Brevet FR2695518A1 — publié le 19940311

LIMITEUR DE COURANT A VARISTANCE ET A CONDENSATEUR SERIE DE FAIBLE TENSION NOMINALE La présente invention se rapporte à un limiteur de courant à varistance et à condensateur série de faible tension nominale. Elle concerne un limiteur de courant à faibles pertes à insérer en série dans une ligne haute tension pour la protection contre les grands courants de court-circuit. Plus précisément, elle concerne un limiteur de courant inséré en série dans une ligne haute tension comprenant, par phase, en série avec un disjoncteur un premier enroulement en matériau conducteur et un deuxième enroulement en matériau conducteur ayant un nombre de spires supérieur à celui du premier enroulement et monté en parallèle au premier enroulement, les premier et deuxième enroulements bobinés séparément formant avec un noyau magnétique fermé de section variable un circuit saturable en cas de défaut, les premier et deuxième enroulements étant bobinés de façon que leur flux s'opposent créant une chute de tension inductive permanente de 6% à 3% de la tension nominale phase-terre de la ligne. Dans l'article "Towards the superconducting fault current limiter" (IEEE Transactions on Power Delivery, volume 6, n"2, April 1991), les auteurs ont montré un limiteur entièrement supraconducteur. L'utilisation de supraconducteurs métalliques à basse température par exemple avec du NbTi nécessite de l'hélium liquide à 4"K. Cette solution n'est pas actuellement économique à cause des pertes cryogéniques importantes en courant alternatif et nécessite encore beaucoup de recherches pour atteindre un stade industriel. Dans la demande de brevet française n090 05 206 du 24 avril 1990 et dans sa demande de certificat d'addition n090 07 427 du 14 juin 1990 déposées par la Déposante, a été décrit un limiteur hybride avec supraconducteur et avec un circuit magnétique saturable. La présente invention se propose de perfectionner un tel limiteur de courant en supprimant la bobine supraconductrice, en améliorant la saturation du circuit magnétique et en annulant la tension aux bornes du limiteur en régime permanent. Conformément à l'invention, un troisième enroulement bobiné dans le même sens que le deuxième enroulement et de nombre de spires supérieur à celui du premier enroulement est équipé d'une varistance, l'ensemble troisième enroulement et varistance étant en parallèle aux autres enroulements et un condensateur est monté en série et à compensation complète audit circuit magnétique saturable, ce condensateur ayant à ses bornes une varistance et un éclateur commandé. Le troisième enroulement fonctionne à partir d'un certain seuil de tension apparue aux bornes de la varistance afin de saturer sa section magnétique très rapidement par l'apport d'une induction magnétique complémentaire. L'inductance variable est à faible inductance en régime permanent par un bon couplage entre les premier et deuxième enroulements et à plus grande inductance en cas de défaut par saturation d'une partie de circuit magnétique principalement à l'intérieur des deuxième et troisième enroulements, dans le but de découpler le premier enroulement des deuxième et troisième enroulements. L'utilisation d'un condensateur de compensation permet d'obtenir une chute de tension pratiquement nulle aux bornes du limiteur en fonctionnement normal similaire à celle obtenue avec un limiteur entièrement supraconducteur. En régime permanent, l'inductance de la réactance que constitue le circuit magnétique saturable produit une chute de tension inductive située entre 3% et 6% de la tension phase terre du réseau, cette chute de tension étant compensée complètement par le condensateur. En régime de défaut, à environ 3IIZ, la varistance fonctionne et l'inductance du limiteur double ou triple rapidement sa valeur par saturation du circuit magnétique à l'intérieur des deuxième et troisième enroulements qui ont un plus grand nombre de spires que celui du premier enroulement. Une varistance de préférence à ZnO et un éclateur commandé sont montés en parallèle avec le condensateur et en cas de court circuit sur le réseau fonctionnent à partir d'un certain seuil de tension pour protéger le condensateur. Avantageusement, la varistance fonctionne lorsque le courant de défaut atteint environ 3In ç , In étant le courant nominal du limiteur. De préférence, l'éclateur fonctionne quelques millisecondes après le fonctionnement de la varistance montée à ses bornes. Le disjoncteur standard en série avec le limiteur interrompt le courant résiduel en deux ou trois cycles au lieu d'un cycle souvent exigé pour le limiteur à supraconducteur afin de limiter l'échauffement du conducteur supraconducteur. Selon une autre caractéristique, l'inductance du limiteur double ou triple sa valeur permanente au fonctionnement de la varistance montée dans le troisième enroulement. De préférence, le condensateur a une tension nominale située entre 3% et 6% de la tension nominale phase-terre de la ligne. La varistance, aux bornes du condensateur, est dimensionnée pour fonctionner à environ 3In , In étant le courant nominal. Le rapport des nombres de spires entre le deuxième et le premier enroulement est égal ou supérieur à six. Le rapport des nombres de spires entre le troisième et le premier enroulement est égal ou supérieur à quatre. La section magnétique du premier enroulement est de 1,5 à 2 fois celle du deuxième enroulement. L'éclateur fonctionne quelques millisecondes après le fonctionnement de la varistance montée à ses bornes. Le disjoncteur s'ouvre et interrompt le courant résiduel 30 ou 40 millisecondes après le défaut. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins ne représentant qu'un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 1 est une vue schématique d'un limiteur conforme à l'invention. La figure 2 est un graphe représentant l'intensité du courant en fonction du temps en cas de défaut. La figure 3 est une vue schématique partielle d'une variante de réalisation d'un limiteur conforme à l'invention. Le limiteur inséré en série dans une ligne LL' comporte par phase, comme représenté sur la figure 1, quatre composants: - une réactance variable A, - un condensateur B, - une varistance et un éclateur commandé E, - un disjoncteur D. La réactance comporte un circuit magnétique logé dans une enceinte métallique 2 remplie d'un fluide diélectrique 14 et pourvue à sa partie supérieure de deux traversées de tension 4 et 5. Cette réactance A est en série d'une part avec le condensateur 6 équipé à ses bornes d'un varistance 7 de préférence en ZnO et un éclateur commandé 8 et d'autre part avec le disjoncteur 13. Le circuit magnétique fermé 3 comporte deux branches 9 et 10. Autour de la première 9 est bobiné un premier enroulement El et autour de la deuxième 10 qui possède une section bien plus faible que celle de la première 9, par exemple de moitié, est bobiné un deuxième enroulement E2. Sont disposés en parallèle à ces deux enroulements un troisième enroulement E3 et une varistance 15. Selon l'exemple représenté, les branches 9 et 10 sont horizontales, parallèles et reliées à leurs extrémités. Il est également possible d'utiliser des enroulements plats à grande largeur montés côte à côte sur une même branche du circuit magnétique à section variable, disposition d'enroulements ou de galettes alternés fréquemment utilisée dans les transformateurs. Cet agencement est représenté sur la figure 3. Telle que représentée, la varistance 15 est disposée à l'intérieur de l'enceinte 2. Elle peut également être disposée à l'extérieur de celle-ci par l'intermédiaire d'une troisième traversée similaire aux traversées 4 et 5. Les liaisons électriques 11 et 12 mettent les premier et deuxième enroulements en parallèle. Ces deux enroulements, de préférence en cuivre, sont bobinés en sens inverse afin de créer des flux magnétiques opposés +1 et +2/ dans le but de réduire l'inductance du limiteur en régime permanent. Le deuxième enroulement E2 a plus de spires que le premier El, de préférence dans un rapport supérieur ou égal à six. Le troisième enroulement E3 a à peu près le même nombre de spires que le deuxième E2 et est bobiné dans le même sens que celui-ci, afin que leurs champs magnétiques s'ajoutent pendant le fonctionnement de la varistance 15. Les spires de l'enroulement E3 sont en alternance avec celles de l'enroulement E2. En régime permanent, il n'y a pas de circulation de courant dans le troisième enroulement E3 à cause de la faible tension appliquée à la varistance 15. Quand la tension V3 entre les points F et G est suffisante, par exemple lors d'un défaut de court circuit, la varistance 15 fonctionne à environ trois fois la chute de tension permanente pendant la montée du courant