Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
; ~27~
L'invention est relative à un dispositif limiteur de courant pour
la coupure des courants de courts-circuits dans les réseaux à haute tension.
Du fait de l'aug~entation conqtante des puiqsance~ de~ réseaux électri-
ques à haute tension, on constate souvent que, dans certains postes de coupure,
les courants de dé~aut peuvent dépasser rapidement les capacités de coupure
ou de tenue de leur équipement.
Pour y obvier leq solutions utilisées qui vielment immédiatement à
l'eqprit consistent à :
- utiliser un nouvel équipement ayant des capacités de aoupures et
de tenue plus clevées, ce qui conduit à remplacer à l'ancien équipement
et constitue une solution onéreu~e ;
- fractionner les jeux de barres, ouvrir les lignes, constituer les
réseaux en îlots, afin de réduire le courant de courts-circuits à une valeur
acceptable, solution que ne souhaitent pas les exploitant3 car leurs réseaux
ne fonctionnent plus dans des conditions optimales ;
- utiliser des réactances série ; cette solution qui crée des contraintes
supplémentaires en réglme transitoire pour les di3joncteurq et des problèmes
~e ré~ulation de ten~ion, conduit à des encombrementq importants et des
perte~.
?~ La qolution souhaitable est un dispoqitif permettant de réduire trè
rapidemenk le courant de court-circuit à une valeur prédéterminée et de
rétabllr ensuite les conditions lnitialeq d'exploitation une ~oi~ le défaut
éliminé.
Un tel dispositif doit répondre aux condition~q suivante3 :
- avoir un temps de fonotionnement extrememe~t rapide, de l'ordre
de deux à trois milliseconde3,
- pouvoir limiter la crête de la première grande onde asymétrique
à une valeur compatible avec la capacité de tenue, en court-circuit de l'équi-
pement,
3~ - réduire, par in~ertion d'une impédance dans le circuit, le courant
de court-circuit initial à une valeur permettant la coupure par les di~jonc-
teurs conventionnels existants et de pouvoir de coupure insuPPisant.
- avoir un courant nominal suffisant.
Les moyens utilisable3 actuellement en haute tension se basent 9ur
les principes suivants :
- interruption de courant de court-circuit avant sa crête dans une
enceinte à vide par l'annulation du champ magnétique lequel est nécessaire
au déplacement d'électrons dans la colonne d'arc, ce courant étant transité
ensuite à travers une résistance permettant de réduire le courant à une
_ . .. _ .. . _ _ . _ . _ _ . . .-- . . _ ...... _ _ _ . . . . , . : :
., .
;
.
, . .
.,
: . .
valeur prédéterminée,
- création rapide d'une annulation de courant par injection d'un grand
courant à haute ~réquence de sens inverse, le dispositif pouvant e~fectuer
la coupure du courant au premier pa~isage par zér-o arti~iciel avant la première crête de 1'onde asy~étrique,
- soufflage très énergique par création en ~m temps très court d'une
tension d'arc élevée supérieure à la tension du reseau, cette tension d'arc
réduisant l'amplitude du courant de court-circuit et le forçant à pa3ser
par zéro.
Avec de trè~ grands courants sous haute tension ces principes qe heu.tent
à des problèmes dif~iciles à résoudre pour répondre simultanémerlt aux conditions
précédentes.
L'in~ention a pour but un dispositi~ permettant de satisfaire simulta-
nément à ces conditions.
