Brevet FR2733353A1 — publié le 19961025

LIMITEUR DE COURANT DE COURT-CIRCUIT POUR RESEAU A HAUTE TENSION La présente invention concerne la limitation des courants de court-circuit dans les réseaux à haute tension. Il a été proposé, pour la limitation de tels courants, des limiteurs supraconducteurs à haute tension, tels que ceux décrits dans la publication: "Towards the superconducting fault current limiter", IEEE Transactions on Power Delivery, April 1991. Ces limiteurs, actuellement au stade du prototype, sont performants mais coûteux. Ils permettent de limiter le courant de court-circuit en un temps inférieur à 1 milliseconde à une valeur égale environ à 3In, In étant le courant nominal du réseau. De tels limiteurs comportent une bobine supraconductrice dont la résistance passe rapidement d'une valeur de zéro ohm à plusieurs centaines d'ohms. Il a été proposé d'autres solutions techniques au problème de la limitation du courant de court-circuit parmi lesquelles on peut citer le limiteur supraconducteur à haute température critique, la limitation classique par fusibles en moyenne tension, la limitation par insertion d'une résistance, par déplacement d'arc, etc.. Toutes ces solutions sont plutôt limitées à la moyenne tension. Dans la demande de brevet français nO 8109707 concernant un disjoncteur à haute tension, il a été signalé l'insertion d'une résistance à coefficient de température positif (CTP) de valeur initiale comprise entre 40 et 60 ohms à l'ouverture des contacts de la chambre principale. Le passage du courant provoque l'échauffement de la résistance dont la valeur ohmique croît très vite et atteint plusieurs centaines de milliers d'ohms. Les résistances CTP mentionnées sont des céramiques à base de titanate de baryum et de strontium. L'insertion de cette résistance n'est pas instantanée et ne peut se faire qu'au passage par zéro du courant. En effet, avec une résistance de valeur initiale égale à 40 ohms, même avec un courant de valeur faible, par exemple 2000 ampères, la tension U à la séparation des contacts est déjà très élevée: U = 40 x 2000 = 80kV. I1 y aura automatiquement amorçage entre contacts. Il faut attendre le passage par zéro du courant et un certain écartement des contacts pour tenir cette tension sans amorçage. Pour commuter très rapidement le courant dans la résistance, il faut que cette dernière présente une valeur ohmique très faible afin que la tension aux bornes des contacts de séparation ne dépasse pas 200 à 300 v. Les récentes résistances CTP à base de polymère et de noir de carbone ont, à la température ambiante, des valeurs de l'ordre du milliohm et, à une température de l'ordre de la centaine de degrés Celsius, des valeurs de l'ordre de quelques ohms, soit mille fois supérieures. Un but de la présente invention est de réaliser un limiteur de courant de court-circuit utilisable en haute tension, permettant d'éviter tout amorçage entre contacts à l'ouverture et assurant une limitation rapide et suffisante du courant de court-circuit. L'invention a pour objet la limitation du courant de défaut dans un réseau à haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour insérer dans le réseau, à l'apparition du défaut, en un temps inférieur à 3 millisecondes une résistance à coefficient de température positif à base de polymère et de noir de carbone, de valeur initiale comprise entre 2 et 4 milliohms. Les moyens d'insertion de ladite résistance comprennent un interrupteur à ouverture rapide. La résistance est constituée de plusieurs éléments de résistance en parallèle entourant symétriquement ledit interrupteur à ouverture rapide. Un élément de résistance est constitué d'un empilement alterné de disques de polymère chargé de carbone et de disques de métal bon conducteur de l'éléctricité. Des résistances linéaires de faible valeur ohmique sont placées en parallèle sur les disques en polymère chargé de carbone. Ladite résistance linéaire de faible valeur ohmique a une valeur comprise entre 1 et 2 ohms. La résistance à coefficient de température positif est choisie pour atteindre, en un temps très court, une valeur ohmique comprise entre 2 et 4 ohms lorsque sa température atteint une valeur comprise entre 95 et 1100C. L'invention est précisée par la description d'un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma d'un limiteur selon un mode préféré de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'une résistance CTP formée de plusieurs éléments groupés autour d'un interrupteur à ouverture rapide, - la figure 3 est une vue en coupe d'un élément de résistance CTP. L'utilisation de résistances CTP à base de polymère et de noir de carbone pour la limitation des courants de courtcircuit dans les réseaux à haute tension est possible, comme on va le voir maintenant. Prenons l'exemple d'un poste ancien de 245kV de courant de court-circuit assigné de 31,5 kA. Le matériel électrique dans le poste (transformateur, jeu de