Brevet FR2896335A1 — publié le 20070720

DISJONCTEUR DE GÉNÉRATEUR AVEC RÉSISTANCE INSÉRÉE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte au domaine de l'appareillage électrique équipant les dispositifs d'évacuation d'énergie des alternateurs dans les centrales de production d'énergie. L'invention concerne l'augmentation des performances en interruption du courant de court-circuit par l'insertion d'une résistance. Plus particulièrement, l'invention concerne un disjoncteur de générateur comprenant un premier interrupteur de circuit principal mis en parallèle avec un deuxième interrupteur auxiliaire de coupure associé à une résistance de valeur fixe. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE En sortie de centrale, par exemple pour chaque alternateur, une option de sécurité est de disposer d'un disjoncteur permettant d'isoler le circuit concerné avant le transformateur relié à une ligne de transport d'énergie. Ce type d'appareillage, sous une tension de l'ordre de 15 kV à 36 kV, assure alors les fonctions de passage de fort courant permanent (de l'ordre de plusieurs milliers d'ampères) et de coupure de fort courant de défaut (de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers d'ampères), tout en isolant le circuit. Au vu de l'intensité de courant présente à titre nominal dans le circuit, la coupure est effectuée en deux étapes grâce à deux interrupteurs en parallèle, l'un permettant le passage de courant nominal permanent et l'autre assurant la coupure du courant de court-circuit. Bien que de principe a priori similaire aux autres disjoncteurs, et notamment aux disjoncteurs hybrides haute et très haute tension, les dispositifs de coupure d'alternateur subissent ainsi des contraintes de puissance qui ne permettent pas d'appliquer les mêmes conceptions quant à l'agencement et l'actionnement des différents éléments. Les contacts de l'interrupteur du circuit principal pour ces disjoncteurs de générateur sont suffisamment massifs pour supporter des courants nominaux élevés sans s'échauffer exagérément, et ils définissent un volume relativement important. L'interrupteur de coupure comprend classiquement une ampoule de dimensions réduites, disposée à l'intérieur de ce volume et comprenant des contacts d'arc mobiles l'un par rapport à l'autre, qui ne supportent de fait que le courant de coupure du disjoncteur. De façon usuelle, les contacts des deux interrupteurs s'étendent dans la même direction longitudinale et sont déplacés en translation parallèlement à cette direction ; les contacts principaux s'écartent tout d'abord et parcourent une distance suffisante avant que le courant ne soit commuté sur les contacts d'arc, qui s'ouvrent alors et provoquent l'interruption du courant. Il apparaît cependant que les courants circulant dans les disjoncteurs de générateur peuvent être d'intensité telle que le dimensionnement des interrupteurs devient problématique. En particulier, les courants de court-circuit peuvent atteindre plusieurs centaines de kiloampères, ce qui augmente considérablement le coût de la chambre de coupure associée. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objet de pallier les inconvénients précédents en fournissant des disjoncteurs de générateurs dans lesquels la performance du courant de court-circuit est augmentée et pour lesquels il n'est pas nécessaire de développer une chambre de coupure spéciale qui soit compatible avec des courants aussi intenses. Cet objectif est atteint en insérant une résistance à l'aide d'un interrupteur auxiliaire. Plus particulièrement, l'invention concerne sous l'un de ses aspects un disjoncteur de générateur comprenant un interrupteur principal, qui peut notamment lui-même être composé d'un disjoncteur, en parallèle avec un circuit auxiliaire de coupure, comprenant par exemple une ampoule à vide, chacun étant associé à des moyens de commande. Le disjoncteur comprend en outre des moyens de synchronisation, associés de préférence aux moyens de commande, permettant, lors d'une coupure, de séparer successivement et dans cet ordre les contacts du premier interrupteur principal, puis du deuxième interrupteur auxiliaire ; ces moyens permettent avantageusement également de refermer les interrupteurs dans l'ordre inverse. De préférence, les mêmes moyens de commande comprennent ces moyens de synchronisation et permettent, par une commande unique, la mise en oeuvre successive de chacun des éléments. Selon l'invention, afin de pouvoir supporter des courants de court-circuit très élevés sans dimensionnement excessif, le disjoncteur selon l'invention comprend une résistance de valeur ohmique fixe insérée sur le circuit auxiliaire, mise en série avec le deuxième interrupteur. La valeur de la résistance peut avantageusement être supérieure d'un ordre 10 000, voire dix millions, à la résistance du premier interrupteur principal, par exemple de 0,1 à 10 S2. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs. Les figures 1 illustrent schématiquement le principe de coupure d'un disjoncteur de générateur classique (figure 1A) et selon l'invention (figures 1B et 1C). La figure 2 montre un mode de réalisation préféré du disjoncteur selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Pour un disjoncteur disposé en sortie d'alternateur, soumis à des conditions de fonctionnement très ligne haute tension, sur la figure 1A, différentes d'un disjoncteur de et dont le principe est schématisé classiquement, le passage d'un courant I d'une intensité plusieurs milliers d'ampères sur le circuit principal d'un contacts sont particulièrement en cuivre ; leur pouvoir de nominale supérieure à nécessite l'utilisation interrupteur 1 dont les conducteurs, par exemple coupure d'un courant de court-circuit Isc est cependant limité en raison de la génération d'arcs électriques. Un deuxième interrupteur 2 de coupure est mis en parallèle avec le premier interrupteur 1 afin d'effectuer la fonction de coupure du courant de court-circuit Isc, l'ouverture du premier interrupteur 1 commutant de fait le courant du circuit nominal 5 sur ce circuit de coupure 7 ; les contacts de ce deuxième interrupteur 2, par exemple en tungstène, sont de performance limitée en ce qui concerne le passage du courant nominal I, mais possèdent un fort pouvoir de coupure. Ainsi, les fonctions de transmission du courant permanent I et de coupure de courant de court-circuit Isc sont séparées : en cas de sollicitation, le premier interrupteur 1 est tout d'abord activé, le courant passe alors totalement dans le circuit auxiliaire 7 et l'ouverture du deuxième interrupteur 2 permet d'obtenir la fonction de coupure. Il apparaît cependant que le développement et la réalisation de ce type de disjoncteur sont coûteux et complexes pour des courants d'extrême intensité, notamment pour des courants de coupure supérieurs à plusieurs centaines de kiloampères. Une manière de réduire les coûts de développement de tels disjoncteurs est d'associer à un appareil connu des éléments permettant de faciliter la coupure d'intenses courants de court-circuit. Le document EP 1 117 114 propose par exemple d'insérer un dispositif générateur d'arc pour faciliter l'action du deuxième interrupteur de coupure, ce qui alourdit cependant le disjoncteur, tant au point de vue encombrement qu'économique. Selon l'invention, un principe différent de coupure, illustré en figure 1B, a été alors considéré comme préférable : deux interrupteurs 10, 20 sont mis en parallèle sur un circuit principal 5 et un circuit auxiliaire 7, chacun des interrupteurs comprenant au moins une paire de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre. Lors d'une sollicitation, l'ouverture de l'interrupteur principal 10 permet la coupure effective du courant Isc dans des conditions rendues favorables par la présence d'une résistance placée à ses bornes, l'interrupteur auxiliaire 20 permettant une coupure définitive. A cette fin entre autres, une résistance 30 de valeur déterminée R est placée sur le circuit auxiliaire 7, en série avec l'interrupteur 20. Cette résistance d'insertion 30 garantit un passage de courant Ir = I - Io négligeable dans la branche auxiliaire 7, même dans le cas de courant de coupure. La valeur R de la résistance 30 est ainsi choisie très supérieure à la valeur de la résistance de l'interrupteur principal 10, ou même du circuit principal 5, par exemple de 104 ou 105 à 10' fois plus ; en particulier, un interrupteur 10 utilisé pour ce type de disjoncteur de générateur a classiquement une résistance de l'ordre de quelques millionièmes à quelques dizaines de millionièmes d'Ohms, et la résistance 30 utilisée est de l'ordre du dixième d'Ohm à la dizaine d'Ohms, par exemple R = 1 S2. Par la présence de cette résistance auxiliaire constante 30, la vitesse d'accroissement de la tension de rétablissement (VAIR) aux bornes de l'interrupteur 10 est réduite. En effet, en l'absence du circuit d'insertion de résistance 7, l'ouverture de l'interrupteur 10 et l'interruption du courant donnent lieu à une VAIR très élevée indiquée par les normes, par exemple 4 à 6 kV/ps. La présence de la résistance additionnelle 30 permet de réduire la VAIR de façon importante, typiquement de 0,01 kV/ps à 1 kV/ps, et donc facilite l'interruption du courant en retardant l'accroissement de la tension aux bornes de l'interrupteur 10. Ainsi, la fonction de coupure peut être accomplie dans un premier temps à moindres frais par l'interrupteur 10 du circuit principal 5. Suite à l'ouverture du premier interrupteur 10, par exemple par action d'un mécanisme de commande entraînant la séparation de ses contacts, l'ouverture du deuxième interrupteur auxiliaire 20 est provoquée, de préférence par les mêmes moyens de commande, afin d'assurer la coupure définitive du courant. Selon l'invention, le courant résistif Ir établi dans la branche auxiliaire 7 du circuit est très inférieur au courant Io circulant dans le circuit principal 5, qui est quasiment identique au courant nominal I ou au courant de court-circuit Isc. Grâce à la présence de