Brevet FR3057388A1 — publié le 20180413

La présente invention concerne le domaine technique général des réseaux de transmission à courant continu haute tension (HVDC, acronyme pour en anglais, High Voltage Direct Current) ou à courant continu moyenne tension (MVDC, acronyme pour en anglais, Medium Voltage Direct Current). L'invention vise plus particulièrement, les commutateurs à gaz HVDC ou MVDC interrompant un courant continu dans une ligne d'un réseau de transmission à courant continu haute ou moyenne tension. L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine technique des réseaux à courant continu haute ou moyenne tension afin de pouvoir aiguiller la puissance d'un chemin vers un autre du réseau en cas par exemple de défaillance sur un pôle ou d'opérations de maintenance prolongées sur un pôle du réseau. Dans les réseaux à courant continu, il est connu d'utiliser des commutateurs comportant une branche avec un disjoncteur de courant continu comportant des organes actifs de coupure enfermés dans une enceinte étanche contenant un fluide gazeux. L'état de la technique a proposé de nombreuses solutions techniques pour réaliser un disjoncteur de courant continu à gaz. Par exemple, un disjoncteur connu a été décrit, dans "Journal of Power-Energy Division Conference 1994 of Institute of Electrical Engeeners», n 621, pp. 824-825. Le disjoncteur à courant continu à gaz est placé dans une branche d'une ligne du réseau continu. En parallèle de cette branche contenant ce disjoncteur sont montés d'une part, une branche avec un élément d'absorption d'énergie pour absorber toute surtension, et d'autre part, un circuit résonnant présentant une capacité donnée et une inductance donnée. Le disjoncteur à courant continu est du type à soufflage et comporte des organes actifs de coupure enfermés dans une enceinte étanche contenant un fluide gazeux. Le disjoncteur comporte un contact fixe pour permettre l'écoulement du courant continu et un contact mobile dans un cylindre de soufflage avec une buse diélectrique fixée sur celui-ci. Dans l'état ouvert, un arc électrique est généré entre les contacts lorsqu'une tige de 3057388 2 piston intégrée au contact mobile est déplacée par rapport au piston de soufflage fixée sur le contact fixe. Lorsque la tige de piston se déplace, un gaz d'extinction d'arc, typiquement du SF6, contenu à l'intérieur de l'enceinte est comprimé pour être pulvérisé sur l'arc. 5 Dans le cas du courant continu, la pulvérisation simplement de l'arc à courant continu avec le gaz SF6 peut ne pas être suffisante pour interrompre et l'éteindre avec succès en raison du fait que, contrairement au courant alternatif, le courant continu ne traverse pas périodiquement le point zéro de courant. 10 Pour éteindre l'arc, le circuit résonnant qui comporte une inductance et un condensateur est ainsi couplé en parallèle au disjoncteur pour superposer un courant oscillant au courant continu, pour fournir un passage par zéro au disjoncteur. Ceci permet au gaz SF6 comprimé par le piston de soufflage d'être soufflé et pulvérisé contre l'arc forçant son extinction. 15 Compte tenu que les réseaux à courant continu nécessitent des tensions de plus en plus hautes, les commutateurs associés doivent augmenter la performance de commutation en valeur de courant pouvant atteindre jusqu'à 6 000 A. Cette performance de commutation en valeur de courant doit intervenir également pour une grande plage de température de 20 fonctionnement des commutateurs. Typiquement, de tels commutateurs doivent conserver leur performance de commutation en valeur de courant alors que la température de fonctionnement peut atteindre -50°C. Le brevet US 5 737 162 propose de conserver des disjoncteurs à courant continu avec une enceinte étanche standard mais à mettre en série 25 ces disjoncteurs. Cette solution présente l'inconvénient d'une emprise au sol importante et d'un coût élevé. Le brevet EP 0 740 320 propose d'optimiser les valeurs de l'impédance et de la capacité du circuit résonant en fonction de la valeur d'interruption du courant continu. 