L'invention a pour ob~et un dispositif de coupure de courant à haute
tension d'une installation électrique comportant en amont une siource de
courant et pouvant comporter en aval un défaut à la terre, naractérisé en
ce qu'il comprend par phase en série entre l'amont et l'aval un appareil
de coupure à grande tension d'arc et à ouverture très rapide at un dlsjoncteur
à ouverture rapide et, en dérivation entre l'amont de l'appareil de coupure
à grande tension d'arc et la terre, une résistance de limitation d'ur. courant
de mise à la terre à traversi un conjoncteur-di~ijoncteur à temps de fermature
très rapide et à temps d'ouverture rapide, des moyens pour operer la séquence
- dès opérations suivante3 dans un temps in~érieur à une demi-période, fermeture
du con~oncteur-disjoncteur, ouverture de l'appareil à grande tension d'arc,
ouverture du disjoncteur à ouverture rapide et du co~joncteur disjoncteur,
et au passage à zéro du courant, coupure de l'appareil à grande tension
d'arc, du dis~oncteur à ouverture rapide, puis du con~oncteur-disjoncteur.
Selon une caractéristique, le con~oncteur~disjoncteur est un appareil
3~ statique. Suivant un mode de réalisation le conjoncteur-disjoncteur comprend
à l'intérieur d'une enceinte étanche un circuit sous pre~sion de gaz diélec
trique comportant dans le champ d~une bobine une première électrode princi-
pale de section circulaire et en regard de laquelle e~t di posée une seconde
électrode principale munie d'un dispositif générateur dlun arc électrique
entre lesdites électrodes principales. La seconde électrode principale peut
être de révolution, par exemple isiphérique, et comporter sur sa paroi latérale
une fenêtre derrière laquelle sont disposées dans un plan perpendiculaire
a l'axe de la bobine deux électrodes auxiliaires d'amorçage d'un arc ~oumiq
à l'action d'un champ magnétique déplaçant l'arc à l'extérieur entre ladite
j.
,. , :
" ~2~2i~
seconde électrode et ladite première electrode principales,
ladite bobine parcourue alors par un courant entralnant ledit arc
en rotation.
L'enceinte etanche du conjoncteur--d:isjoncteur peut
être sous pression de gaz, comme de l'hexafluorure de soufre
ou encore un melange à 50~ d'hexafluorure de soufre et d'azote.
La valeur d'une resistance de limitation du courant
mis a la terre est comprise entre 80 et 125~ de la valeur de
l'impedance minimale du reseau d'alimentation de l'installa-
tion electrique.
Selon une autre disposition, une seconde resistance
identique est-disposee symetriquement a celle de ladite resis-
tance de limitation en derivation entre l'autre côte de l'appareil
de coupure à grande resistance dlarc et le conjoncteur-dis-
joncteur.
Les caracteristiques et avantayes de l'invention
ressortiront de la description d'un mode de realisation donne
ci-apres et illustre dans les figures.
La figure 1 est une representation schemati.que d'une
installation comportant un dispositif de coupure a haute
tension selon l'invention.
La figure 2 est un diagramme de courants de courts-
circuits de l'installation selon la figure 1.
La figure 3 est une vue schematique et en coupe
d'un mode de realisation d'un conjoncteur-disjoncteur.
I.a ~igure ~ est une vue en coupe schematique de
l'electrode spherique selon la figure 3O
La figure ~ est une vue schematique en coupe sui-
vant V V de l'electrode spherique selon la figure ~O
La figure 6 est une representation schematique d'une
installation electrique a poste d'interconnexion muni de
dispositifs de coupure selon l'invention.
Dans la figure 1 on a designe par 30 un dispositif
de coupure de courant a haute tension d'une installation
~ 3 --
~r ~p
. ' '; ' ' ' ': ' ' "
~; ' I . : .
, , " , , ., .: ' i '
7~
electrique comportant en amont une source de courant 1~ et
en aval un ensemble recepteur d'utilisation 20. Ce dlspo-
sitiE de coupure comporte en serie de l'amont vers l'aval
un appareil de coupure 1 et un disjoncteur 2 et en derivation
entre l'amont de l'appareil de coupure 1 et ~a terre une
resistance 4 et un conjoncteur-disjoncteur 3.
L'appareil de coupure 1 est du type a grande ten~
sion d'arc, par exemple de l'ordre du quart de la tension du
reseau, soit plusieurs dizaines de kilovolts, ayant un temps
d'ouverture très rapide de l'ordre de 1,5 m:illisecondes.
