Brevet FR2676587A1 — publié le 19921120

Disjoncteur à grand pouvoir de coupure L'invention se rapporte à un disjoncteur à haute tension à chambre de coupure comprenant une enveloppe cylindrique étanche rempli de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de ú soufre et contenant un contact permanent fixe, un contact d'arc fixe et un équipage mobile comprenant des contacts permanents et des contacts d'arc, la chambre comprenant en outre une résistance en parallèle insérée à l'ouverture des contacts d'arc par un interrupteur auxiliaire. Les conditions de coupure de défaut en ligne (défaut kilométrique) sont sévères pour les disjoncteurs à très haute tension à monocoupure. Il est connu d'insérer une résistance d'ouverture R pour améliorer la coupure en défaut kilométrique La présence de cette résistance R de valeur ohmique égale à environ celle de l'impédance Z de la ligne permet de réduire fortement la vitesse d'accroissement de la tension transitoire et de l'amplitude de la première crête d'oscillation de la tension de la ligne Ce coefficient de réduction est égal à (Z= 450 ohms pour une ligne R + Z aérienne) Ces résistances de coupure absorbant une forte énergie, elles ne peuvent rester longtemps sous tension Il est donc nécessaire de leur associer un interrupteur qui doit avoir un bon pouvoir de coupure pour couper le courant résiduel surtout en opposition de phases.25 Pour les courants dépassant plusieurs certaines d'ampères, un interrupteur avec soufflage s'impose, le temps de relaxation (temps durant lequel le courant est considéré comme négligeable par exemple inférieur à 1 ampère) étant très court Ceci amène à l'installation d'interrupteurs de coupure auxiliaires complexes à compression du gaz. Il est également connu d'utiliser des varistances en série insérées à la coupure. Un condensateur en parallèle à ces varistances permet d'améliorer la coupure de grands courants en défaut de ligne Pour les condensateurs de capacité supérieure à 5000 p F, cet agencement :. -2- efficace s'avère coûteux Le condensateur devra en effet être dimensionné pour tenir la tension en opposition de phase pendant environ une période de la tension en fréquence industrielle Malgré ce temps court, les dimensions du condensateur restent importantes Un 5 tel agencement est décrit dans la demande de brevet FR 91 04 173 déposée par la Demanderesse. Dans la demande de brevet FR 90 13 176, la Demanderesse a décrit des interrupteurs auxiliaires d'insertion très simples, sans soufflage, pour une coupure assistée par varistance. Grâce à la présente invention il est possible de couper de grands courants résistifs avec de tels interrupteurs auxiliaires sans soufflage de gaz diélectrique. Pour ce faire la résistance est associée à un agencement de varistances connecté en série, l'ensemble étant disposé à l'intérieur de l'enveloppe et relié en série avec l'interrupteur auxiliaire dont l'ouverture est commandée par l'ouverture du disjoncteur, et le volume de la résistance étant supérieur à celui de l'ensemble des varistances dans un rapport supérieur ou égal à cinq. Dans le cas de varistances du type des varistances à Zn O, l'agencement de varistances est constitué de varistances en parallèle. Afin d'obtenir un encombrement minimal, de préférence, l'agencement de varistances est constitué de pastilles de varistances empilées, chaque paquet de N varistances étant séparé par un disque conducteur pourvu d'une languette radiale, ces dernières étant reliées25 par un conducteur gainé. Dans le cas de varistances du type des varistances à Si C, l'agencement de varistances est constitué de varistances empilées en série. Afin d'augmenter la capacité aux bornes de l'agencement de varistances, un condensateur peut être connecté en parallèle à l'agencement de varistances. Selon une disposition avantageuse, les pastilles de varistances et éventuellement les disques conducteurs sont annulaires, un tube isolant est disposé dans le trou formé par les pastilles de35 varistances empilées et le condensateur est disposé dans ce trou relié -3 - en parallèle aux varistances par au moins un conducteur. Afin de diminuer le courant résiduel, selon un dernier agencement, une varistance est connecté en série avec le condensateur. Grâce à l'invention, un interrupteur sans soufflage, particulièrement simple, peut être utilisé. De préférence, le mécanisme d'insertion comprend au moins un bras métallique relié électriquement à la résistance et coopérant avec une électrode en liaison électrique avec la seconde prise de courant. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement des modes de réalisation préférés. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un disjoncteur conforme à l'invention. La figure 2 est une vue de détail en coupe longitudinale représentant l'agencement de varistances associées à la résistance, selon une première variante. La figure 3 est une vue de dessus d'un élément conducteur utilisé selon cet agencement. Les figures 4 et 5 sont des vues analogues à la figure 2, o un condensateur en série éventuellement avec une varistance est monté en parallèle aux varistances, selon une deuxième et troisième variante. La figure 6 est une vue de détail en coupe longitudinale représentant l'agencement de varistances associé à la résistance, selon une quatrième variante. La figure 7 est la courbe de tension et de courant en fonction du temps illustrant le fonctionnement du disjoncteur conforme à l'invention, à la coupure du courant sur les contacts d'arc. La figure 8 représente un mode de réalisation de l'interrupteur auxiliaire. Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enveloppe isolante, de préférence en porcelaine, délimitant un volume 2 contenant les éléments de coupure du disjoncteur L'enveloppe isolante est fermée à une extrémité par un capot métallique 32, fixé à une couronne métallique 4 constituant une première prise de courant et prolongée, à l'intérieur de l'enveloppe par des bras 5 auxquels sont fixés un 4 - premier tube métallique 6 constituant le contact principal fixe, et un second tube 7, coaxial au premier, et constituant le contact d'arc fixe. Le volume 2 est rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de quelques bars. L'équipage mobile du disjoncteur comprend un tube métallique 9, prolongé par un capot pare-effluves 10, et muni d'une cloison métallique transversale portant des doigts de contact 12 constituant le contact principal mobile et un tube de soufflage 13 prolongé par des doigts de contact 14 constituant le contact d'arc mobile La cloison, percée de trous pour le passage du gaz de soufflage, porte une buse de soufflage 17 en matériau isolant Le soufflage est assuré par un piston fixe 25 disposé à l'intérieur du tube 9 Le tube 9 est relié, par des contacts glissants non représentés, à une deuxième prise de courant du disjoncteur. La résistance associée à la chambre de coupure est logée à l'intérieur de la chambre Elle est constituée par l'empilage d'un certain nombre d'éléments de résistance 40, disposés dans un tube20 isolant 31 Ces éléments de résistance 40 sont en général des pastilles à base de carbone. Un agencement 41 de varistances avec éventuellement un condensateur associé est disposé également dans le tube 31 Ces éléments de varistance peuvent être à base d'oxyde de zinc (Zn O) ou de carbure de silicium (Si C). Cet agencement sera décrit plus précisément plus loin. Le tube 31 est fixé à la partie supérieure du capot métallique 32 fermant la chambre de coupure à sa partie supérieure L'empilement d'éléments est surmonté d'une plaque métallique 33 reliée par une tresse 34 au capot 32 et pressée par un ressort 35 en appui contre le fond du capot. Le tube 31 est fermé à sa partie inférieure par un bloc métallique 36 portant des bras 37 à l'extrémité desquels est fixé un anneau métallique 22, par exemple en cuivre ou en tungstène (wolfram),35 coopérant avec une électrode 23 rapportée sur le tube 9 pour - l'insertion de l'ensemble résistance et varistance. L'agencement 41 peut également être monté en aval de la résistance 40 entre celle-ci et le bloc métallique 36 Ainsi est évité l'effet de chaleur provenant de la résistance. 