambres de coupure à air comprimé en série, on peut assurer une tension d'arc suffisante pour accélérer la décroissance de la composante continue du courant de défaut. L'invention propose un disjoncteur hybride comportant, pour chaque phase, des chambres de coupure à air comprimé et des chambres de coupure à SF 6, cet ensemble permettant la coupure des courants de défauts ayant des passages à zéro retardés à cause de leur grande composante continue. Le rôle des chambres de coupure à air comprimé est similaire à celui de la chambre de coupure à fusible permanent ou à celui de la chambre de coupure à arcs multiples: il est de créer une tension d'arc suffisamment élevée. Le rôle des chambres à SF 6 est d'assurer la coupure au passage par zéro du courant et d'isoler le circuit. Il est prévu de disposer, aux bornes des chambres de coupure à air comprimé, une résistance de -3- plusieurs milliers d'ohms ou une capacité de l'ordre de plusieurs centaines de milliers de picofarads: de la sorte, en position ouverte sous tension, il n'y a pas de contrainte de tension sur les chambres de coupure à air comprimé On note qu'à l'instant de la coupure, la tension d'arc peut atteindre plusieurs dizaines de kilovolts L'utilisation d'une grande capacité de plusieurs centaines de milliers de picofarads aux bornes de l'arc peut le rendre instable par des oscillations de courant à travers une inductance de faible valeur ou à travers l'inductance de connexion en série avec cette capacité Cette instabilité favorise l'augmentation de la tension d'arc et la décroissance du courant vers zéro On se référera à cet égard aux articles suivants: " L'oscillation arc-capacité et son utilisation pour l'évaluation des paramètres caractéristiques d'un arc électrique" de ZENELDIEN A. Mohssen, Thèse de Doctorat, Université de Grenoble, 5 juin 1974. "HVDC circuit breakers using oscillating current techniques", Yamada et al, Direct current, 1966, N 08. "DC circuit breaker", US Patent No 4216513 du 5 août 1980, Hitachi Ltd. L'absence de contrainte de tension sur les chambres de coupure à air comprimé autorise l'utilisation, pour la réalisation des chambres de coupure à air comprimé, d'enveloppes en matériau composite, par exemple en fibres de verre imprégnées d'époxy avec des ailettes en silicone ou en EPDM On peut alors utiliser des pressions d'air comprimé élevées et éviter des explosions toujours possibles avec des céramiques. Pour assurer une sécurité de fonctionnement parfaite, la chambre de coupure à air comprimé est à 4 2683937 refermeture automatique, c'est-à-dire qu'après une ouverture, son contact mobile se referme automatiquement et rapidement en quelques centièmes de secondes au lieu de plusieurs dizaines de centièmes de secondes, comme c'est le cas habituel dans les disjoncteurs classiques avec ordres électriques d'ouverture ou de fermeture élaborés à partir de l'indication fournie par les contacts auxiliaires (appelés aussi contacts signaux). L'invention a donc pour objet un disjoncteur hybride pour la coupure de courants à grande composante continue, caractérisé en ce qu'il comprend, disposés en série, un disjoncteur à air comprimé comprenant au moins une chambre de coupure aux bornes de laquelle est placée en parallèle une résistance de plusieurs milliers d'ohms ou une capacité de plusieurs centaines de milliers de picofarads, et un disjoncteur à hexafluorure de soufre (SF 6) comprenant au moins une chambre de coupure, les deux disjoncteurs étant commandés pour s'ouvrir sensiblement simultanément ou avec une avance de quelques millièmes de secondes pour le disjoncteur à air comprimé, le disjoncteur à air comprimé comprenant des moyens pour qu'un ordre de fermeture lui soit donné automatiquement entre 2 et 3 centièmes de seconde après un ordre d'ouverture. De préférence, les chambres de coupure du disjoncteur à air comprimé sont réalisés en matériau composite tel que les fibres de verre imprégnées de résine époxy avec des ailettes en silicone ou en EPDM. Avantageusement, dans le cas o le disjoncteur à air comprimé comprend une valve d'ouverture manoeuvrée par l'admission d'air comprimé dans un premier conduit, cette admission étant sous la dépendance d'une soupape d'ouverture manoeuvrée par une tringle de manoeuvre, et une valve de fermeture manoeuvrée par l'admission