Cette chambre de coupure qui n'a pas a subir en permanence
les contraintes d'un disjoncteur classique n'a pas besoin
d'être dotee de pouvoir de fermeture, comme on le verra par
la suite.
Le disjoncteur 2, qui est du type a ouverture
rapide, de l'ordre du quart de periode, doit couper le
courant au premier passage à zero, isoler le circuit et être
capable de fermer sur defaut toutes caracteristiques dévo-
lues à un disjoncteur classique rapide.
Le conjoncteur-disjoncteur 3 a pour fonction de
réaliser une mise a la terre momentanée du reseau à travers
une resistance de limitation du courant ~ Il doit corres-
pondre aux caracteristiques suivantes: temps de fermeture
tres rapide de l'ordre de 1 milliseconde, suivi d'un temps
~5 d'ouvcrturc rapi.de de l'ordre du quart de pcriode. La
valeur de la resistance 4 est faible et est de l'ordre de
grandeur de celle de l'impedance du co~rt-circuit de
l'installation.
Lors de l'apparition d'un deEaut asymetrique à la terre
en T à l'aval de l'installation, l'appareil de coupure à
grande tension d'arc 1, le disjoncteur à ouverture rapide 2
et le conjoncteur-disjoncteur 3 sont soumis aux ordres de
fonctionnement d'un dispositif de contrôle 5.
Le fonctionnement du aispositif est alors le suivant
-- 4 --
~.,:,,p.
. ~, -,,~,
.
.~ . ~ ,, .
. :
. .
272~
si 1'on se refère au diagramme de courant i de la figure 2
dans lequel les ordonnées correspondent aux courants i et
les abscisses au temps t. L'instant de llapparitlon du dé~aut
etant désigné par a, un détecteur de courant de type connu et
non represente donne simultanement par l'intermediaire du
dispositif de contrôle 5 à l'instant b un ordre de fonctionne-
ment à l'appareil de coupure l au disjoncteur 2 et au con-
joncteur-disjoncteur 3. En raison des caractéristiques de
ces appareils il s'ensuit la sequence des operations su:i-
vantes. A l'instant c le conjoncteur-disjoncteur 3 se ferme
mettant ainsi à la terre le reseau au travers de la resis-
tance 4. Le'courant de de~aut se subdivise en deux parties
l'une continuant à aller à la terre à travers l'appareil de
coupure l, le disjoncteur 2 et le defaut T, l'autre à tra-
vers la resistance 4. A l'instant d l'appareil de coupure
à grande tension d'arc s'ouvre. ~u ~ur et à mesure de son
ouverture alors que la tension d'arc s'accroit, la partie de
courant traversant la resistance 4 s'accrolt tandis que l'au-
tre partie diminue. A l'instant e on a l'ouverture du
disjoncteur 2,,suivie,de l'extinction de l'arc dans l'appareil
de coupure l et le disjoncteur 2 à l'instant f du passage du
courant par zero. De son cote le conjoncteur-disjoncteur
coupe le courant traversant la resistance 4 et representé par
la courbe 23 à l'instant y du passage à zéro.
~,a courbe 21 représente alnsi le diagramme du
courant de defaut T en presence du dispositif de coupure 30,
tandis ~ue la courbe 22 représente en traits discontinus celui
~u'il aurait en l'absence de ce dispositif.r ,,,~" -
... . . , .. , . _ ~ . .
l .
La valeur de la résistance 4 ne doit pas être elevée. Pour ~aciliter
la commutation du courant de défaut, on choi~it une valeur voisine de celle
de la réactance amont ce qui correspond à un facteur de puis~ance voisin
de 0,7. Le courant de défaut est alors limité à une valeur qui dépasse à
peine la moitié de la valeur de la crête du courant qu'il aurait en l'absence
du dispositi~, comme il résulte de la comparaison deq courbe~ 21 et 22.
Après coupure du courant de dé~aut, la séquence des opérations est
complétée par la fermeture de l'appareil de coupure 1 qui n'a alors pas
besoin de pouvoir de fermeture, puiq éventuellement par le réenclenchement
du disjonctsur 2, ce qui conduit à une préparation en vue d'une nouvelles
qéquence du dispositif de coupure ~i le défaut en T n'a paJ disparu.
La réaliqation du dispo~itif de coupure repoqe sur l'existence d'un
conjoncteur-disjoncteur à hautei performances, qui, par exemple, pour un
réseau de 138 kilovolts doit tenir entre ses bornes une tension d'essai
au choc de 650 kilovolts de crête, fermer qes contacts en moins d'une millise-
conde et couper le courant en l'espace d'un quart de période.
A cet effet, le conjoncteur-disjoncteur 3 peut être avantageusement
réalise à l'aide du dispositif statique représenté dans les figureq 3 à 5.
Le conjoncteur-dis~oncteur 3 est conqtitué par une enceinte isolante
2~ cylindriq~e 37 Permée à sa partie ~upérieure par un couvercle conducteur 31
portant un~ borne de connexion 32 reliée à la résistance 4 et à ~a partie
inférieure au fond 33 conducteur relié à la terre et supporté par deq piedq 34.
Une bobine isolée 35, mécaniquement très résistante et capable de supporter
le courant à la terre limité par la résistance 4, est suspendue sous le
couvercle 31. L'extrémité supérieure de la bobine est reliée électriquement
au couvercle 31, tandiq que l'extrémité in~érieure eqt reliée à une électrode 36cylindrique ou encore cylindro-conique disposée concentriquement dans la
bobine 35.
Une électrode sphérique 40 ou cylindro-conique, qui est disposée à
3~ l'intérieur de l'électrode 36 et ~upportée par un tube conducteur 41 relié
au fond 33, comporte une fenêtre latérale 42 ménagée en regard de l'éleotrode 36.
A l'lntérieur de la sphère sont disposées en regard de la ~enêtre 42 deux
électrodes d'amorçage 61 et 62 ~aisant partie d'un dispositif générateur
d'arc, dont l'ensemble est désigné par 6 et qui ~ait l'objet de vues de
détails dans les figureq 4 et 5. T.es électrode~ d'amorçage 61 et 62 sont
reliées par des conducteurs disposés à l'intérieur du tube 41 et une traversée
isolante 38 du fond 33 à un contact de commande 63 ultra-rapide de l'ordre
de 0,1 milliseconde, obtenu par exemple à l'aide d'un thyristor. Le contact 63
commande le circuit d'un générateur d'arc engendré par des moyens connus,
~,; .
. ! ' ' ~ ,
,
' ~2~2~
comme la decharge d'un condensateur 64 pilote par un dispositif
65. Les electrodes d'amorca~e sont disposees dans l'entrefer
d'un aimant permanent 66, ou encore d'un circuit magnetique
à bobine equivalent. D'autre part, l'electrode 61 est reliee
par une connexion 67 à la sphere 40, tandis que l'électro'de
62 en est isolee par un ecran isolant 68. L'enceinte isolante
37 est sous atmosphere d'hexafluorure de soufre ou encore d'un
melange à 50% d'hexafluorure de soufre et d'azote.
Le fonctionnement du conjoncteur-disjoncteur 3
s'etablit de la manière suivante. Un signal emis par le dis-
positif de controle 5 provoque la fermeture du contact 63 et
la decharge du condensateur 64 qui fait jaillir un arc entre
les electrodes d'amorçage 61 et 62.