de court circuit. Le fonctionnement de la varistance 15 permet de créer un champ magnétique supplémentaire dans la branche 10 favorisant ainsi la saturation rapide du circuit magnétique. La résistance interne de la varistance 15 en fonctionnement est bien inférieure à la réactance de l'enroulement E3, afin que le courant dans cet enroulement E3 soit selfique. Appelons La l'inductance de la réactance A en régime permanent. On cherche à réduire au maximum cette inductance pour que la chute de tension soit très faible. Cette inductance dépend de la position relative et de la forme des enroulements El et E2 et de la structure du circuit magnétique. Le courant I1 traversant le premier enroulement El est supérieur au courant 12 traversant le deuxième enroulement E2 puisque le nombre de spires du deuxième enroulement est plus grand. Appelons C la capacité du condensateur 6. Si l'on a 1/C=Lax, la chute de tension entre les points M et P sera nulle. C'est le cas de la compensation complète. La varistance 7 est formée de plusieurs colonnes de disques en parallèle. Chaque colonne comporte un certain nombre de disques en série, trois ou quatre selon le seuil de fonctionnement souhaité. Le nombre de colonnes de varistance en parallèle est déterminé par l'intensité du courant de limitation I1 et par l'énergie absorbée. L'utilisation des varistances à ZnO pour protéger les condensateurs est fréquente dans les réseaux très haute tension à compensation série (voir l'article "Systèmes de compensation série" P.DEVRON, Revue Générale de l'Electricité, N6, 1988). Immédiatement après le fonctionnement de la varistance 7, on fait amorcer l'éclateur 8 qui shunte alors le condensateur 6. On obtient ainsi une tension faible sur le condensateur 6 et une énergie réduite dans la varistance 7. Comme l'énergie stockée dans le condensateur n'est pas très élevée, le courant de décharge au moment de l'amorçage de l'éclateur reste limité. Sinon on peut utiliser une faible inductance ou une faible résistance installée entre la varistance 7 et l'éclateur 8 pour limiter ce courant. Le fonctionnement de ce limiteur est le suivant. En régime permanent, le courant nominal In=I1+I2 traverse le circuit magnétique A et crée une chute de tension entre les points M et N égale à Latin; elle est égale par exemple à 5% de la tension nominale phase terre. La tension sur le condensateur B entre les points N et P s'oppose à celle du circuit A et est égale à -In/C; on en déduit que C=Ij3/0,05U,o. En cas de court circuit, le défaut au point T entraîne une augmentation rapide du courant (point F sur la figure 2). Supposons qu'à 31nez on ait le fonctionnement de la varistance 7 (point G sur la figure 2 qui représente un cas de fonctionnement sans éclateur 8) puis l'amorçage de l'éclateur 8 et qu'en même temps on ait la saturation rapide de la branche 10 du circuit magnétique (point H sur la figure 2) par l'augmentation de courant circulant dans le deuxième enroulement E2 et par le courant circulant dans le troisième enroulement E3. Les flux +1 et +2 sont alors complètement déséquilibrés. L'inductance La augmente très vite et devient L1 (inductance de limitation). Si L1 est de l'ordre de trois fois La, le courant de court circuit est réduit dans beaucoup de cas de moitié, de trois fois ou plus. Environ 30 ou 40 ms après le défaut, le disjoncteur D interrompt Il. Sur la figure 2, In représente le courant nominal, It le courant total, Iv le courant de la varistance 7 et 1c le courant du condensateur. A titre illustratif, prenons l'exemple numérique suivant: Réseau Un=145 kV In=3150 A Ici=40 kA (court circuit assigné) Un/4=83,72 kV. Supposons qu'on ait une chute de tension inductive aux bornes du circuit de 5%. On a La#In=0,05*83,72=4,186 kV d'où L X=1,328 ohms et C=2400 yF. La réactance de la source pour 40 kA est de 2,093 ohms. A 3In#2=3*3,15*#2=13,3 kA crête, il y a fonctionnement de la varistance et saturation du circuit magnétique, la tension est alors égale à 3*4,186*4=17,7 kV crête. Supposons que Llo soit égal à 3La=3,984 ohms. La réactance totale de limitation devient 3,984+2,093=6,077 ohms. On obtient le courant limité qui sera égal à 83,72/6,077=13,77 kA. On a alors Icc/I1=40/13,77=2,9. Le courant de court circuit Icc est réduit approximativement dans un rapport de trois comme signalé plus haut. Si Ll=2Lax on a I1=17,63 kA et le rapport Icc/I1=2,27. Dans