30 Il a été proposé également d'utiliser différents types de gaz d'extinction comme indiqué par exemple dans la demande de brevet US 2016/261095 qui propose d'utiliser le dioxyde de carbone en remplacement du SF6 pour 3057388 3 l'extinction de l'arc électrique dans un appareil électrique pour la production, le transport, la distribution et / ou l'utilisation d'énergie électrique. Cependant, comme chaque type de gaz utilisé modifie les conditions d'extinction de l'arc électrique, ce document ne donne pas d'enseignement 5 pour sa mise en oeuvre dans un disjoncteur à courant continu. La présente invention vise à remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus en proposant un commutateur pour un réseau à courant continu haute ou moyenne tension, mettant en oeuvre un disjoncteur mécanique associé à un circuit d'injection d'un courant oscillant, un tel commutateur 10 étant simple et peu encombrant tout en présentant des hautes performances de commutation en valeur de courant continu pour une grande plage de température de fonctionnement des commutateurs. Pour atteindre un tel objectif, le commutateur pour un réseau à courant continu haute ou moyenne tension, comporte une branche avec un 15 disjoncteur de courant continu comportant des organes actifs de coupure enfermés dans au moins une enceinte étanche contenant un fluide gazeux, cette branche étant insérée dans la ligne du réseau et en parallèle de laquelle sont montés d'une part, une branche avec un élément d'absorption d'énergie, et d'autre part, un circuit résonnant présentant une capacité 20 donnée et une inductance donnée. Selon l'invention, l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu contient un fluide gazeux comportant au moins 70% en volume de dioxyde de carbone à une pression de remplissage comprise entre 0,65 MPa et 1,1 MPa mesurée à une température de 20°C et pour une valeur de 25 capacité C, l'inductance L est inférieure à 2700*C.84. De plus, le commutateur selon l'invention peut contenir en outre en combinaison au moins l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes - pour une valeur de capacité C, l'inductance L est comprise entre 30 400*C-84 et 2700*C 0.84 ; 3057388 4 - un fluide gazeux constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de remplissage comprise entre 0,65 et 1,1 MPa, mesurée à une température de 20°C ; - un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et 5 d'hexafluorure de soufre ; - entre 20% et 30% en volume d'hexafluorure de soufre ; - un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de tetrafluorure de carbone ; - entre 20% et 30% en volume de tetrafluorure de carbone ; 10 - un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de fluoronitrile ; entre 4% et 10 % en volume de fluoronitrile ; - un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de dioxygène ; 15 - entre 5% et 15% en volume de dioxygène ; - un fluide gazeux constitué d'un mélange ternaire de dioxyde de carbone, de dioxygène et de fluorocétone ; - entre 5 % et 15% en volume de dioxygène et entre 4% et 10 % en volume de fluorocétone. 20 Un autre objet de l'invention est de proposer un réseau à courant continu haute ou moyenne tension comportant au moins un commutateur conforme à l'invention. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre 25 d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1 est un schéma d'un exemple de réalisation d'un réseau de transmission à courant continu haute ou moyenne tension mettant en oeuvre au moins un commutateur à gaz HVDC conforme à l'invention. La Figure 2 est un schéma bloc fonctionnel illustrant un commutateur 30 à gaz HVDC conforme à l'invention. La Figure 3 est un schéma donnant les valeurs de l'inductance L en pH en fonction des valeurs de la capacité C en pF, permettant d'illustrer le 3057388 5 dimensionnement du circuit résonnant d'un disjoncteur d'un commutateur à gaz HVDC conforme à l'invention. La Figure 4 est un schéma donnant les valeurs de la capacité C en pF en fonction des valeurs de l'inductance L en pH pour diverses valeurs de 5 courant à commuter permettant d'illustrer la limite de performance en courant dans le plan LC. La Figure 5 est un schéma illustrant à titre d'exemple la géométrie d'une enceinte étanche d'un disjoncteur à courant continu pour la mise en oeuvre de l'invention. 10 La Fig. 1 illustre à titre d'exemple un réseau de transmission à courant continu 1 haute ou moyenne tension (HVDC ou MVDC) mettant en oeuvre au moins un, et d'une manière générale, plusieurs commutateurs 21 à gaz HVDC ou MVDC conformes à l'invention, interrompant un courant continu dans une ligne du réseau. De manière classique, un tel réseau de transmission à 15 courant continu 1. comporte au moins d'un côté, des convertisseurs 3 de courant alternatif/continu et d'un autre côté, des convertisseurs 4 de courant continu/alternatif. Les convertisseurs 3, 4 de courant ne sont pas décrits en détail car ils ne font pas partie spécifiquement de l'invention et sont bien connus de l'homme du métier. 20 Les commutateurs conformes à l'invention sont désignés par la référence 2i avec i variant de a, b, ... à n. Ces commutateurs 21 conformes à l'invention sont montés entre les convertisseurs 3, 4 et des points du réseau 1 pour permettre d'aiguiller la puissance d'un point du réseau vers un autre. Ces commutateurs 2i permettent par exemple de maintenir un flux de 25 puissance réduit en cas de défaillance sur un pôle ou d'opérations de maintenance prolongées sur un pôle du réseau. Par exemple, un réseau 1 comporte des commutateurs adaptés 2a, 2b conformes à l'invention et des commutateurs de court-circuit 10 pour transférer la puissance depuis le conducteur de terre Ct vers le conducteur métallique aérien Ca. Il est à 30 noter que les commutateurs de court-circuit 10 comportent uniquement une fonction pour court-circuiter un pôle indisponible du convertisseur à la 3057388 6 différence des commutateurs 21 conformes à l'invention qui possèdent une capacité de commutation à l'ouverture. Pour transférer cette puissance, le commutateur 2a disposé sur le conducteur de terre Ct qui est initialement fermé, ouvre et commute le 5 courant du conducteur de terre Ct vers le conducteur métallique aérien Ca à travers les commutateurs 2b conformes à l'invention et les commutateurs de court-circuit 10, placés en série entre le conducteur de terre Ct et le conducteur métallique aérien Ca et qui auront été préalablement fermés. Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 2, un commutateur 21 10 est placé sur une ligne du réseau 1 parcouru par un courant continu IDC, par exemple entre les points A-A' comme illustré. Chaque commutateur 21 comporte entre, les points A-A', une branche avec un disjoncteur 5 de courant continu de tous types connus en soi constitué de une ou plusieurs enceintes étanches disposées en série, présentant un courant d'arc Iarc et 15 une tension d'arc Uarc. Par disjoncteur de courant continu 5, il est compris un appareil mécanique comportant des organes actifs de coupure enfermés dans une enceinte étanche contenant un fluide gazeux et un système de soufflage de l'arc par le fluide gazeux. Comme cela sera décrit plus précisément dans la 20 suite de la description, le fluide gazeux est choisi pour son caractère isolant, notamment de manière à présenter une rigidité diélectrique supérieure à celle de l'air sec à pression équivalente, pour sa capacité de coupure de courant et sa capacité à fournir une tension d'arc élevée. Un disjoncteur de courant continu 5 est par exemple décrit par la 25 Fig. 5. De manière classique, le disjoncteur de courant continu 5 comporte dans une enceinte étanche 5a, une paire de contacts d'arc 5b et 5c et une paire de contacts dits « permanents » 5d et 5e qui assurent le passage du courant lorsque le disjoncteur est en position fermée. Les contacts d'arc 5b et 5c ainsi que les contacts permanents se séparent lors de la manoeuvre 30 d'ouverture. Lorsque les contacts d'arc 5b et 5c se séparent, l'arc électrique s'établit entre eux et est confiné à l'intérieur de la buse de soufflage 5f. L'arc perdure jusqu'à ce qu'un passage par zéro du courant se présente auquel 3057388 7 cas le gaz soufflé par la buse de soufflage 5f permet de remplacer le plasma par un gaz plus frais. Cette action de soufflage au passage par zéro du courant permet d'éteindre l'arc et permet au milieu gazeux compris entre les contacts d'arc 5b et 5c de tenir la tension transitoire de rétablissement 5 imposée par le réseau sans réamorcer et rétablir le courant. En parallèle de cette branche A-A' est monté d'une part, un circuit résonnant 6 non pré chargé et d'autre part, une branche avec un élément d'absorption d'énergie 7. Le circuit résonnant 6 non pré chargé présente en série, une capacité donnée C, une résistance R et une inductance donnée L. 10 Ce circuit résonnant 6 interagit avec la tension d'arc Uarc pour produire un courant oscillant exponentiellement croissant. Ce courant oscillant vient se superposer au courant continu IDC pour fournir un passage à zéro du courant pendant lequel le fluide gazeux est soufflé pour éteindre l'arc. La branche avec l'élément d'absorption d'énergie 7 comporte un 15 dispositif contre les surtensions de tous types connus en soi, tel qu'un parafoudre. Cet élément d'absorption d'énergie 7 est implanté pour permettre de fixer la surtension maximale aux bornes du condensateur C et du disjoncteur 5 et d'absorber l'énergie du réseau après la coupure par le disjoncteur 5. 20 Conformément à l'invention, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux comportant au moins 70% en volume de dioxyde de carbone et présentant une pression de remplissage comprise entre 0,65 MPa et 1,1 MPa mesurée à une température de 20°C. Ainsi, par rapport au volume total du fluide gazeux contenu dans l'enceinte 25 étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5, cette enceinte contient en volume au moins 70% en volume de CO2. Comme cela sera décrit dans les exemples de réalisation décrits ci-après, le fluide gazeux contient exclusivement du CO2 ou un mélange de CO2 avec d'autres composants, le choix de la composition du mélange gazeux dépendant notamment des 30 températures de fonctionnement des commutateurs. La pression est mesurée à une température de 20°C lors du remplissage en fluide gazeux de l'enceinte étanche 5a. 305 73 88 8 Selon une variante préférée de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de remplissage comprise entre 0,65 et 1,1 MPa, mesurée à une température de 20°C. Par 5 exemple, pour des conditions de fonctionnement du commutateur à une température pouvant atteindre -40°C, le fluide gazeux peut être constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de remplissage de 1.1 MPa à 20°C. Pour des conditions de fonctionnement du commutateur à une température pouvant atteindre -50°C, le fluide gazeux peut être 10 constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de remplissage de 0,8 MPa à 20°C. Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche Sa du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et d'hexafluorure de soufre (SF6). L'enceinte 15 étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient ainsi entre 20% et 30% en volume d'hexafluorure de soufre et en complément, du dioxyde de carbone. Cet exemple de réalisation permet des conditions de fonctionnement du commutateur à une température pouvant atteindre -50°C. 20 Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche Sa du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de tetrafluorure de carbone (CF4). L'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu 5 contient entre 20% et 30% en volume de tetrafluorure de carbone et en complément, du 25 dioxyde de carbone. Cet exemple de réalisation permet des conditions de fonctionnement du commutateur à une température pouvant atteindre -50°C. Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux constitué d'un 30 mélange de dioxyde de carbone et de fluoronitrile (2,3,3,3-tetrafluoro-2- (trifluoromethy1)-propanenitrile). Selon cet exemple, l'enceinte étanche du 305 73 88 9 disjoncteur de courant continu contient entre 4% et 10 % en volume de fluoronitrile et en complément, du dioxyde de carbone. Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu contient un fluide gazeux constitué d'un 5 mélange de dioxyde de carbone et de dioxygène. Selon cet exemple, l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu contient entre 5% et 15% en volume de dioxygène et en complément, du dioxyde de carbone. Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu contient un fluide gazeux constitué d'un 10 mélange ternaire de dioxyde de carbone, de dioxygène et de fluorocétone (C,FK). Selon cet exemple, l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu contient entre 5 % et 15% en volume de dioxygène et entre 4% et 10 % en volume de fluorocétone et en complément, un mélange ternaire de dioxyde de carbone. 