5 La figure 2 représente une première variante de l'agencement 41 de varistances 42 associées en parallèle en série à la pile de pastilles de résistance 40. Les varistances 42 sont des pastilles cylindriques empilées avec un disque conducteur 43 inséré entre chaque pastille 42. Ce disque conducteur 43 est représenté sur la figure 3 Il est constitué d'un disque métallique 43 ' pourvue d'une languette 43 " radiale recourbé à son extrémité à 900. Un tel disque est également installé sur la pastille supérieure de résistance 40, surmonté d'un disque isolant 44, un autre disque 43 étant disposé entre le disque isolant 44 et la pastille de varistance inférieure La pastille supérieure de varistance est également surmonté d'un disque conducteur 43 puis de la plaque métallique 33. Les pastilles de varistance 42 sont au nombre de quatre sur l'exemple représenté. Les languettes 43 " des disques 43 sont disposées de façon opposée, une sur deux étant d'un c 8 té de la pile de varistances et les autres de l'autre c 8 té de la pile de varistances Les languettes 43 " se trouvant d'un même côté sont reliées par une tresse conductrice 45 gainée d'un isolant 46 sur sa longueur o elle n'est pas reliée à une25 languette 43 " Ainsi sont associées les varistances 42 en parallèle à la sortie de la résistance, avec un minimum d'encombrement. La figure 4 est une vue analogue d'une deuxième variante o un condensateur 47 est monté en parallèle aux varistances 42. Pour ce faire, les varistances 42 utilisées sont de forme annulaire Un tube isolant 48 est mis en place dans l'orifice formé par l'empilement des varistances 42, un condensateur 47 est disposé dans ce tube isolant 48. Les disques conducteurs 43 sont également annulaires, leur orifice central ( 43 A; figure 3) étant sensiblement de même dimension que celui des varistances 42 Seul les disques inférieurs 43 ' 6 - enserrant le disque isolant 44 sont pleins Le condensateur 47 est ainsi inséré en parallèle aux varistances 42, grâce à un conducteur intercalé 49. La figure 5 est une vue analogue d'une troisième variante o une varistance 50 est insérée en série avec le condensateur 47. La figure 6 est une vue en coupe d'une quatrième variante o les varistances 42 sont montées en série avec les résistances 40 et le condensateur 47 monté en parallèle aux varistances 42 Dans ce cas, les varistances 42 annulaires sont directement empilées sur les10 résistances 40 et le condensateur 47 est intercalé dans un tube isolant 48 associé à un conducteur 49, ainsi qu'éventuellement la varistance 50. Le fonctionnement de tels agencements est maintenant décrit, illustré par la figure 7. Le disjoncteur est équipé d'une résistance d'ouverture R associée à des éléments de varistances V et éventuellement à un condensateur, selon les variantes décrites ci-dessus. Lors de la coupure d'un défaut en ligne, à l'extinction du courant élevé dans la chambre principale, une tension à vitesse d'accroissement de la tension transitoire( très élevée 0 dt Jo (supérieure à 10 KV/is) apparaît aux bornes du contact d'arc et en même temps sur le circuit auxiliaire inséré, l'interrupteur auxiliaire étant en position fermée Compte-tenu de la très grande fréquence d'oscillation de la ligne (f 1 100 k Hz), les varistances V sont court-circuitées et la capacité C présente une impédance faible par rapport à la résistance R La vitesse d'accroissement de la tension transitoire appliquée au disjoncteur est réduite dans le rapport de R soit 0,5 si R = Z. R + Z du A = 1 (du A \ dtçl 2 (dt) Ainsi sont réduits du et l'amplitude de la première crête dt d'oscillation de la tension de la ligne, ce qui améliore les -7- conditions de coupure en défaut kilométrique. Dans le cas de varistances à oxyde de zinc, à tension faible et à haute fréquence, la composante capacitive est prépondérante et il peut ne pas être indispensable d'insérer une capacité supplémentaire (première variante: figure 2) Si un condensateur est inséré en parallèle, il l'est selon la deuxième variante (figure 4). Dans le cas de varistances à carbure de silicium, la capacité propre étant très faible, c'est la composante résistive qui est prépondérante, à faible tension et à haute fréquence Il est donc nécessaire d'ajouter une capacité additionnelle C (deuxième ou quatrième variante) en parallèle aux varistances Cette capacité C est de valeur relativement faible (environ quelques milliers de picofarads). La mise en parallèle des varistances V permet d'assurer le passage d'un courant de plusieurs centaines d'ampères pendant environ une période à 50 Hz (c'est-à-dire 20 ms) On remarque que, considérant qu'un élément de varistance à Zn O présente une capacité de l'ordre de 2000 p F, avec N disques en parallèle