L'arc ainsi cree, etant soumis au champ magnetique
de l'aimant 66 place à l'interieur de l'electrode spherique
40, est projete a l'extérieur à travers la fenetre 42 et se
developpe dans un plan perpendiculaire à la bobine 35 pour
atteindre l'électrode 36, cependant que l'aimant 66 est sous-
trait au champ de la bobine 35 par l'électrode 40. A ce moment,
les électrodes 36 et 40 sont reliees electriquement et permettent
au courant de deriver à travers la résistance de limitation 4
vers la terre. On remarquera que pendant 1~ duree du defaut,
avant le fonctionnement du conjoncteur-dis~oncteur 3~ la
difference de tension entre les electrodes 36 et 40 est
faible, car l'electrode 36 est reliee à la terre par le de-
~aut du reseau.
L'arc traversant l'espace entre les electrodes 36
et 40 dans un plan perpendiculairement à l'axe de la bobine
35 est soumis à l'action du champ de cette bobine parcourue
par le même courant.
Le sens de bobinaqe de la bobine 35 est tel que
l'arc, qui est issu de l'electrode 61 tourne dans le sens de
la flèche F conformement à la loi d'Ampere. Cet arc soumis
a un mouvement rotatif rapide qui permet un refroidissement
, ~
.
~ ,: : : .
., :
,: ~ : .. ' .
.
;
. .
:
~ 728~
.
de ses racines sur les électrodes s'éteint au premier pas- ,'
sage du courant par zéro. Une tension, dans un circuit de
facteur de puissance sensiblement egal ~ 0,7 est alors rétablie
entre les électrodes 36 et 40.
Le dispositi~ de coupure qui vient d'être décrit se
prete parfaitement à la protection d'une installation consti-
tuée par un gr.and poste d'interconnexion de réseaux où il
n'y a plus, en 19absence de défaut, de c8té source et de coté
utilisation, car le transit de la puissance peut s'y effectuer
dans tous l'es sens. ' '
La figure 6 est une représentation schématique
d'un exemple de poste du type dit ~<un disjoncteur et demi~,
c'est-à-dire qui comporte trois disjoncteurs
disposes en serie entre deux jeux de barres pour I'alimentation
lS - de deux departs places en dérivation entre deux de ces dis-
. .. .. ..... . . . . . .. . _ _ ... ... .. . .. ..... _ .. ...... . . ., .. .. _ _ ...... .
~oncteurs.
- ~a -
~,...
.
... ..
,,, ,.,., .. ,.. ~
...-.:; :,~ :......
7 ~.~Z7;~
Le poste comporte ainsi deux jeux de barres B1 et ~2 reliés entre
eux par plusieurs arrangements de trois disjoncteurs disposés en série tels
que D1, D2 et D3, et deux lignes, Ll et L2, en déri.vation aux bornes du
disjoncteur médian D2.
Chacun des jeux de barres B1 et B2 eqt séparé en deux, de préférence
au centre électrique de partage des puissances, par un dispositif de coupure 30
et 30', comportant chacun un appareil de coupure à grande tension d'arc l
en série avec un dis~oncteur rapide 2 et en dérivation à la terre un conjoncteurdisjoncteur 3. Cependant, comme dans ce cas, un courant de déYaut peut apparaître
d'un coté ou de l'autre du dispositif, il sera t nécessaire d'installer
symétriquement côte à côte deux di4?ositif~. Mais il est préférable de pouvoir
shunter l'autre côté de l'appareil de coupure à grande tension d~arc 1 d'un
seul dispositif en ajout~nt ~ymétriquement à la résistance de limitation 4
une autre résistance de limitation 4' identique à la précédente, et branchée
~5 entre d'une part le point commun à l'appareil de coupure à grande tension
d'arc et au disjoncteur à ouverture rapide et d'autre part le con~oncteur-
disjoncteur 3.
Lors de l'apparition d'un défaut, le fonctionnement de chacun des
- dispositifs est analogue à celui du schéma de la figure 1. En e~et1 un
défaut apparaissant, par cxQmple, en T1 s~- la ligne L2 est alimenté concurremment
par le ~eu de barres B1 à travers les disjoncteurs D1 et D2 et par le jeu
de barres B2 à travers le disjoncteur D3.
