Brevet FR2684486A1 — publié le 19930604

DISJONCTEUR A HAUTE TENSION A COURSANT ALTERNATIF A CIRCUIT LC La présente invention est relative à un disjoncteur à haute tension susceptible de couper les courants à grande composante continue, que l'on rencontre 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 de l'arc qui combinent un fort soufflage de l'arc et un passage concomitant par zéro de l'amplitude du courant. Il est connu que la présence, en parallèle sur une chambre de coupure d'un disjoncteur, d'un condensateur de grande capacité en série avec une inductance, produit, à l'ouverture du disjoncteur, des oscillations du courant qui augmentent la tension d'arc, engendrent une instabilité de l'arc et favorisent la décroissance de la composante continue du courant et son passage par zéro. On pourra se référer à cet égard aux documents suivants: 1. "L'oscillation arc-capacité et son utilisation pour l'évaluation des paramètres caractéristiques des arcs électriques" de ZENELDIEN A. Mohssen, Thèse de Doctorat, Université de Grenoble, 5 juin 1974. 2. "Le mécanisme de la résonance entre un arc et une capacité" par Y. Pelenc, Colloque "Ionisation et plasma en haute tension", Université de Liège, Institut Montefiore, 4-6 novembre 1974. 3. US Patent N" 4 216 513 "DC Circuit breaker" par Tokuyama et al., 5 août 1980. Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur à haute tension mettant en oeuvre les principes ci-dessus, de manière économique, en particulier grâce à un volume réduit du disjoncteur, tout en assurant une grande sûreté de fonctionnement. La présente invention a pour objet un disjoncteur à haute tension comprenant au moins deux chambres de coupure en série, chaque chambre de coupure comprenant une enveloppe étanche remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques dans laquelle sont placés des contacts fixes, des contacts mobiles, des moyens de soufflage de l'arc et des organes de déplacement des contacts mobiles traversant la chambre de coupure de manière étanche et reliés à l'extérieur de celle-ci à un mécanisme de manoeuvre, caractérisé en ce l'une des chambres de coupure contient en outre à sa partie supérieure dans le gaz diélectrique, un ensemble, comprenant un condensateur en série avec une inductance, connecté en parallèle aux bornes des contacts fixes et des contacts mobiles. Avantageusement, ledit condensateur et ladite inductance sont réalisés sous la forme de deux cylindres disposés de manière adjacente et coaxiale à l'enveloppe de la chambre de coupure, ledit condensateur étant disposé au-dessus de ladite inductance De préférence, ladite inductance est constituée d'un tube isolant autour duquel est enroulée une bobine, ledit tube étant coaxial à l'enveloppe, ledit condensateur étant disposé à l'intérieur dudit tube. Une varistance est connectée aux bornes de ladite chambre contenant ledit condensateur et ladite inductance, ladite varistance étant placée dans une colonne isolante extérieure à ladite chambre. Les chambres de coupure ne contenant pas ledit condensateur et ladite inductance contiennent une résistance de fermeture et sont dotées d'un condensateur de répartition placé dans une colonne extérieure. Selon une caractéristique de l'invention, ledit condensateur a une capacité comprise entre 2 et 6 microfarads et ladite inductance une valeur comprise entre 1000 et 200 microhenrys. L'invention sera bien comprise à la description d'un exemple de réalisation de l'invention donné à titre illustratif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma d'un pôle d'un disjoncteur dont l'une des chambres contient un ensemble inductance-condensateur, - la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale de la chambre contenant un ensemble inductance-condensateur, selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 est une vue partielle en coupe axiale de la chambre de coupure contenant un ensemble inductance-condensateur, selon un second mode de réalisation. L'exemple décrit en référence aux figures 1 à 3 est celui d'un disjoncteur, de tension nomiunale égale à 800 kV, et comportant quatre chambres de coupure en série. Les chambres de coupure, référencées A, B, C et D, sont portées par des structures isolantes A', B', C' et D' reposant sur une poutre commune E soutenue par une structure métallique F et portant une cabine de commande G. Toutes ces chambres sont étanches et l'intérieur est rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre, pur ou mélangé à de l'azote, sous une pression de quelques hectopascals. Les chambres de coupure sont reliées en série, le courant passant par les plaques de connexion supérieures et par les plaques fermant les chambres à leur partie inférieures. Chacune des chambres de coupure B, C et D comporte une résistance ( RB, RC et RD) insérée à la fermeture de la chambre pendant une durée limitée et court-circuitée ensuite, afin de réduire la surtension lors de la fermeture. Ce type de chambre a été décrit en détail dans le brevet français n" 79 05 2478 déposé le 2 mars 1979. Chacune des chambres de coupure B, C et D est munie