15 Une autre caractéristique de l'objet de l'invention est de déterminer les valeurs optimales de capacité C et d'inductance L pour le circuit résonnant 6 du disjoncteur à courant continu 5 en fonction de la valeur du courant de commutation et de la performance du disjoncteur 5 conforme à l'invention contenant au moins 70% en volume de CO2. La Fig. 4, permet d'illustrer 20 l'évolution de la capacité C requise pour le circuit résonnant 6 en fonction de la valeur du courant continu à commuter. Quand le courant à commuter I croît, il est nécessaire d'augmenter la valeur de la capacité C du condensateur afin de pouvoir générer l'instabilité de courant. Par contre, cette instabilité ne peut se maintenir et produire le courant oscillant 25 exponentiellement croissant que si l'inductance du circuit résonant 6 (y compris l'inductance parasite de la boucle) est inférieure à une valeur limite. Conformément à l'invention, pour une valeur de capacité C du circuit résonnant 6, l'inductance L du circuit résonnant 6 reste inférieure à 2700*C- 30 0.84. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, pour une valeur de capacité C, l'inductance L est comprise entre 400*C 13.84 et 2700*C84, 3057388 10 Cette relation est illustrée par la Fig. 3. Par exemple pour une capacité requise de 30 pF, pour être efficace, l'inductance L du circuit résonant 6 interagissant avec l'arc électrique du disjoncteur 5 conforme à l'invention doit être comprise entre 23 pH et 155 pH. 5 Un avantage de l'invention est que les performances d'interruption sont atteintes du fait que le disjoncteur à courant continu comporte un circuit résonnant dimensionné comme décrit ci-avant, permettant de profiter pleinement de la performance du disjoncteur à courant continu. Compte tenu que la capacité du circuit résonnant peut être maîtrisée, le coût d'un tel 10 commutateur est réduit, la performance de commutation de courant est également augmentée. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS1 - Commutateur pour un réseau à courant continu haute ou moyenne tension (1), comportant une branche avec un disjoncteur de courant continu (5) comportant des organes actifs de coupure enfermés dans au moins une 5 enceinte étanche (5a) contenant un fluide gazeux, cette branche étant insérée dans la ligne du réseau et en parallèle de laquelle sont montés d'une part, une branche avec un élément d'absorption d'énergie (7), et d'autre part, un circuit résonnant (6) présentant une capacité donnée C et une inductance donnée L, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur 10 de courant continu (5) contient un fluide gazeux comportant au moins 70% en volume de dioxyde de carbone à une pression de remplissage comprise entre 0,65 MPa et 1,1 MPa mesurée à une température de 20°C et en ce que pour une valeur de capacité C, l'inductance L est inférieure à 2700 *c-0.84. 2 - Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour une 15 valeur de capacité C, l'inductance L est comprise entre 400*C°.84 et 2700*C" 0.84 3 - Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de 20 remplissage comprise entre 0,65 et 1,1 MPa, mesurée à une température de 20°C. 4 - Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et d'hexafluorure de 25 soufre. - Commutateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 20% et 30% en volume d'hexafluorure de soufre. 6 - Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 30 l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de tetrafluorure de carbone. 3057388 12 7 - Commutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 20% et 30% en volume de tetrafluorure de carbone. 8 - Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 5 l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de fluoronitrile. 9 - Commutateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 4% et 10 % en volume de fluoronitrile. 10 - Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de dioxygène. 11 - Commutateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 5% 15 et 15% en volume de dioxygène. 12 - Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange ternaire de dioxyde de carbone, de dioxygène et de fluorocétone. 20 13 - Commutateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 5 % et 15% en volume de dioxygène et entre 4% et 10 % en volume de fluorocétone. 14 - Réseau à courant continu haute ou moyenne tension caractérisé en 25 ce qu'il comporte au moins un commutateur (2» conforme à l'une des revendications 1 à 13.