Brevet FR2735611A1 — publié le 19961220

DISPOSITIF POUR LA COUPURE D'UN COURANT CONTINU A HAUTE TENSION La présente invention concerne la coupure des courants continus à haute tension. On sait que la coupure des courants de défaut des lignes à courant continu est un problème difficile, puisqu'on ne dispose pas, comme pour la coupure des courants alternatifs, du passage par zéro du courant. On a proposé une méthode pour la coupure du courant continu qui consiste à provoquer une oscillation du courant et mettre à profit un passage par zéro du courant. Un exemple de mise en oeuvre de cette méthode est mentionné dans l'article "The Development of a HVDC SF6 breaker", IEEE PAS n 10, octobre 1985. Il est proposé15 l'utilisation d'un circuit LC avec varistance à l'oxyde de zinc créant un courant d'arc oscillatoire amplifié à l'aide d'un disjoncteur spécial. Cette mise en oeuvre est onéreuse. On connaît également un limiteur à courant continu à haute tension à supraconducteur, décrit dans le brevet français n 89 16 252. Il met en oeuvre, pour réduire le courant de défaut, le changement d'état d'un conducteur passant de l'état supraconducteur o sa résistance est nulle, à l'état résistif, lorsque la densité du courant dépasse un certain seuil (densité critique). Le courant25 résiduel est adressé à un circuit oscillant LC qui permet de créer des passages par zéro du courant. L'utilisation d'un supraconducteur à basse température critique nécessite un cryostat à hélium liquide, de sorte que la solution n'est pas économique.30 On connaît également, notamment par le brevet français n 81 09 707, un disjoncteur associé à une résistance à coefficient de température positif (CTP) à base de titanate de baryum et de strontium. Le passage du courant de défaut provoque l'échauffement de la résistance dont la valeur35 ohmique croît très vite. La réduction importante du courant de défaut facilite sa coupure par le disjoncteur. Cette solution n'est pas économique en raison du coût des céramiques et des pertes Joule engendrées par la valeur ohmique relativement élevée des céramiques. Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif pour la coupure des courants continus à haute tension qui soit économique à la fabrication aussi bien qu'à l'utilisation. L'invention a pour objet un dispositif pour la coupure du courant d'une ligne à courant continu à haute tension comprenant deux conducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend, sur au moins un des conducteurs de la ligne, un ensemble comprenant, reliés en série, au moins un premier groupe comprenant une première résistance en parallèle avec un premier disjoncteur, au moins second groupe comprenant15 une seconde résistance en parallèle avec un second disjoncteur et un sectionneur, les résistances comprenant des éléments en polymère chargé de carbone, le dispositif comprenant en outre un détecteur de défaut donnant en cas de défaut, un ordre d'ouverture aux disjoncteurs du premier20 groupe, donnant un ordre d'ouverture aux disjoncteurs du second groupe lorsque le courant dans la ligne dépasse par valeur inférieure une première valeur de seuil prédéterminée, et donnant un ordre d'ouverture du sectionneur lorsque le courant dans la ligne atteint par25 valeur inférieure une seconde valeur de seuil prédéterminée. La résistance du premier groupe est choisie pour pouvoir supporter en permanence un courant de valeur au plus égale à 1/35 de la valeur maximale du courant de court- circuit de la ligne. La résistance du second groupe est choisie pour pouvoir supporter en permanence un courant de valeur égale à 1/15 environ de la valeur du courant supportée en permanence par la résistance du premier groupe. Les résistances des premier et second groupes sont constituées d'un empilement alterné de disques de polymère chargé de carbone et de disques de métal bon conducteur de l'électricité. L'empilement est entouré d'une enveloppe étanche remplie de gaz isolant. La valeur initiale de la résistance du premier groupe est de l'ordre de 0,1 Q. La valeur initiale de la résistance du second groupe est de l'ordre de 1,5 Q. La résistance du second groupe est munie d'un dispositif de chauffage rapide commandé à l'ouverture du disjoncteur du premier groupe. Le dispositif est caractérisé en ce que la première valeur de seuil est comprise entre deux trentecinquièmes et un trentecinquième de la valeur maximale (Icc) du courant15 de courtcircuit de la ligne. Le dispositif est caractérisé en ce que la seconde valeur de seuil est comprise entre un cinqcentième et un millième de la valeur maximale (Icc) du courant de court- circuit de la ligne.20 L'invention sera bien comprise à la lecture de la description donnée ci-après d'un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma électrique du dispositif de l'invention, - la figure 2 est une vue en élévation d'une résistance utilisée dans le dispositif. Dans la Fig 1, la référence LL' désigne l'un des deux conducteurs d'une ligne à courant continu; le dispositif de l'invention peut comporter deux ensembles identiques insérés respectivement en série sur chacun