d'un condensateur en parallèle à ses bornes, contenu dans une enveloppe isolante. Ces condensateurs sont référencés CB, CC et CD. La chambre de coupure A contient un condensateur 51 et une inductance 52, connectés en série, cet ensemble étant disposé aux bornes des contacts de la chambre. En parallèle aux bornes de la chambre, et placée dans une colonne séparée, est disposée une varistance VA destinée à limiter la surtension aux bornes de la chambre et en particulier aux bornes de l'ensemble inductance-capacité qu'elle contient. On note que le chambre de coupure A n'a pas de condensateur de répartition. La figure 2 est une vue partielle en coupe axiale de la chambre de coupure A. Elle comprend une enveloppe 1 en céramique ou en matériau composite, de forme cylindrique ou sensiblement cylindrique d'axe xx, et munie d'ailettes. Le volume 2 intérieur à la chambre est rempli de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre de formule SF6, pur ou mélangé d'azote, sous une pression de quelques hectopascals. Le courant est amené par une première prise de courant 4 reliée, à l'intérieur de la chambre à un contact principal fixe 6 et à un contact d'arc fixe 7. Ces contacts, constitués de deux cylindres cylindres métalliques coaxiaux, sont maintenus par des bras métalliques 5. Les contacts fixes coopèrent avec un contact principal mobile 12 et un contact d'arc mobile 14; ces contacts mobiles sont solidaires d'une structure mobile comprenant un cylindre métallique 16 relié par contacts glissants non représentés à une seconde prise de courant non représentée. Une buse de soufflage 17 et un piston de soufflage 18 coopèrent avec le cylindre 16 pour produire un soufflage de l'arc qui s'établit entre les contacts d'arc 7 et 14 lors d'une manoeuvre d'ouverture du disjoncteur. La chambre de coupure est fermée à sa partie supérieure par un capot métallique 50 relié électriquement à la prise de courant 4. Selon la caractéristique essentielle de l'invention, la chambre de coupure contient un ensemble constitué d'un condensateur 51 en série avec une inductance 54, cet ensemble étant connecté en parallèle aux bornes des contacts du disjoncteur. Cet ensemble est appelé parfois dans la suite "circuit LC". Pratiquement, le condensateur et l'inductance sont formés de deux constituants cylindriques, disposés cde manière adjacente et coaxialement, leur axe coïncidant avec l'axe xx de l'enveloppe 1. Le condensateur 51, formé de préférence au moyen de feuilles métalliques et d'un diélectrique en papier, avec isolation à l'huile, est contenu dans un cylindre étanche et isolant 52, fermé par deux flasques métalliques 52A et 52B. Le flasque 52A est en contact électrique avec le capot 50 et l'une des bornes du condensateur; le flasque 52B, en contact électrique avec l'autre borne du condensateur, est soutenu mécaniquement par des pieds isolants 53 posés sur la prise 4. L'inductance 54 est constitué d'une bobine en cuivre 55, constituée de fil de diamètre de l'ordre de 6 mm, enroulée dans les gorges en spirale d'un tube isolant 56. Une extrémité 57 de la bobine 55 est reliée électriquement à une plaque 58 métallique fermant le tube 56, l'autre extrémité 59 de l'inductance étant reliée électriquement au flasque 52B. Des bras tels que 37 et 38, fixés à la plaque métallique 58, portent une couronne métallique 61 munie de doigts de contact 62 venant glisser sur le cylindre 16. Le circuit LC formé par le condensateur 51 et le bobinage 55 est donc connecté en permanence aux bornes des contacts 7 et 14 de la chambre de coupure. La figure 3 illustre une variante de réalisation de l'invention. Les éléments communs aux figures 2 et 3 ont reçu les mêmes numéros de référence. Dans ce mode de réalisation, le capot 50 est posé sur une portion isolante 48 munie d'ailettes 49 et surmontant la prise de courant 4. Cette portion peut être en céramique ou en composite par exemple en fibres de verre imprégnées de résine époxy, les ailettes étant réalisées en silicone ou en EPDM. L'inductance est disposée coaxialement au condensateur; elle est disposée comme précédemment sur un support isolant 56 qui comporte une saillie intérieure 65 sur laquelle est posée le flasque 51B du condensateur 51. Une première extrémité 57 de la bobine 55 est reliée électriquement à la prise 4. L'autre extrémité 59 de la bobine 55 est reliée au capot 50. Au flasque 51B est fixé un tube conducteur 66 qui porte les bras 37 et 38. Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant: - en position ouverte, grâce à la grande capacité du condensateur 51, il n'y a pratiquement pas de tension aux bornes de la chambre de coupure A. - lors de la coupure d'un défaut à grande composante continue, les quatre chambres de coupure s'ouvrent en même temps. L'arc dans la chambre A, grâce au circuit LC, devient vite instable et il est traversé par un courant oscillatoire dont la fréquence dépend des valeurs de L et C. Pour une capacité de 2 microfarads et une inductance de 500 microhenrys, la fréquence d'oscillation de courant sera de 5000 Hz. La caractéristique de résistance dynamique négative de l'arc permet une amplification rapide du courant oscillatoire entraînant ainsi une augmentation de la tension d'arc, d'où un amortissement rapide de la composante continue. Au passage par zéro du courant de défaut, les trois chambres B, C et D interrompent le courant et supportent la totalité de la tension de rétablissement. On notera que les valeurs indiquées plus haut pour la capacité et l'inductance sont compatibles avec les dimensions des enveloppes des chambres de coupure utilisées habituellement pour les disjoncteurs à haute tension: il est en effet possible de réaliser une capacité de 4 microfarads et une inductance de 500 microhenrys sous forme de cylindres dont le diamètre n'excède pas 300 millimètres. Ces valeurs réduites sont rendues possibles en raison du fait que le condensateur et l'inductance sont placés à l'intérieur de la chambre de coupure, dans le gaz diélectrique. Plus généralament, la capacité du condensateur 51 pourra être comprise entre 2 et 6 microfarads et la valeur de l'inductance 54 comprise entre 1000 et 200 microhenrys. En cas de coupure d'un défaut symétrique, l'oscillation du courant dans la chambre A peut influer légèrement sur la durée de coupure, en avançant par exemple l'instant de coupure. Par contre, l'amplitude de ce courant, de l'ordre d'un millier d'ampères, reste faible devant celle du courant de court-circuit. A la fermeture du disjoncteur, une tension trop élevée aux bornes du circuit LC sera évitée grâce à la présence de la varistance VA (Fig. 1), qui, en fonctionnement, laisse passer le courant provenant des résistances de fermeture RB, RC et RD. Pour réduire l'énergie de la varistance VA, il est utile d'assurer la fermeture de la chambre A 7 à 8 millisecondes avant la fermeture des autres chambres de coupure. Ceci peut être facilement réalisé soit en réglant la distance d'ouverture de la chambre A à une valeur inférieure à celle des autres chambres de coupure, tout en gardant les mêmes vitesses d'enclenchement et de déclenchement pour les quatre chambres, soit en avançant l'ordre de manoeuvre de fermeture de la chambre A, soit en retardant l'ordre de manoeuvre des chambres B, C et D. La varistance VA, réalisée par exemple en matériau à base d'oxyde de zinc, permet également d'éviter les surtensions en cas de coupure d'un courant de faible valeur. Comme il n'y a pratiquement pas de tension permanente aux bornes de la varistance VA, son enveloppe sera de préférence en matériau composite, par exemple à base de fibres de verre imprégnées d'époxy protégées par des ailettes en silicone ou en EPDM. L'enveloppe peut être moulée directement sur les éléments de varistance. De la même manière, l'enveloppe 1 de la chambre A peut être réalisée en matériau composite. Comme la tension totale appliquée à la chambre A ne dépasse pas une vingtaine de kilovolts, l'enveloppe isolante de la chambre pourra être de faible longueur. L'exemple décrit plus haut n'est pas limitatif. L'invention s'applique aux disjoncteurs de toutes tensions de type conventionnel ou de type à cuve à la masse. REVENDICATIONS 1/ Disjoncteur à haute tension comprenant au moins deux chambres de coupure en série, chaque chambre de coupure comprenant une enveloppe étanche remplie d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques dans laquelle sont placés des contacts fixes, des contacts mobiles, des moyens de soufflage de l'arc et des organes de déplacement des contacts mobiles traversant la chambre de coupure de manière étanche et reliés à l'extérieur de celle-ci à un mécanisme de manoeuvre, caractérisé en ce l'une des chambres de coupure (A) contient en outre, à sa partie supérieure, dans le gaz diélectrique, un ensemble, comprenant un condensateur (51) en série avec une inductance (54), connecté en parallèle aux bornes des contacts fixes (6, 7) et des contacts mobiles (12, 14). 2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit condensateur (51) et ladite inductance (54) sont réalisés sous la forme de deux cylindres disposés de manière adjacente et coaxiale à l'enveloppe (1) de la chambre de coupure (A), ledit condensateur (51) étant disposé au-dessus dudit tube (56). 3/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite inductance (54) est constituée d'un tube isolant (56) autour duquel est enroulée une bobine (55), ledit tube étant coaxial à l'enveloppe (1), ledit condensateur (51) étant disposé à l'intérieur dudit tube (56). 4/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit condensateur (51) a une capacité comprise entre 2 et 6 microfarads et ladite inductance une valeur comprise entre 1000 et 200 microhenrys. 5/ Disjoncteur selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce qu'une varistance (VA) est connectée aux bornes de ladite chambre (A) contenant ledit condensateur (51) et ladite inductance (54), ladite varistance étant placée dans une colonne isolante extérieure à ladite chambre (A). 6/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre (A) contenant ledit condensateur (51) et ladite inductance (54) se ferme 7 à 8 millisecondes avant les autres chambres (B, C, D).