on aura une capacité de N x 2000 p F. Les varistances en Si C ont une capacité thermique élevée Elles peuvent être disposées uniquement en série (quatrième variante figure 6). Quand la tension atteint le seuil de fonctionnement des varistances V, ces dernières shuntent la capacité C Le courant passant dans les varistances V est pratiquement égal à celui passant dans la résistance R. Après le régime transitoire rapide, la tension simple Us est appliquée à la résistance R, aux varistances V et au condensateur C. Le courant résistif est alors égal à I = US Après un laps de R -R pè u asd temps d'environ 15 ms après l'ouverture des contacts d'arc, l'interrupteur auxiliaire s'ouvre. A l'approche du zéro de tension Us I, (IR et Us étant en phase), le courant IR tombe rapidement vers zéro à l'instant du blocage du courant par les varistances V, c'est-à-dire une cinquantaine de35 8 - microsecondes avant le zéro de tension. Ainsi, de part et d'autre du zéro de tension, durant le temps de relaxation tr = 2 x 50 Us (microsecondes), le courant entre les contacts d'arc est extrêmement faible de l'ordre de 0,5 A La 5 capacitance de C à la fréquence industrielle est relativement élevée de l'ordre de plusieurs centaines de milliers d'ohms. L'interrupteur auxiliaire peut éteindre ce courant très faible sans soufflage, pendant ce temps de 2 x 50 is. Dans le cas de varistances en Si C, étant donné leur faible coefficient de non linéarité, il est nécessaire d'utiliser un certain nombre d'éléments en série, par exemple 6 à 10, pour obtenir un temps de relaxation convenable. Comme on peut le voir sur le graphe, si l'interrupteur auxiliaire s'ouvre avant le temps de relaxation tri, il éteindra le courant très rapidement au passage à zéro de la tension correspondant à trl Si l'interrupteur auxiliaire s'ouvre après le temps de relaxation tri, il éteindra le courant au passage suivant à zéro de la tension correspondant à tr 2. Le cas le plus contraignant pour l'interrupteur est la coupure en opposition de phase La tension appliquée est alors égale à 2 x US, et le temps de relaxation est de moitié plus faible En doublant ou triplant le nombre de varistances en série on double ou triple le temps de relaxation. Dans ce cas selon la figure 2, 4 ou 5, deux ou trois pastilles en série remplaceront chaque élément 42 Le volume de la résistance R doit être suffisant pour tenir thermiquement pendant la coupure en opposition de phase Le volume de la résistance R est de préférence supérieur au volume des varistances V dans un rapport supérieur ou égal à cinq. Plus la capacité C est importante, plus le courant résiduel (durant le temps de relaxation) est grand Pour cette raison, selon la troisième ou quatrième variante (figure 5 ou 6), une varistance 50 est insérée en série avec le condensateur 47 Cette varistance 50 est de faible épaisseur et a une tension de fonctionnement relativement faible par exemple de 1000 volts crête afin de faciliter l'extinction 9 _ du courant traversant la capacité. La figure 8 illustre un mode de réalisation de l'interrupteur auxiliaire. Le bras 37 porte une électrode 22 qui coopère avec un tube métallique 70 délimitant un volume 77 et muni d'un couvercle supérieur 71 percé d'un trou; une pièce métallique 72 présentant une tête 72 A, une tige 72 B et une butée 72 C, peut se déplacer vis-à-vis du tube sur une longueur d. La hauteur de la tête 72 A est choisie pour ne pas dépasser le capot 10 lorsque le disjoncteur est en position enclenchée; la largeur du tube 72 est choisie pour que l'électrode 22 vienne en contact électrique avec le tube et la tête 72 A au cours d'une manoeuvre d'ouverture du disjoncteur Des trous 80 pratiqués dans le tube 70 évitent une compression du gaz trop rapide dans le volume 77 en début de course. La pièce 72 est électriquement reliée par une tresse 73 au tube Le tube 70 est fixé mécaniquement et relié électriquement au tube 9, par exemple par des brasures 74. La tête 72 A peut porter un aimant 75 qui, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, est en vis-à-vis d'un aimant 76 porté par le bras 37 La tête 72 A peut être simplement en acier doux Il est possible de remplacer les aimants 75 et 76 par les aimants 75 A et 76 A. Le fonctionnement est le suivant: en position enclenchée, l'ensemble résistance/varistance