barres, sectionneurs, disjoncteurs, etc...) devait pouvoir tenir, d'après les normes, pendant au moins une période, un courant asymétrique d'amplitude 31,5 x 2,55 = 80 kAcrête. La valeur du coefficient 2,55 est imposé par la norme CEI Publication 694 (Commission Electrotechnique Internationale); il est par contre fixé à 2,7 par la norme ANSI/IEEE C 37-09-1979; si l'on prend ce coefficient de 2,è, la crête asymétrique sera de 85 kAcrête. Si on veut assigner à ce poste un courant de courtcircuit de 63 kA, la première crête asymétrique atteindrait 160 kAcrête (63 x 2,55) et la première crête symétrique passerait à 89,1 kAcrête (63 x X ). Si on veut garder le même matériel électrique, il faudra limiter la crête du courant de court-circuit à 80 kAcrête. Pour cela, comme le montre le calcul et la simulation, il suffit d'insérer dans le réseau 245 kV, très rapidement, une résistance de valeur initiale de 2 milliohms environ et de valeur finale 2 à 3 ohms, pendant environ une période, c'est-à-dire 20 millisecondes pour un réseau à 50Hz. Pour le réseau à 420 KV, il faut une résistance de valeur finale 3 à 4 ohms, et pour le réseau à 550 kV, une résistance de valeur finale de 4 à 5 ohms, la valeur initiale étant toujours de 2 milliohms environ. Ces valeurs de résistance finale de quelques ohms sont suffisantes pour ramener le courant asymétrique de 160 kAcrête à 80 kAcrête, en quelques millisecondes par la modification très rapide de la constante de temps L/R de la composante continue. En régime symétrique, cette valeur finale de quelques ohms de la résistance d'insertion suffit pour ramener en quelques millisecondes le courant crête de 89,1 kAcrête à 80 kAcrête. La figure 1 est une vue schématique d'un exemple de réalisation du limteur selon l'invention, installé dans une ligne à 245 kV. Le dessin de la figure 1 montre les dispositions relatives à une seule phase; il faut comprendre que les éléments représentés dans la figure 1 se retrouvent à l'identique pour chacune des deux autres phases du réseau. En série dans la ligne LL' est placé un ensemble comprenant, en parallèle, un interrupteur (ou inséreur) I à ouverture très rapide (au plus 3 millisecondes par exemple) et une résistance R de type CTP, dont un exemple de réalisation sera décrit plus loin. L'interrupteur I est réalisé de préférence sous la forme d'une ampoule à vide. Un disjoncteur rapide DR (ouverture en 10 millisecondes par exemple) est en série dans la ligne. En régime normal, le courant circule dans l'interrupteur I et le disjoncteur DR, tous les deux fermés. L'interrupteur I est commandé par un dispositif d'ouverture rapide de type connu; l'exemple représenté montre que la tringle de manoeuvre TM de l'interrupteur I est solidaire d'un plateau métallique P (cuivre ou aluminium) situé au voisinage d'une bobine plate B fixe alimentée par un circuit comprenant en série un condensateur C et un enclencheur E commandé par une bobine bE. Le condensateur est chargé par une source électrique S. La bobine bE est alimentée par un détecteur de défaut TI, par exemple un transformateur de courant installé sur la ligne; le transformateur de courant alimente également la bobine bDR de commande du disjoncteur rapide DR. Le transformateur de courant TI ne donne l'ordre aux bobines bE et bDR que si le courant de défaut dépasse un certain seuil, par exemple supérieure à 30 kA. Tout courant inférieur à 30 kA sera coupé par les dispositifs de protection classiques ou par le disjoncteur DR, commandé par une voie distincte, sans ouvrir l'interrupteur I. Le fonctionnement est le suivant: lors d'un défaut supérieur au seuil précité, (par exemple un défaut asymétrique de 63 kA), le détecteur TI donne l'ordre en même temps à la bobine bE de fermer l'enclencheur E et à la bobine bDR d'ouvrir le disjoncteur DR. Cet ordre est donné en moins d'une milliseconde. La fermeture de l'enclencheur E provoque la décharge du condensateur C dans la boboine B. Il s'ensuit une répulsion de la plaque P qui entraîne l'ouverture immédiate de l'interrupteur I. La tension aux bornes de l'interrupteur I étant très faible (RI = 2.10-3 ohm x 80.103 A = 160 V), l'interrupteur I s'ouvre pratiquement sans arc; le courant de défaut commute rapidement dans la résistance R. Le courant chauffe la résistance en un temps très court; à environ 1100C, la valeur ohmique de la résistance, qui était initialement comprise entre 2 et 4 milliohms environ, augmente très vite pour atteindre quelques ohms. Cette valeur permet l'amortissement très rapide de la composante continue du défaut asymétrique dont la crête ne dépassera pas 80kA. Le courant symétrique restera limité à une valeur inférieure ou égale à 56,5 kAeff, soit 80 kAcrête. On notera que l'inséreur I doit tenir diélectriquement, avec une ouverture de 7 à 8 mm, une tension de 100 kV environ pendant environ 20 millisecondes. Le courant symétrique de composante continue nulle est limité à 56,5 kAeff grâce à la résistance de quelques ohms en série