des deux conducteurs de la ligne. Seul l'un des ensembles est représenté dans la Fig. 1., dans un rectangle en traits tiretés désigné par la référence 1.35 L'ensemble 1 comprend: - deux résistances Ri et R2 en série, shuntées respectivement par deux disjoncteurs Dl er D2, - un sectionneur S en série avec les résistances, - un détecteur de défaut DD recevant sur une entrée "a" une mesure de l'intensité du courant fournie par un transformateur de courant TC et, sur une entrée "b", une mesure de la tension. Le détecteur de défaut est capable d'analyser ces informations et de distinguer entre un défaut et une surcharge.10 Les résistances Ri et R2 sont constituées de la même manière décrite ci-après. La résistance comprend une pluralité de disques 13 en polymère chargé de carbone à deux faces métallisées, séparés par des disques 14 en métal bon conducteur de l'électricité,15 de préférence le cuivre. Les disques de polymère et de cuivre constituent un empilement placé entre deux flasques d'extrémité métalliques 11 et 12; les flasques sont serrés par des tiges isolantes 15 filetées à leurs extrémités et munies d'écrous 16. Sur les flasques sont soudés des20 conducteurs 18 et 19 servant à la liaison électrique avec la ligne et avec le disjoncteur. De préférence, l'ensemble constituant la résistance est protégé par une enveloppe isolante étanche non représentée, remplie d'un gaz diélectrique tel que l'azote. Pour mieux répartir la tension25 entre les disques 13 en cas de fonctionnement non uniforme de ces derniers, des varistances 17 (ou des résistances de faible valeur ohmique) sont connectées en parallèle sur chacun des disques 13 et permettent d'écrêter et de limiter la tension aux bornes de chacun des disques.30 On rappelle que les résistance en polymère chargé de carbone ont une résistance à la température ambiante de l'ordre du dixième d'ohm et qu'à une température comprise entre 100 et 110 C, leur résistance est brusquement multipliée par un facteur de l'ordre de 5000.35 Les caractéristiques de la résistance Ri sont les suivantes. La résistance Ri peut supporter un courant permanent inl égal à environ 15% de In pour un courant de court- circuit maximal Icc de 10.OOOA sur la ligne LL', In désignant la valeur nominale du courant de la ligne. Par exemple, si In est égal à 2.000 A, la valeur de inl sera de 300 A. La résistance initiale de Ri est de l'ordre de 0,1 ohm, pour une tension de réseau de 100 kV. Si le courant de court-circuit maximal Icc est de 20.000 A, le courant permanent inl sera choisi égal à 30% de In, soit inl = 600 A. Plus généralement, on fixe Icc/inl au moins égal à 35. Les caractéristiques de la résistance R2 sont les suivantes. La résistance R2 peut supporter un courant permanent in2 égal environ à 1% de In, soit 20 A si In est égal à 2.000 A. Si inl = 600 A, in2 sera égal à 40 A. Plus généralement on choisit les résistances Ri et R2 pour que le rapport inl/in2 soit voisin de 15. La résistance initiale de R2 est de l'ordre de 1,5 ohm pour une tension de réseau de 100 kV. Les disques 13 de la résistance Ri ont par exemple une secion de 220 cm2; les diques 13 de la résistance R2 auront alors une section de 15 cm2. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. En fonctionnement normal, les disjoncteurs Dl et D2 et le sectionneur S sont fermés. Le courant traverse les disjoncteurs, dont la valeur ohmique des résistances de30 contact est faible devant la valeur ohmique des résistances Ri et R2. Le courant traverse également le sectionneur S. En cas de défaut, par exemple en T (Fig. 1), le détecteur de courant DD donne au disjoncteur Dl, sur une sortie 3, un ordre d'ouverture.35 L'ouverture du disjoncteur Dl, qui s'accompagne d'un grand soufflage de gaz entre ses contacts, force le courant de défaut à traverser la résistance Ri, étant donnée la faible tension à ses bornes. En effet, cette tension est par exemple égale à 10.OOOA x 0, 1 Q = 1.000 V, si le courant de défaut est de 10.000 A. Selon la valeur du courant de défaut, la résistance Ri changera de valeur ohmique par effet Joule plus ou moins vite, par exemple en 15 millisecondes si le courant de défaut est de 10.000 A, en 60 millisecondes si le courant de défaut est de 5.000 A.10 Le changement brusque de valeur ohmique de la résistance Ri provoque une brusque diminution du courant; cette diminution est détectée par le détecteur DD qui, lorsque la valeur du courant atteint par valeur inférieure un premier seuil prédéterminé, donne sur une sortie 4, un15 ordre d'ouverture au disjoncteur D2. Ce seuil est par exemple compris entre 2inl et inl, soit entre deux trentecinquièmes et un trentecinquième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne. Le courant qui, à l'ouverture du disjoncteur Dl, traversait la résistance Ri et le disjoncteur D2, traverse, à l'ouverture du disjoncteur D2, la résistance R2. Ce courant ayant une valeur supérieure à la valeur in2 définie plus haut, provoque l'échauffement rapide de la résistance R2 dont la valeur ohmique croît, provoquant une nouvelle25 diminution du courant dans la ligne. Cette diminution est