d'air comprimé dans un second conduit, lesdits moyens comprennent une canalisation reliant lesdits premier et second conduits. L'invention sera bien comprise par la description d'un exemple de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une vue schématique en élévation d'un disjoncteur hybride selon l'invention, la figure 2 est une vue en élévation d'un pôle de disjoncteur à air comprimé, la figure 3 est une vue en coupe axiale d'une chambre de coupure à air comprimé avec son mécanisme de déclenchement et d'enclenchement. L'exemple de disjoncteur hybride selon l'invention est celui d'un disjoncteur de tension nominale 800 k V comprenant un disjoncteur à air comprimé ayant deux chambres en série et un disjoncteur à SF 6 ayant trois chambres de coupure en série. Les chambres du disjoncteur à air comprimé (A) sont référencées 1 et 2; elles comportent une enveloppe en matériau composite tel que la fibre de verre imprégnée de résine époxy, avec des ailettes en silicone ou en EPDM Des résistances 3 et 4, de grande valeur ohmique (de l'ordre de plusiurs milliers d'ohms) sont reliées électriquement en parallèle sur les chambres 1 et 2 respectivement En variante, les résistances sont remplacées par des condensateurs de capacité égale à plusieurs centaines de milliers de picofarads Les résistances ou les condensateurs sont montés dans des enveloppes isolantes, en matériau composite, disposées parallèlement aux chambres 1 et 2. Les chambres comportent des contacts électriques mobiles commandés par des valves d'ouverture et de fermeture contenues dans un réservoir central 5 Les chambres sont montées sur une colonne isolante 6 en céramique 6, dans laquelle passe une tringle isolante de commande référencée 9 dans la figure 2 A la base de la colonne 6 est placé un réservoir d'air comprimé 7 et une commande 8. Le disjoncteur à SF 6 (B) comporte des chambres de coupure à SF 6 41, 42 et 43, équipées de condensateurs de répartition, respectivement 44, 45 et 46; chambres de coupure et condensateurs sont montées sur des supports isolants 47, 48 et 49 Les chambres sont manoeuvrées par des commandes 50, 51 et 52, hydrauliques, mécaniques ou pneumatiques Ces commandes sont sous la dépendance d'un bobinage 39 alimenté sur ordre d'une armoire de commande 40. La figure 2 montre un exemple de réalisation du disjoncteur à air comprimé; une seule chambre, la chambre 1, a été représentée, l'autre chambre étant tout à fait identique Pour la clarté du dessin, la résistance 3 n'a pas été représentée La figure 3 illustre de manière plus détaillée la chambre de coupure et le mécanisme d'enclenchement et de déclenchement. La chambre comprend notamment un contact d'arc mobile 22 muni d'un piston 20 et un contact d'arc fixe 32, une valve d'ouverture H commandée par une soupape G, une valve de fermeture K et une valve de soufflage L. La commande 8 comporte une valve 17 comportant un piston 18 et une électrovalve 20 commandée par un bobinage 21; l'ordre électrique sur la bobine 21, élaboré par l'armoire de commande 40, fait ouvrir l'électrovalve 20 et admet l'air comprimé dans l'espace 19 surmontant le piston 18, ce qui provoque le déplacement de ce dernier vers le bas de la figure 2 et, par suite, l'ouverture de la soupape G et le déplacement vers le bas de la figure 3 de la valve d'ouverture H. Le fonctionnement de cette valve H libère le siège 14 L'air comprimé du volume 15 intérieur au -7 - contact d'arc 22 s'échappe vers l'espace 19, puis vers l'air atmosphérique à travers le silencieux 31 La mise à la pression atmosphérique du volume 15 provoque l'ouverture automatique de la valve de soufflage L La chute de pression dans le volume 16 à l'arrière du piston 20 provoque le déplacement du contact mobile 22 vers la droite de la figure et l'apparition d'un arc électrique entre les contacts 22 et 32 L'air comprimé dans l'enceinte 25 s'échappe vers les espaces 33 et 19 en créant un soufflage intense sur l'arc au fur et à mesure de son déplacement vers la droite de la figure 3 Les silencieux 31 et 34 permettent de réduire le bruit du soufflage de l'air comprimé En fin de course du contact 22, l'arc s'éteint au premier passage par zéro du courant. La coupure rapide de l'ordre de la bobine 21 permet de refermer l'électrovalve 20, la soupape G, la valve d'ouverture H La valve