Brevet FR3009424A1 — publié le 20150206

SYSTEME DE COMMUTATION DE CHARGE HVDC ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE DE CE SYSTEME DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système de 5 commutation de charge HVDC (« High Voltage Direct Current », ou « courant continu haute tension ») et un procédé de mise en oeuvre de ce système. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE 10 Le document référencé [1] en fin de description décrit un commutateur pour des applications DC (courant continu). La plupart des systèmes de transmission haute tension à courant continu (HVDC) bipolaires utilisent des interrupteurs DC pour commuter 15 le courant d'un chemin de conduction à un autre, et permettre la reconfiguration du système en fonctionnement normal ou après une panne, sans interrompre la transmission d'énergie. En fonction des chemins de conduction concernés, différents types de 20 commutateurs DC peuvent alors être considérés. Ce document donne une explication détaillée sur l'interaction entre arc et circuit auxiliaire qui fait apparaître des oscillations de courant dans la boucle crée par le circuit oscillant et l'arc. Ce document 25 décrit le fonctionnement d'une source HVDC dans une liaison dite « point à point » c'est-à-dire une liaison entre une source d'énergie et un consommateur reliés par une ligne aérienne ou un câble. Le document référencé [2] concerne un disjoncteur de circuit HVDC 500 KV à air comprimé et son fonctionnement. L'interruption du courant continu est basée sur un circuit de commutation passif. Ce document décrit la coupure du courant continu en utilisant un mode de fonctionnement classique. Le document référencé [3] concerne un disjoncteur SF6 (hexafluorure de soufre) HVDC pour commuter des courants de charge et des courants de défaut, qui est le résultat de l'intégration d'un interrupteur SF6 HVAC (haute tension courant alternatif) dans un disjoncteur HVDC. Ce document décrit la coupure du courant en utilisant un mode de fonctionnement avec enclencheur. Le document référencé [4] présente une alternative d'un commutateur par rapport à ce qui est décrit dans le document précédent. Dans les documents de l'art antérieur, chaque chambre de coupure (« arc chamber »), permettant d'étirer un arc, possède son propre circuit auxiliaire, qui comprend un circuit oscillant LC en parallèle avec un parafoudre (« surge arrester »). L'invention a pour objet de proposer un système de commutation HVDC compact qui permette d'interrompre le courant continu en fonctionnement normal en évitant toute coupure en présence d'un défaut, dans lequel un circuit auxiliaire est partagé entre plusieurs chambres de coupure, ce qui entraîne un gain de place et une diminution du coût. L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre de ce système. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système de commutation de charge HVDC comprenant des jeux de 5 barres situés entre des lignes ou câbles haute tension extérieurs reliés à des noeuds consommateurs ou fournisseurs d'énergie, plusieurs chambres de coupure, chacune pouvant comprendre une ou plusieurs chambres à arc connectées directement en série, assurant la 10 fonction d'interrupteur DC étant disposées sur chaque jeu de barres, caractérisé en ce qu'il comprend deux phases constituées par un premier et un second jeu de barres DC de polarités + et - et une troisième phase constituée par un jeu de barres auxiliaire, et un 15 circuit auxiliaire centralisé. Avantageusement le circuit auxiliaire comprend un circuit oscillant comprenant une inductance, une résistance et un condensateur en série, une résistance et un premier parafoudre étant disposés 20 en parallèle de ce condensateur. Avantageusement le circuit auxiliaire est situé entre deux interrupteurs HVHS (High Voltage High Speed), un premier interrupteur HVHS, dans une configuration de charge, étant connecté entre le jeu de 25 barres auxiliaire et la terre au travers d'une résistance, un second interrupteur HVHS étant connecté entre un sélecteur de jeu de barres et la terre au travers d'une résistance ; deux seconds parafoudres étant respectivement disposés entre l'entrée et la 30 sortie du circuit auxiliaire et la terre. Dans une variante de réalisation une résistance en série avec un condensateur sont disposées en parallèle de chacune de ces résistances. Le système de l'invention peut comprendre 5 au moins un sectionneur à trois positions et/ou au moins deux sectionneurs à deux positions. L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre de ce système dans lequel le condensateur du circuit oscillant du circuit auxiliaire 10 est préchargé. Avantageusement on a la relation : Usai + Usa2 La figure 2 illustre un premier mode de fonctionnement du système de commutation de l'invention. Les figures 3 et 4 illustrent un second mode de fonctionnement du système de commutation de 30 l'invention. La figure 5 illustre un troisième mode de fonctionnement du système de commutation selon l'invention. La figure 6 illustre une variante de réalisation. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention concerne un système 10 de commutation de charge HVDC, par exemple à isolation gazeuse (« Gas Insulated Switchgear » ou GIS) ou à isolation aérienne (« Air insulated Switchgear » ou AIS), triphasé comprenant trois jeux de barres 11, 12 et 13, plusieurs chambres de coupure 14 assurant la fonction d'interrupteur DC 15, dans lesquelles on veut étirer un arc. Deux premières phases sont utilisées comme deux premiers jeux de barres 11 et 12 DC de polarités + et - Une troisième phase constituée par le troisième jeu de barres 13, ou jeu de barres auxiliaire, est utilisée comme connection temporaire pour relier le circuit auxiliaire centralisé à n'importe laquelle des chambres de coupure 14. Un circuit auxiliaire centralisé 16 est disposé en un endroit déterminé du système. Le système de commutation de l'invention 10, illustré sur la figure 1, est relié de part et d'autre à des lignes ou câbles haute tension non représentés sur la figure. Ce sont les entrées et sorties du système qui sont des connexions vers l'extérieur. Chacune est reliée à des noeuds consommateurs ou fournisseurs d'énergie. Si une des connexions vers l'extérieur est dirigée, par exemple, vers une unité de stockage, son rôle peut changer au cours du temps. Ce système comprend donc un premier et un second jeu de barres HVDC 11 et 12 et un troisième jeu de barres 13, qui est un jeu de barres auxiliaire. Le système comprend au moins un sectionneur à trois positions 20 ou au moins deux sectionneurs à deux positions 21, par exemple quatre sectionneurs à trois positions 20 et deux sectionneurs à deux positions 21 dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, qui permettent au troisième jeu de barres 13 de se coupler à la borne d'une chambre de coupure 14, qui est opposée aux jeux de barres. Il comprend également un sélecteur de jeu de barres 22, qui est un interrupteur permettant une connection au premier ou au second jeu de barres 11 ou 12. Il comprend enfin un circuit auxiliaire 16 avec un circuit oscillant LC comprenant une inductance L, une résistance R' et un condensateur C en série ; un premier parafoudre SA' pour protéger le condensateur C et une résistance de décharge R" étant montés en parallèle avec ce condensateur C. Deux interrupteurs 23 et 24 du troisième jeu de barres 13, qui sont connectés à chaque extrémité de la branche LC, sont des commutateurs HVHS (« High Voltage High Speed »). Le circuit auxiliaire 16 est ainsi disposé entre ces deux interrupteurs HVHS 23 et 24, un premier interrupteur HVHS 23 étant connecté entre le jeu de barres auxiliaire 13 et la terre au travers d'une résistance R, un second interrupteur HVHS 24 étant connecté entre le sélecteur de jeu de barres 22 et la terre au travers également d'une résistance R. Deux seconds parafoudres SA1 et SA2 sont respectivement disposés entre l'entrée et la sortie du circuit auxiliaire et la terre. Des exemples de valeurs peuvent être les suivants : pour L de l'ordre de 10 à plusieurs dizaines de pH, pour C de l'ordre de quelques pF à quelques dizaines de pF, pour R de la centaine d'Ohm à plusieurs milliers d'Ohm, pour R' d'une limite seuil, qui est la résistance de l'inductance et qui est bien inférieure à 0.1 Ohm, à plusieurs centaines d'Ohm dans le mode 3 et pour R" de l'ordre de 100 kOhm à quelques millions de Ohm. Dans des conditions de fonctionnement normal, les interrupteurs DC 15 des premier et second jeux de barres 11 et 12 sont fermés (ou ouverts selon le besoin du moment) ainsi que les interrupteurs HVHS 23 et 24 du circuit auxiliaire. Lorsque le courant doit être interrompu dans l'un des interrupteurs DC 15 du premier et du second jeu de barres 11 et 12, un des trois modes de fonctionnement suivants peut être sélectionné : 1. un mode de fonctionnement classique, décrit dans le document référencé [2] ; 2. un mode de fonctionnement avec circuit 25 auxiliaire à condensateur déchargé, décrit dans le document référencé [3] ; 3. un mode de fonctionnement avec circuit auxiliaire à condensateur préchargé qui est un mode de fonctionnement selon l'invention. 30 1. Mode 1 : mode de fonctionnement classique a. Etat initial Aucun des deux interrupteurs HVHS 23 et 24 n'est connecté à la terre. Sur la figure 1, ces deux interrupteurs HVHS 23 et 24 sont en position haute. Ils 5 peuvent également être enlevés de même que les connections de terre, comme illustré sur la figure 2. Tous les sectionneurs 20 et 21 qui sont situés du côté ligne haute tension pour chaque chambre de coupure 14, sont dans leur position neutre, c'est-à10 dire qu'ils ne sont pas connectés à un jeu de barres. b. Fonctionnement Le sélecteur de jeu de barres 22 se connecte au premier ou second jeu de barres où le courant doit être interrompu (la chambre de coupure 14 15 en haut à gauche sur la figure 1). Alors un et seulement un des sectionneurs 20 ou 21 côté ligne, le plus proche de la chambre de coupure 14 qui va fonctionner, ferme. Cette chambre de coupure 14 est activée et l'interruption est réalisée. 