plus ou moins rapide selon la valeur du courant traversant la résistance R2. Après le fonctionnement de la résistance R2, le courant résiduel est coupé par le sectionneur, dès détection par le détecteur DD du passage par valeur inférieure d'un second seuil prédéterminé. Cet ordre est transmis par une liaison 5. Le seuil précité est par exemple compris entre in2 et 0,5 in2, soit environ entre un cinqcentième et un millième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-35 circuit de la ligne. On notera que la résistance R2 est avantageusement équipée d'un dispositif de chauffage rapide C qui est mis en route dès l'ouverture du disjoncteur Dl, soit par un ordre émis par le détecteur de défaut DD (liaison 3'), soit par une commande non représentée liée au déplacement des contacts du disjoncteur D1. Ce dispositif de chauffage, en chauffant rapidement la résistance R2 à une température de 100 C environ, permet d'accélérer la transition de la résistance R2. La coupure sans défaut du courant nominal In, ou d'un courant de valeur inférieure à In, est effectuée selon le même processus que celui qui vient d'être décrit, mais en commandant l'ouverture du disjoncteur D1 directement, sans faire intervenir à ce stade le détecteur de défaut.15 En variante, pour la coupure intentionnelle d'un courant de valeur inférieure à la valeur nominale In, on peut n'ouvrir que le disjoncteur D2, en inhibant le premier seuil du détecteur de courant. Pour la coupure d'un courant inférieur ou égal à 0,01 In, si le sectionneur ne peut pas couper ce courant, on utilisera le dispositif de chauffage C pour chauffer la résistance R2 avant d'ouvrir le sectionneur S. Les disjoncteurs D1 et D2 sont choisis pour avoir un "temps d'ouverture" de l'ordre de 20 millisecondes; le sectionneur a un temps d'ouverture de quelques secondes. Pour une tension nominale du réseau plus élevée, par exemple 200kV au lieu de 100 kV, on pourra constituer l'ensemble 1 avec deux groupes Rl- Dl en série et deux groupes R2-D2 en série, les disjoncteurs dans chaque groupe30 étant commandés simultanément et avec les mêmes séries de seuils que celles indiquées plus haut. Le sectionneur S devra avoir une tenue en tension double et un bon pouvoir de coupure. L'invention trouve application dans l'équipement des réseaux à haute tension à courant continu. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour la coupure d'un courant continu d'une ligne à haute tension comprenant deux conducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend, sur au moins un des conducteurs de la ligne (LL'), un ensemble comprenant, reliés en série, au moins un premier groupe comprenant une première résistance (Ri) en parallèle avec un premier disjoncteur (Dl), au moins second groupe comprenant une seconde résistance (R2) en parallèle avec un second disjoncteur (D2) et un sectionneur (S), les résistances comprenant des éléments en polymère chargé de carbone, le dispositif comprenant en outre un détecteur de défaut (DD) donnant en cas de défaut un ordre d'ouverture aux disjoncteurs (Dl) du premier groupe, donnant un ordre15 d'ouverture aux disjoncteurs (D2) du second groupe lorsque le courant dans la ligne dépasse par valeur inférieure une première valeur de seuil prédéterminée, et donnant un ordre d'ouverture du sectionneur (S) lorsque le courant dans la ligne atteint par valeur inférieure une deuxième valeur de20 seuil prédéterminée. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance (Ri) du premier groupe est choisie pour supporter en permanence un courant de valeur (inl) au plus égale à 1/35 de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la résistance (R2) du second groupe est choisie pour supporter en permanence un courant de valeur (in2) égale à 1/15 environ de la valeur du courant30 (inl) supportée en permanence par la résistance du premier groupe. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les résistances (Ri, R2) des premier et second groupes sont constituées d'un empilement alterné35 de disques (13) de polymère chargé de carbone et de disques (14) de métal bon conducteur de l'électricité. / Dispsositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'empilement est entouré d'une enveloppe étanche remplie de gaz isolant. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la valeur initiale de la résistance (Ri) du premier groupe est de l'ordre de 0,1 Q. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la valeur initiale de la résistance (R2) du second groupe est de l'ordre de 1,5 Q. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la résistance (R2) du second groupe est munie d'un dispositif de chauffage rapide (C) commandé à l'ouverture du disjoncteur (Dl) du premier groupe. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la première valeur de seuil est comprise entre deux trentecinquièmes et un trentecinquième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne. 10/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la seconde valeur de seuil est comprise entre un cinqcentième et un millième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne.