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CA 02281779 1999-09-08
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Méthode de discrimination entre un arc interne et un
arc de coupure dans un disjoncteur de moyenne ou de
haute tension
L'invention se rapporte à une méthode pour discriminer un arc
interne d'un arc de coupure, généralement de plus forte amplitude que
l'arc de coupure, qui s'établissent dans une enveloppe de disjoncteur
d'une travée de poste blindé de moyenne ou de haute tension, à l'aide
de relevés de la pression du gaz . diélectrique à l'intérieur de
l'enveloppe dudit disjoncteur, dans laquelle l'apparition d'un arc
io
interne est détectëe par un système de protection qui transmet en
réponse un ordre de déclenchement au disjoncteur pour provoquer la
séparation de ses contacts, cette séparation provoquant l'apparition
d'un arc de coupure.
Un tel poste blindé est constitué de plusieurs travées, reliées en
parallèle par un jeu de barres d'alimentation, et comportant chacune
en série avec le disjoncteur, un sectionneur de barres (ou sectionneur
d'aiguillage) et un départ de ligne. Chaque appareillage d'une travée
2 o est enfermé dans une enveloppe étanche remplie d'un gaz
diélectrique sous pression pour tenir une différence de potentiel avec
un conducteur traversant l'enveloppe. Une travée est donc constituée
de plusieurs compartiments formés par les enveloppes des différents
appareillages électriques.
Un arc électrique qui se produit entre Penveloppe et le
conducteur d'un compartiment de la travée est désigné par. un 'arc
interne. De façon connue, un système de protection du poste est
prévu pour détecter un tel défaut par l'intermédiaire d'une mesure du
3 o courant traversant le poste. Cependant, le système de protection ne
permet pas de localiser l'arc interne, de telle sorte qu'il n'est pas
possible d'identifier la travée du poste ni le compartiment de cette
travée dans lequel l'arc interne s'est produit.
Les compartiments de chaque travée sont pourvus d'un capteur
de pression destiné à déterminer la pression du gaz diélectrique qui se
trouve à l'intérieur des enveloppes. Si un arc interne se produit dans
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un compartiment, le capteur de pression détecte une augmentation de
pression, ce qui permet d'identifier ce compartiment.
L'identification du compartiment défectueux par l'augmentation
de pression ne pose pas de difficulté dans le cas d'un sectionneur ou
d'un départ de ligne d'une travée.
En revanche, un problème de discrimination se pose dans le cas
d'un disjoncteur. En effet, lorsque le système de protection détecte un
défaut de courant dans le poste électrique, il émet un ordre de
déclenchement vers les disjoncteurs qui s'ouvrent à réception de cet
ordre. Lors de l'ouverture de chaque disjoncteur, un arc de court-
circuit désigné par arc de coupure est étiré, provoquant une
augmentation de la pression du gaz diélectrique.
Pour savoir si un arc interne s'est produit dans un disjoncteur
d'une travée du poste, il est indispensable de le discriminer de l'arc de
coupure qui a inévitablement suivi l'ordre de déclenchement émis par
le système de protection.
Une solution apparemment satisfaisante pourrait fonder la
discrimination sur l'amplitude des augmentations de pression dues à
un arc interne par rapport à celles dues à un arc de coupure. Cette
solution n'est cependant pas applicable dans tous les cas, en
particulier lors de faibles arcs internes car l'augmentation de pression
qu'ils provoquent est du même ordre de grandeur que l'augmentation
de pression provoquée lors d'une coupure d'un fort courant de court
circuit.
Le but de l'invention est de discriminer un arc interne d'un arc de
coupure dans un disjoncteur appartenant à un poste électrique, à
l'aide d'une méthode qui s'applique sans restriction à de faibles arcs
internes, qui soit simple à mettre en oeuvre et qui puisse ëtre
implantée sur des postes existants avec un investissement réduit.
L'idée à la base de l'invention est de considérer un certain temps
entre l'ordre de déclenchement émis par le système de protection et
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l'instant d'apparition de l'arc de coupure lors de l'ouverture du
disjoncteur.
Plus particulièrement, l'invention a pour objet une méthode pour
discriminer un arc interne d'un arc de coupure qui s'établissent dans
une enveloppe de disjoncteur d'une travée de poste blindé de
moyenne ou de haute tension, è l'aide de relevés de la pression du
gaz diélectrique à l'intérieur de l'enveloppe dudit disjoncteur, dans
laquelle l'apparition d'un arc interne est détectée par un système de
protection qui transmet en réponse un ordre de déclenchement au
disjoncteur pour provoquer la séparation de ses contacts, cette
séparation provoquant l'apparition d'un arc de coupure, caractérisée
en ce qu'elle comporte les étapes suivantes
~ effectuer en continu des relevés de la pression du gaz diélectrique
à l'intérieur de l'enveloppe du disjoncteur ;
~ enregistrer lesdits relevés de pression pour récupérer,
postérieurement à l'instant de transmission de l'ordre de
déclenchement, une première valeur de pression relevée
antérieurement audit instant ;
~ comparer ladite première valeur de pression à une seconde valeur
de pression relevée postérieurement audit instant pour identifier
que l'arc interne s'est établi dans ladite enveloppe du disjoncteur si
la seconde valeur est supérieure à la première valeur ou que l'arc
interne de s'est pas établi dans ladite enveloppe du disjoncteur si
ces deux valeurs de pression sont égales.
Selon un mode particulier de mise en ceuvre de la méthode
selon l'invention, la seconde valeur de pression correspond à une
pression relevée postérieurement à l'ordre de déclenchement pour
prendre en compte un temps de réponse mécanique du disjoncteur
pendant lequel l'un des contacts, mobile, s'est déplacé par rapport à
l'autre, fixe, mais sans encore atteindre le point de séparation. L'arc
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de coupure n'est donc pas encore étiré, si bien que sa contribution à
l'augmentation de pression dans l'enveloppe est encore nulle.
Selon encore un mode particulier de mise en oeuvre de la
méthode selon l'invention, la premier valeur de pression correspond à
une pression relevée antérieurement à l'ordre de déclenchement pour
prendre en compte un temps de réponse électronique du système de
protection à l'apparition d'un arc interne. L'arc interne ne s'étant pas
encore produit, la pression gardée en mémoire représente la pression
de référence du disjoncteur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
à la lecture de la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre
de la méthode illustré par les dessins.
La figure 1 montre schématiquement un poste électrique qui
comprend trois travées reliées par deux jeux de barres.
La figure 2 est un chronogramme de l'augmentation de pression
en cas d'arc de coupure dans un disjoncteur du poste représenté à la
figure 1, enregistré dans un essai en absence d'arc interne.
La figure 3 est un chronogramme de l'augmentation de pression
en cas d'arc interne dans le disjoncteur du poste représenté à la figure
1, enregistré dans un essai en présence d'un arc interne.
La méthode de l'invention est mise en oeuvre, figure 1, dans un
poste électrique blindé de moyenne ou de haute tension comprenant
trois travées T, ici du type monophasé, reliées entre elles par deux
jeux de barres J1 et J2 et constituées chacune d'un disjoncteur D,
d'un sectionneur d'aiguillage S relié au jeu de barres et d'un départ de
ligne L. Ces différents appareillages forment autant de compartiments
différents étanches l'un par rapport à l'autre. Ces compartiments
comprennent chacun une enveloppe métallique remplie d'un gaz
diélectrique sous pression, par exemple de l'hexafluorure de soufre
SF6, pour tenir une différence de potentiel avec un conducteur C
disposé à l'intérieur de l'enveloppe.
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Chaque disjoncteur comprend deux contacts 1 et 3 disposés à
l'intérieur d'une enveloppe qui est traversée par le conducteur C.
L'enveloppe du disjoncteur est donc remplie d'un gaz diélectrique
sous pression et un capteur 5 est prévu sur l'enveloppe pour relever la
5 pression à l'intérieur de l'enveloppe. La valeur de pression relevée par
un capteur 5 associé à un disjoncteur est fournie à une unité de
contrôle commande U qui comprend une unité d'acquisition et de
traitement du signal de pression en vue d'une mémorisation en
continue de la pression.
Le poste comprend aussi un système de protection P apte à
détecter, par l'intermédiaire de trois transformateurs de courant T'
disposés chacun à l'entrée d'une travée à l'intérieur du compartiment
de départ de ligne L, l'apparition d'un arc interne 2 entre l'enveloppe et
le conducteur C de l'un des compartiments du poste. En réponse à
une telle détection, il émet un ordre de déclenchement 15 vers les
disjoncteurs D qui s'ouvrent à réception de cet ordre. L'ordre de
déclenchement est transmis par l'intermédiaire d'une unité 7 de
commande des contacts 1 et 3 de chaque disjoncteur. Simultanément,
le système de protection P émet un signal 19 vers l'unité d'acquisition
et de traitement U en vue de récupérer des valeurs de pression
enregistrées antérieurement à l'ordre de déclenchement pour chacun
des disjoncteurs.
Comme indiqué précédemment, pour localiser l'arc interne 2
dans l'un des trois disjoncteurs D par détermination d'une
augmentation de pression, il est indispensable de discriminer l'arc
interne de l'arc de coupure qui suit inévitablement l'ordre de
déclenchement émis par le système de protection.
Selon l'invention, la discrimination repose sur une comparaison
entre une pression déterminée postérieurement à l'ordre de
dëclenchement et une pression déterminée et mémorisëe
antérieurement à cet ordre. Un arc interne est identifié dans le
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disjoncteur par une pression postérieure supérieure à la pression
mémorisée, et un arc de coupure, par une égalité entre les deux
pressions.