d'autosoufflage L se referme automatiquement quelques centièmes de seconde après son ouverture. Selon une caractéristique de l'invention, une canalisation 10 relie le canal d'admission 11 de la haute pression sur la valve d'ouverture H et le canal d'admission 12 de l'air comprimé sur le piston de commande 13 de la valve de fermeture K. Le rôle de cette canalisation 10 est le suivant: en même temps que l'admission de l'air comprimé se fait dans le canal 11, l'air comprimé traverse la canalisation 10 et pénètre, avec un certain retard, de l'ordre de 2 à 3 centièmes de seconde, dans le canal 12 pour faire fonctionner la valve de fermeture K Le fonctionnement de la valve K permet la mise à l'atmosphère de l'espace 26 devant le piston 20 et le réenclenchement du disjoncteur en raison de la haute pression régnant dans l'espace 16 à l'arrière du piston 20, suite à la fermeture de la valve H. 8 - Ainsi, on peut obtenir une refermeture rapide et automatique du disjoncteur à air comprimé, après une ouverture, sans avoir besoin de tringle d'enclenchement ni d'électrovalve de fermeture. Grâce à l'ouverture, pendant un temps très court, du disjoncteur à air comprimé, on a pu obtenir une augmentation suffisante de la tension d'arc, permettant un passage par zéro du courant qui sera alors facilement coupé par le disjoncteur à SF 6. Le temps d'ouverture du disjoncteur à air comprimé est ajusté par le choix de la longueur et de la section de la canalisation 10 Si nécessaire, la canalisation 10 pourra entourer la valve H et en faire plusieurs fois le tour. Il est nécessaire que les chambres de coupure du disjoncteur à air comprimé et celle du disjoncteur à SF 6 s'ouvrent simultanément ou de préférence que celles du disjoncteur à air comprimé s'ouvrent quelques millisecondes avant celles du disjoncteur à SF 6. On notera que pour éviter toute erreur ou retard d'ordre, l'ordre électrique d'ouverture sera donné simultanément à la bobine d'ouverture 21 du disjoncteur à air comprimé et à la bobine d'ouverture 39 du disjoncteur à SF 6, soit avec les deux bobines en parallèle, soit en série. Il est possible de faire fonctionner la valve 17 soit directement, soit par un relais avec l'ordre pneumatique ou hydraulique provenant de la commande 40 du disjoncteur à SF 6. Dans la figure 3, on a montré la valve d'ouverture H qui assure le soufflage du gaz commun aux deux chambres de coupure adjacentes Dans le cas d'utilisation de disjoncteur à deux chambres à une valve d'ouverture par chambre, l'utilisation de la canalisation 10 pour la refermeture reste valable. 9 2683937 REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur hybride pour la coupure de courants à grande composante continue, caractérisé en ce qu'il comprend, disposé en série, un disjoncteur à air comprimé (A) comprenant au moins une chambre de coupure ( 1, 2) aux bornes de laquelle est placée en parallèle une résistance ( 3, 4) de plusieurs milliers d'ohms ou une capacité de plusieurs centaines de milliers de picofarads, et un disjoncteur (B) à hexafluorure de soufre (SF 6) comprenant au moins une chambre de coupure ( 41, 42,43), les deux disjoncteurs étant commandés pour s'ouvrir sensiblement simultanément ou avec une avance de quelques millièmes de secondes pour le disjoncteur à air comprimé, le disjoncteur à air comprimé (A) comprenant des moyens pour qu'un ordre de fermeture lui soit donné automatiquement entre 2 et 3 centièmes de seconde après un ordre d'ouverture. 2/ Disjoncteur hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chambres de coupure ( 1, 2) du disjoncteur à air comprimé (A) sont réalisés en matériau composite tel que les fibres de verre imprégnées de résine époxy avec des ailettes en silicone ou en EPDM. 3/ Disjoncteur selon l'une des revendications let 2, dans lequel le disjoncteur à air comprimé (A) comprend une valve d'ouverture (H) manoeuvrée par l'admission d'air comprimé dans un premier conduit ( 11), cette admission étant sous la dépendance d'une soupape d'ouverture (G) manoeuvrée par une tringle de manoeuvre ( 9), ledit disjoncteur comprenant une valve de fermeture (K) manoeuvrée par l'admission d'air comprimé dans un second conduit ( 12), caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent une canalisation ( 10) reliant lesdits premier ( 11) et second ( 12) conduits.