20 2. Mode 2 : mode de fonctionnement avec circuit auxiliaire à condensateur déchargé a. Etat initial Les deux interrupteurs HVHS 23 et 24 sont 25 reliés à la terre ou dans une position neutre. b. Fonctionnement Le sélecteur de jeu de barres 22 connecte au premier ou second jeu de barres où le courant doit être interrompu (interrupteur en haut à gauche sur la 30 figure 1). Alors un et seulement un des sectionneurs 20 et 21 côté ligne, le plus proche de la chambre de coupure 14 qui va fonctionner, ferme, comme illustré sur la figure 3. S'ils n'y sont pas déjà, les deux interrupteurs HVHS 23 et 24 quittent leur position initiale et atteignent leur position neutre, c'est-à- dire qu'ils ne sont ni connectés à la terre, ni connectés au troisième jeu de barres 13. Alors un des interrupteurs HVHS 23 ou 24 se connecte en parallèle à la chambre 14 qui va couper le courant, comme illustré sur la figure 4. La chambre de coupure est activée. Peu après l'autre interrupteur HVHS se connecte également au troisième jeu de barres et l'interruption est réalisée. Ce fonctionnement du second interrupteur HVHS doit être rapide, permettant une diminution rapide de la tenue diélectrique, afin d'être précis en temps. Ainsi le moment où l'interrupteur HVHS agit doit être situé dans une très étroite bande de temps de coupure. Cette bande de temps doit être large d'environ +/- 5ms ou même préférentiellement +/- 2ms. On peut également économiser l'interrupteur HVHS 23, qui peut être remplacé par une liaison permanente, comme illustré sur la figure 2. Les deux résistances, qui mènent à la terre, peuvent alors être supprimées, comme sur la figure 2. L'interrupteur HVHS 24 peut alors venir remplacer le sélecteur de jeu de barre 22. On obtient exactement la figure 2 avec une seule différence : le sélecteur de jeu de barre 22 doit être un interrupteur HVHS. Le moment de fermeture électrique (incluant le préarc) d'un interrupteur HVHS est de préférence 30 ajusté en fonction du courant à commuter. Pour de faibles courants de charge à interrompre de plus faibles courants d'appel (« Inrush current ») sont nécessaires. Ils peuvent être générés avec de faibles tensions d'arc. Pour des courants de charge élevés des tensions d'arc plus élevées sont nécessaires. La tension d'arc fluctue statistiquement comme une fonction du temps, mais la courbe de sa valeur moyenne présente un maximum. Celui-ci passe de zéro au moment de la séparation des contacts, puis par un maximum avant de décroitre jusqu'à une tension d'état stable plus faible. Lorsque des tensions d'arc plus faibles sont visées, il est préférable de viser des intervalles de temps d'arc avant le maximum. Dans le cas (malchanceux statistiquement) d'une tension trop faible (opposant en conséquence un courant plus faible que le courant de charge) il y a encore une chance de continuer selon le mode 1. Si de longs intervalles de temps d'arc sont visés, l'interruption devient moins probable. 3. Mode 3 : mode avec circuit auxiliaire à condensateur préchargé a. Etat initial Les deux commutateurs HVHS sont reliés à la terre. b. Fonctionnement Le sélecteur de jeu de barres 22 se connecte au premier ou second jeu de barres où le courant doit être interrompu (interrupteur en haut à gauche sur la figure 1). Alors seulement un des sectionneurs côté ligne 20 ou 21, le plus proche de la chambre de coupure 14 qui va fonctionner, ferme, comme illustré sur la figure 3. La différence avec le mode 2 consiste en un préchargement du condensateur C à travers la tension de ligne aérienne ou de câble qui quitte le système. En fonction de la polarité de la tension du jeu de barres par rapport à la terre et de la direction du flux de courant dans la chambre de coupure 14, l'un ou l'autre des interrupteurs HVHS quitte sa position initiale et connecte au jeu de barres, comme illustré sur la figure 5. Lorsque le condensateur C est chargé, l'interrupteur HVHS connecté à la terre se déplace vers sa position neutre. Alors la chambre de coupure est activée, puis peu après ce dernier interrupteur HVHS achève la mise en parallèle du circuit 16 avec la chambre de coupure 14 et l'interruption est réalisée. De manière commune aux trois modes de fonctionnement, la tension de transition des parafoudres SA1, SA2 et SA', illustrés sur la figure 1, présente une coordination d'isolement particulière. L'objectif est de dissiper l'énergie