est court-circuité par les contacts du disjoncteur, au déclenchement, l'équipage mobile est déplacé vers le bas de la figure. En raison de l'inertie et éventuellement de l'attraction des aimants, la pièce 72 reste immobile, de sorte que la durée du contact entre l'électrode 22 et le tube 9, via le tube 70, la pièce 72 et la tresse 73, est allongée par rapport à celui du mode de réalisation de la figure 1, d'une durée correspondant au déplacement d du tube 9. Entre le moment o les contacts d'arc 7 et 14 se séparent et le moment o l'électrode 22 quitte la tête 72 A, l'ensemble résistance/varistance est inséré en parallèle sur l'arc de coupure En - fin de manoeuvre de délenchement, la tête 72 A retombe sur le couvercle 71 Il est possible de loger entre le couvercle 71 et la butée 72 C un ressort de faible raideur pour faciliter le retour de la pièce 72 sur le couvercle 71 en fin de course. A la fermeture du disjoncteur, le tube 70 entraîne la tête 72 A qui vient toucher l'électrode 22 insérant ainsi l'ensemble résistance/varistance dans le circuit avant l'entrée en contact des contacts d'arc 14 et 7. Pour des raisons d'équilibrage du dispositif, on placera avantageusement un deuxième système d'insertion, identique à celui qui vient d'être décrit, symétriquement par rapport à l'axe du tube 9. L'invention s'applique aux disjoncteurs à haute tension de type conventionnel à enveloppe isolante ou de type à enveloppe métallique à la terre. il - REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à haute tension à chambre de coupure comprenant une enveloppe ( 1) cylindrique étanche rempli de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre et contenant un contact 5 permanent fixe ( 6), un contact d'arc fixe ( 7) et un équipage mobile comprenant des contacts permanents ( 12) et des contacts d'arc ( 14) et associé à des moyens de soufflage, la chambre contenant également une résistance ( 40) à base de carbone de valeur d'environ 500 ohms connectée en parallèle sur les contacts du disjoncteur et insérée à10 l'ouverture des contacts d'arc par un interrupteur auxiliaire ( 30), disjoncteur caractérisé en ce que la résistance ( 40) est associée en série à un agencement de varistances ( 41) l'ensemble étant disposé à l'intérieur de l'enveloppe ( 1) et relié en série avec l'interrupteur auxiliaire ( 30), dont l'ouverture est commandée par l'ouverture du disjoncteur et le volume de la résistance ( 40) étant supérieur à celui de l'ensemble des varistances ( 42) dans un rapport supérieur ou égal à cinq. 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agencement de varistances est constitué de varistances en parallèle. 3/ Disjoncteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'agencement de varistances est constitué de pastilles de varistances empilées ( 42), chaque paquet de N varistances ( 42) étant séparé par un disque conducteur ( 43) pourvu d'une languette radiale ( 43 "), ces dernières étant reliées par un conducteur gainé ( 45, 46).25 4/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agencement de varistances est constitué de varistances à Si C empilées en série. 5/ Disjoncteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un condensateur ( 47) de quelques milliers de picofarads est connecté en parallèle à l'agencement de varistances. 6/ Disjoncteur selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que les pastilles de varistances ( 42) sont annulaires ainsi que les disques conducteurs ( 43). 7/ Disjoncteur selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les pastilles de varistances ( 42) sont annulaires. 12 - 8/ Disjoncteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'un tube isolant ( 48) est disposé dans le trou formé par les pastilles de varistances ( 42) empilées et le condensateur ( 47) est disposé dans ce trou relié en parallèle aux varistances ( 42) par au moins un conducteur ( 49). 9/ Disjoncteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'une varistance ( 50) est connecté en série avec le condensateur ( 47). 10/ Disjoncteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mécanisme d'insertion comprend au moins un bras métallique ( 37) relié électriquement à la résistance et coopérant avec une électrode ( 23, 72), en liaison électrique avec la seconde prise de courant. t