plusieurs études aux Etats Unis sur les limiteurs, on a admis un rapport Icc/I1 sensiblement égal à 2; par exemple dans l'article "A superconducting fault current limiter", J.Applied Physics, April 1978 et "The utility requirements for a distribution fault current limiter", IEEE Power Delivery, April 1992. Le courant de 13,77 kA traverse successivement le condensateur 6 et la varistance 7 en un temps très court puis l'éclateur 8. En admettant 0,5kA/8ms par disque de ZnO, il faut alors 28 colonnes en parallèle. Le condensateur 6 ne voit qu'un pic de tension de 17,7 kV crête ( c'est à dire 15% de Un#2/#3) de courte durée jusqu'à l'amorçage de l'éclateur commandé 8. I1 est évident que si l'on accepte une chute de tension inductive permanente de 3% par exemple sans compensation, l'utilisation du condensateur 6 devient inutile. De même, si l'on accepte une chute de tension supérieure à 6%, l'utilisation d'une réactance variable par saturation n'est pas nécessaire. Une réactance constante dans l'air serait alors suffisante pour réduire le courant de court circuit pratiquement de moitie. En effet, une chute de tension en p.u égale à In/ICc (courant nominal sur courant de court circuit assigné) produit une réactance égale à la réactance de la source, ce qui permet de réduire le courant de court circuit de moitié. Une chute inductive de 2% (ou de 1%) nécessiterait une inductance de limitation de l'ordre de 4 fois (ou de 8 fois) l'inductance permanente pour réduire le courant de court circuit de moitié. REVENDICATIONS 1) Limiteur de courant inséré en série dans une ligne haute tension (LL') comprenant, par phase, en série avec un disjoncteur (13) un premier enroulement (El) en matériau conducteur et un deuxième enroulement (E2) en matériau conducteur ayant un nombre de spires supérieur à celui du premier enroulement (El) et monté en parallèle au premier enroulement (El) , les premier et deuxième enroulements (El, E2) bobinés séparément formant avec un noyau magnétique fermé de section variable un circuit saturable en cas de défaut, les premier (El) et deuxième (E2) enroulements étant bobinés de façon que leur flux s'opposent créant une chute de tension inductive permanente de 6% à 3% de la tension nominale phase-terre de la ligne, limiteur caractérisé en ce que:: - un troisième enroulement (E3) bobiné dans le même sens que le deuxième enroulement (E2) et de nombre de spires supérieur à celui du premier enroulement (El) est équipé d'une varistance (15), l'ensemble troisième enroulement (E3) et varistance (15) étant en parallèle aux autres enroulements (El, E2) et - un condensateur (6) est monté en série et à compensation complète audit circuit magnétique saturable, ce condensateur (6) ayant à ses bornes une varistance (7) et un éclateur commandé (8). 2) Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la varistance (15) fonctionne lorsque le courant de défaut atteint environ 3In ç , In étant le courant nominal du limiteur. 3) Limiteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'inductance du limiteur double ou triple sa valeur permanente au fonctionnement de la varistance (15) montée dans le troisième enroulement (E3). 4) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le condensateur (6) a une tension nominale située entre 3% et 6% de la tension nominale phase-terre de la ligne. 5) Limiteur selon la revendication l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la varistance (7), aux bornes du condensateur (6), est dimensionnée pour fonctionner à environ 3InlZ, In étant le courant nominal. 6) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport des nombres de spires entre le deuxième (E2) et le premier (El) enroulement est égal ou supérieur à six. 7) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport des nombres de spires entre le troisième (E3) et le premier (El) enroulement est égal ou supérieur à quatre. 8) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section magnétique du premier enroulement (El) est de 1,5 à 2 fois celle du deuxième enroulement (E2). 9) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'éclateur (8) fonctionne quelques millisecondes après le fonctionnement de la varistance (7) montée à ses bornes. 10) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disjoncteur (13) s'ouvre et interrompt le courant résiduel 30 ou 40 millisecondes après le défaut.