contenue dans les moyens de transmission, c'est-à-dire les lignes aériennes ou les câbles qui quittent le système, dans les deux seconds parafoudres SA1 et SA2 qui sont connectés à la terre, mais pas dans le premier parafoudre SA' en parallèle au condensateur C. Ceci est obtenu en considérant la relation suivante entre les différentes tensions de transition aux bornes respectivement des seconds parafoudres SA1 (Usai), SA2 (Usa2) et du premier parafoudre SA' (Usa,): Usai+ Usa2 Une alternative aux résistances R qui font la liaison entre les interrupteurs HVHS et la terre est illustrée sur la figure 6. L'ajout d'une branche résistance Rc - condensateur Ce occasionne une répartition de tension entre les condensateurs C et Ce. Le condensateur C n'est plus alors préchargé à la pleine tension U du réseau à courant continu, mais à une tension inférieure U x Ce / (Ce + C), qui peut être choisie plus proche de celle qui est nécessaire pour permettre le fonctionnement rapide désiré.20 Références [1] Article de W. Grieshaber, A. Fanget, B. Kayibabu et J.P. Dupraz intitulé « MRBT for DC applications : design and power tests » (2008 10 30 Grid Tech, 29-30 Janvier 2009, pages 1-8). [2] Article de B. Bachmann, G. Mauthe, E. Rnoss, H.P. Lips, J. Portez, J. Vithayathil intitulé « Development of a 500kw Airblast HVDC circuit breaker » (IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. Pas-104, N°9, Septembre 1985, pages 2460- 2466). [3] Article de A. Lee, P.G. Slade, Y.H. Yoong, J. Porter, J. Vithayathil intitulé « The development of a HVDC SF6 Breaker » (IEEE transactions 15 on Power Apparatus and systems, vol. Pas-104, N°10, October 1985, pages 2721-2729). [4] EP2523204 REVENDICATIONS1. Système de commutation de charge HVDC comprenant des jeux de barres (11, 12, 13) situés entre des lignes ou câbles haute tension extérieurs reliées à des noeuds consommateurs ou fournisseurs d'énergie, plusieurs chambres de coupure (14) assurant la fonction d'interrupteur DC (15) étant disposées sur chaque jeu de barres, caractérisé en ce qu'il comprend deux phases constituées par un premier et un second jeu de barres DC (11, 12) de polarités et -, une troisième phase constitué par un jeu de barres auxiliaire (13), et un circuit auxiliaire centralisé (16). 2. Système selon la revendication 1, dans 15 lequel chaque chambre de coupure comprend plusieurs chambres à arc connectées directement en série. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel le circuit auxiliaire (16) comprend un circuit 20 oscillant comprenant une inductance (L), une résistande (R') et un condensateur (C) en série, une résistance (R'!) et un premier parafoudre (SA') étant disposés en parallèle de ce condensateur (C). 25 4. Système selon l'une des revendications 1 ou 3, dans lequel le circuit auxiliaire est situé entre deux interrupteurs HVHS, un premier interrupteur HVHS (23), dans une configuration de charge, étant connecté entre le jeu de barres 30 auxiliaire' (13) et la terre, un second interrupteur HVHS (24) étant connecté entre un sélecteur de jeu debarres (22) et la terre, deux seconds parafoudres (SA) étant respectivement disposés entre l'entrée et la sortie du circuit auxiliaire (16) et la terre. 5. Système selon la revendication 1, qui comprend au moins un sectionneur à trois positions (20). 6. Système selon la revendication 1, qui 10 comprend au moins deux sectionneurs à deux positions (21). 7. Système selon la revendication 4, dans lequel le premier interrupteur HVHS (23) est connecté 15 entre le jeu de barres auxiliaire (13) et la terre au travers d'une résistance (R) et le second interrupteur HVHS (20) est connecté entre le sélecteur de jeu de barres (22) et la terre au travers d'une résistance (R)- 20 8. Système selon la revendication 4, dans lequel le premier interrupteur HVHS (23) est connecté entre le jeu de barres auxiliaire (13) e la terre au travers d'une résistance (R) en parallèle avec un 25 condensateur (Ce) et une résistance (Rc) en série, et, le second interrupteur HVHS est connecté entre le sélecteur de jeu de barres (22) et la terre au travers d'une résistance (R) en parallèle avec un condensateur (Ce) et une résistance (Rc) en série. 30 9. Procédé de mise en oeuvre du système selon une quelconque des revendications 3 à 8, danslequel le condensateur (C) du circuit oscillant du circuit auxiliaire est préchargé. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on a la relation : Usai + Usa2 11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le préchargement du condensateur (C) s'effectue directement à partir de la tension dans le réseau dans lequel il faut interrompre le courant continu. 12. Procédé. de mise en oeuvre du système selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel le condensateur (C) du circuit oscillant du circuit auxiliaire est déchargé.20