la résistance 30, l'interrupteur de coupure 20 peut être dimensionné de façon appropriée, et notamment pour une intensité moindre, pour un courant réduit Ir très inférieur à Isc• L'interrupteur auxiliaire 20 peut être une chambre de coupure à gaz, mais, en particulier, il devient possible grâce à l'invention d'utiliser une ampoule à vide 20' (schématisée en figure 1C) bien que l'intensité du courant de court-circuit laisse a priori suggérer un dimensionnement trop onéreux, voire impossible de ce type de dispositif d'interruption pour un disjoncteur classique. Par ailleurs, l'insertion de la résistance 30 permet un dimensionnement beaucoup plus facile de la chambre de coupure principale 10. En effet, l'ajustement de la valeur R de la résistance 30 permet d'optimiser le couple chambre principale 10 / chambre auxiliaire 20 : si R diminue, le premier interrupteur 10 est moins sollicité et le deuxième 20 l'est plus, et inversement. L'interrupteur principal 10 peut lui aussi être une chambre de coupure à gaz de type SF6. Avantageusement, selon un mode de réalisation préféré schématisé en figure 1C et au vu de l'intensité des courants Io circulant, le premier interrupteur 10' consiste lui-même en un disjoncteur comprenant deux interrupteurs 12, 14 en parallèle sur deux branches 52, 54 du circuit principal 5. Un mode de réalisation pratique est par exemple illustré, uniquement à titre indicatif et schématique, en figure 2, dans laquelle la partie supérieure représente le disjoncteur 40 fermé, et la partie inférieure le courant passant par les barres omnibus 42, 44 coupé. Le disjoncteur 40 est avantageusement solidarisé au sol 46 de manière fixe, entre un alternateur de centrale couplé au premier jeu de barres 42 et un transformateur haute tension couplé au deuxième jeu de barres 44. Il est avantageux, tel qu'illustré, pour des raisons de compacité, de disposer l'ampoule à vide 20' selon un angle de 90 par rapport à l'interrupteur principal 10 ; les moyens de synchronisation 50 peuvent par exemple comprendre une tige coulissant, par son extrémité, dans une fente inclinée permettant le retard à l'ouverture. La configuration représentée, dans laquelle l'ampoule à vide 20' est au-dessus du pôle du disjoncteur 40, peut naturellement être remplacée par un interrupteur auxiliaire 20 situé sur un plan horizontal au niveau de l'axe AA du premier interrupteur 10, ou tout autre plan par rotation de l'ampoule autour de cet axe AA. De même, les résistances 30 peuvent se trouver en tout endroit du disjoncteur 40 où de la place est disponible. Le disjoncteur selon l'invention peut en outre comprendre un troisième interrupteur 60 en série avec le deuxième interrupteur 20, à des fins de section et non de coupure, afin d'éviter une baisse de tenue REVENDICATIONS 1. Disjoncteur de générateur (40) comprenant : - un premier interrupteur principal (10) comprenant une première paire de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre en translation selon un premier axe (AA) ; un deuxième interrupteur auxiliaire (20) de court-circuit comprenant une deuxième paire de contacts mobiles l'un par rapport à l'autre, mis en parallèle du premier interrupteur (10) ; - des moyens de synchronisation (50) permettant, lors d'une interruption, la séparation des contacts du premier interrupteur (10) avant la séparation des contacts du deuxième interrupteur (20) ; caractérisé en ce que le deuxième interrupteur (20) est associé en série à une résistance (30) de valeur (R) fixe. 2. Disjoncteur selon la revendication 1 dans lequel la valeur (R) de la résistance associée (30) est supérieure à 104 fois la résistance du premier interrupteur (10). 3. Disjoncteur selon la revendication 2 dans lequel la résistance du premier interrupteur (10) est de l'ordre de 10-6 à 10-4 Q, et la résistance associée est de l'ordre de 0,1 à 10 Q. 30 4. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3 comprenant des moyens de commande qui comprennent les moyens de synchronisation (50) pour différer la séparation des paires de contact. 5. Disjoncteur selon la revendication 4 dans lequel les moyens de commande sont uniques pour les deux interrupteurs (10, 20). 6. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le deuxième interrupteur (20') est une ampoule à vide. 7. Disjoncteur selon l'une des 15 revendications 1 à 6 dans lequel les moyens de synchronisation sont adaptés pour refermer la paire de contacts du deuxième interrupteur (20) avant la paire de contacts du premier interrupteur (10). 20 8. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 7 comprenant en outre un troisième interrupteur (60) en série avec le deuxième interrupteur (20) et dans lequel les moyens de synchronisation (50) sont adaptés pour séparer la paire 25 de contacts du deuxième interrupteur (20) avant la paire de contacts du troisième interrupteur (60). 9. Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel le premier 30 interrupteur (10') est un disjoncteur comprenant deux interrupteurs (12, 14) en parallèle. 10