avec l'inductance de court-circuit Lo du réseau: = = 245 / (63 x &commat; ) = 2,245 Q Il suffit en effet d'une résistance de 1,2 Q en série avec Lx pour ramener le courant symétrique de 63kAeff à 56,5kAeff. Avec une résistance de 2Q, ce courant serait limité à 47,5kA. Une fois la crête asymétrique limitée à 80kAcrête on coupe le courant résiduel au deuxième passage par zéro à l'aide du disjoncteur rapide DR. La durée maximale du courant résiduel dans R ne dépassera pas 20 millisecondes afin d'éviter un échauffement excessif de cette résistance. Les figures 2 et 3 illustrent un mode de construction de la résistance R qui a de préférence une valeur initiale de l'ordre de 2 milliohms. La résistance représentée dans la figure 2 comprend quatre éléments de résistance R1 à R4, identiques, groupés autour d'un interrupteur I à ouverture rapide et reliés en parallèle au moyen de liaisons métalliques 18 et 19 (en cuivre ou en alliage d'aluminium). L'ensemble est placé au sommet d'une colonne isolante 20. Les résistances R1 à R4 sont gropées le plus près possible d'l'interrupteur I, de manière à réduire la valeur de la self-inductance de l'ensemble; une valeur élevée de cette self-inductance retarderait le passage du courant dans les résistance, lors de la limitation du courant de défaut. La figure 2 montre que la résistance R est constituée de 4 éléments. Bien entendu, la résistance peut comporter davantage d'éléments si nécessaire. Comme on le voit dans la figure 3, un élément de résistance comprend deux flasques d'extrémité 11 et 12, enserrant un emilementune de disques 13 en polymère chargé de noir de carbone, séparés par des disques 14 en métal bon conducteur de l'éléctricité, de préférence le cuivre. Le diamètre des disques de polymère 13 est par exemple de 400mm et celui des disques de cuivre 14 de 450mm. Les disques sont serrés par des tiges isolantes 15 et des écrous 16. Sur les flasques 11 et 12 sont soudés les conducteurs de liaison 18 et 19. De préférence, l'ensemble des résistances est protégé par une enveloppe isolante étanche non représentée, remplie d'un gaz diélectrique sous pression tel que l'azote ou le SF6. Pour mieux répartir la tension entre les disques 13, en cas de fonctionnement non uniforme de ces derniers, des résistances 17, de faible valeur ohmique (1 à 2 ohm), sont connectées en parallèle sur chacun des disques 13, qui permettent d'écrêter et de limiter la tension aux bornes de chacun des disques. Dans l'exemple décrit d'un limiteur à 245 kV, la longueur utile des disques polymère en série serait de l'ordre de 1000 mm (permettant de tenir une tension de 100kV) et la longueur totale de l'élément de résistance serait de 1800 mm. La résistivité du mélange polymère-carbone est de l'ordre de 0,1 Q.cm . Cette valeur peut être atteinte en utilisant un polymère (polyéthylène par exemple) chargé en quantité suffisante de noir de carbone. La résistance est choisie pour que sa valeur ohmique soit comprise entre 2 et 4 ohms entre 95 et 1100C. Pour l'utilisation du limiteur dans les régions froides, des dispositifs de chauffage seront utilisés pour maintenir une température de la résistance CTP (R1 à R4 dans l'exemple précédent) assez voisine de 800C, afin d'obtenir rapidement, dès le fonctionnement de l'interrupteur I, une augmentation de leur résistance. REVENDICATIONS 1/ Limiteur de courant pour la limitation du courant de défaut dans un réseau à haute tension (LL'), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (B,P,TM,C,E) pour insérer dans le réseau, à l'apparition du défaut, en un temps inférieur à 3 millisecondes une résistance (R) à coefficient de température positif à base de polymère et de noir de carbone, de valeur initiale comprise entre 2 et 4 milliohms. 2/ Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'insertion de ladite résistance (R) comprennent un interrupteur (I) à ouverture rapide. 3/ Limiteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résistance (R) est constituée de plusieurs éléments de résistance en parallèle (R1, R2, R3, R4) entourant symétriquement ledit interrupteur (I) à ouverture rapide. 4/ Limiteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un élément de résistance (R1, R2, R3, R4) est constitué d'un empilement alterné de disques (13) de polymère chargé de carbone et de disques (14) de métal bon conducteur de lwéléctricité. 5/ Limiteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que des résistances linéaires de faible valeur ohmique (17) sont placées en parallèle sur les disques (13) en polymère chargé de carbone. 6/ Limiteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite résistance linéaire de faible valeur ohmique a une valeur comprise entre 1 et 2 ohms. 7/ Limiteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la résistance (R) est choisie pour atteindre, en un temps très court, une valeur ohmique comprise entre 2 et 4 ohms lorsque sa température atteint une valeur comprise entre 95 et 1100C.