A la ~ermeture de chaque conjoncteur-disjoncteur 3 sous llimpulsion
du dispositif de contrôle 5 pour chacun de ceux-ci le courant se partage
en trois parties : la première con~tituée du jeu de barre B1 (ou B2) de
la résistance 4 et du conjoncteur-disjoncteur 3j la seconde constituée du
jeu de barres, de la résistance 4' et du conjoncteur-dis~oncteur 3 et la
troisième constituée du jeu de barres et du circuit jusqu'au défaut T1t
Les résistances 4 et 4' de valeur sensiblement égales sont en parallèle
3~ et jouent initialement le rôle d'une résistance de valeur moitié. Dans le
cas du schéma du poste de la figure 6 où il existe deux jeux de barres avec
un dispositif de limitation installé sur chaque jeu de barres au centre
électrique de partage de puissances, la valeur de chacune de ces résistances
peut être comprise entre 160 et 250~ de la valeur minimale de l'impédance
de court-circuit du réseau alimentant l'installation.
A mesure que ia ten~ion d'arc s'élève dans l'appareil de coupure à
grande tension d'arc 1 le courant croit dans la résistance 4, diminue très
vite dans la résistance 4' qui est en parallèle avec la résistance du défaut,
et très rapidement on se retrouve pratiquement dans les conditions du schéma
de la figure 2.
: ~ ', ,' : .
. , ,
. , : ~ . ~:
,.:: ".
8 ~.~.2~284L
La séquenoe des opérationY est ainqi complétée par la fermeture des
appareils de coupure à grande tension d'arc1 l'ouverture des disjoncteur~ D2
et D3 qui n'ont à couper qu'un courant réduit, éliminant ainsi le tronçon
de réseau défectueux, pui~ par la fermeture des disJoncteurs à ouverture
rapide, alimentant alors les départs sains par l'ensemble du réseau, comme
avant l'apparition du défaut en T1.
I1 est ensuite possible de refermer les disjoncteurs D2 et D3. Mais
si le déPaut en T1 n'a pas disparu, le processus recommencera avec les dispo-
sitifs limiteurs décrits précédemment.
~ans le cas de défauts bipha~és ou triphasés à la terre, dans un réseau
à neutre directement relié à la terre, le dispoqitif objet de l'invention
fonctionne simultanément sur les phases en défaut. ;~
Le fonctionnement de tels di~positifs de coupure est aussi valable
dar.~ le cas de défauts biphasés ou triphaqés isolés de la terre.
Lorsque le neutre du réseau est isolé, le courant de terre est de
faible amplitude, il n'est donc pa~ gênant pour la tenue en coupure et en
surintensité de l'appareillage et de~ installation~ ; par oontre de9 courants
importants apparaissent en cas de défauts polyphasé~ et le dispositi~ suivant
l'invention est applicable, le di~positif de contrôle 5 donnant les ordres
2-~ aux dispositifs de coupure placés sur les phase~ en défaut.
Pour tou~ ces defauts multiples, les courants dérivés circulent entre
le~ résistances de limitation des phases.
11 est évident que l'invention n'est nullement limitée au mode de
réalisation qui vient d'être décrit et représenté et qui n'a été donné qu'à
titre d'exemple ; en particulier, on peut, ~ans sortir du cadre de l'invention,
modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des mGyens
équivalents, ou encore remplacer oertain3 éléments par d'autres susceptibles
d'assurer la même fonction technique ou une fonction technique équivalente.
C'eqt ainsi qu'en très haute tension, il peut être nécessaire de placer
3~ en série plusieurs oon~oncteurs-disjoncteurs ; dans ce cas, le~ capacités
telles que 64 pourraient être isolées par rapport à la terre et chargées
séparément. ~e même, la commande des contacts, tels que 63, pourrait êtrs
faite ~imultanément par un système mécanique ou électrique isolé, par exemple
par un faisceau lumineux.
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