Dans l'exemple de la figure 1, la comparaison entre les deux
pressions est effectuée par l'unité d'acquisition et de traitement de
l'unité de contrôle commande U et génère l'information "arc interne"
ou "arc de coupure".
Selon un premier mode particulier de mise en oeuvre de
l'invention, l'instant auquel on détermine la pression postérieurement à
l'ordre de déclenchement est fixé à l'aide d'une courbe de pression
enregistrée lors de l'ouverture du disjoncteur.
Sur les figures 2 et 3, on a reporté un chronogramme d'ouverture
d'un disjoncteur D enregistré lors d'un essai de coupure d'un courant
de court-circuit et d'un essai d'arc interne. Au cours de cet essai, on
envoie un ordre de déclenchement 15 sur l'unité de commande 7 des
contacts du disjoncteur de façon à simuler le système de protection P.
On note que ce système n'appartient pas à la configuration de l'essai
de coupure mais est seulement présent dans les configurations d'un
fonctionnement réel du poste. L'essai de coupure est réalisé en
l'absence d'arc interne, figure 2, puis en présence d'un arc interne 2
provoqué artificiellement dans le disjoncteur, figure 3.
L'évolution de la pression dans le disjôncteur est retracée par
une courbe de pression 9. Simultanément, on enregistre l'évolution
temporelle du courant traversant le disjoncteur, courbe 13. On observe
que par rapport à l'ordre de déclenchement 15, la pression
n'augmente qu'à partir d'un instant 17 qui correspond à une variation
brutale du courant et que l'on interprète comme la formation de l'arc
de coupure consécutif à la séparation de contacts disposés dans le
disjoncteur. L'ordre de grandeur de la durée de l'arc de coupure est de
l'ordre de 10ms, ce qui explique ce front raide. Pour la mise en oeuvre
de l'invention, on choisit donc l'instant 17 auquel on détermine la
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pression postérieurement à l'ordre de déclenchement, avant
l'augmentation de pression due à l'arc de coupure étiré entre les
contacts du disjoncteur.
Le fait qu'en l'absence d'un arc interne, la pression n'augmente
pas simultanément avec l'ordre de déclenchement provient d'un temps
de réponse mécanique propre au déplacement du contact mobile par
rapport au contact fixe dans le disjoncteur. Cette première phase
d'ouverture se termine avec la séparation effective des contacts et
précède une deuxième phase où un arc de coupure est étiré entres
les deux contacts.
Dans l'exemple de la figure 2, le temps de réponse du
disjoncteur testé est de l'ordre de 20 millisecondes (ms). Pour la mise
en oeuvre de la méthode dans un poste électrique comportant un tel
disjoncteur, on choisit un instant 17 décalé par rapport à l'ordre de
déclenchement 15 de 20 ms pour déterminer la pression
postérieurement à cet ordre.
L'essai de coupure de courant de court-circuit permet donc, par
l'intermédiaire de la courbe de pression corroborée par le courbe de
courant, de fixer l'instant de détermination de la pression
postérieurement à l'ordre de déclenchement pour chaque disjoncteur
ou chaque type de disjoncteurs ayant un même mécanisme de
déplacement du contact mobile par rapport aû contact fixe.
Le système de protection du poste électrique possède un temps
de réponse propre qui est fonction de son électronique et qui est
habituellement de l'ordre 10 millisecondes. Pour chaque disjoncteur, il
est prévu avantageusement de garder dans la mémoire de l'unité
d'acquisition et de traitement, la pression qui a été déterminée
antérieurement à l'ordre de déclenchement d'une durée au moins
égale au temps de réponse du système de protection. De cette façon,
on est certain que la pression déterminée représente la pression de
référence du disjoncteur, avant toute apparition d'un arc interne.
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Figure 2, on peut par exemple fixer à -100 ms l'instant 11 auquel
on détermine la pression antérieurement à l'ordre de déclenchement.
La mémoire de l'unité d'acquisition et de traitement comprend un
empilement de pressions instantanées indexées chronologiquement
pendant 100 ms. A réception du signal 19 simultanément à l'ordre de
déclenchement, l'unité d'acquisition extrait de l'empilement de la
mémoire la première pression instantanée mémorisée, c'est à dire
celle stockée à -100 ms, pour pouvoir la comparer à la pression
déterminée postérieurement à l'ordre de déclenchement.
Figure 2, la pression déterminée à l'instant -100 ms est égale à la
pression déterminée à l'instant +20 ms par rapport à l'ordre de
déclenchement 15. Lors d'un fonctionnement réel du poste, la
méthode permet de conclure que l'arc interne à l'origine de l'ordre de
déclenchement émis par le système de protection ne s'est pas produit
dans le disjoncteur qui présente cette égalité des pressions.
Figure 3, la pression déterminée à l'instant -100 ms est inférieure
à la pression déterminée à l'instant +20 ms par rapport à l'ordre de
déclenchement 15. Lors d'un fonctionnement réel du poste, la
méthode permet de conclure que l'arc interne à l'origine de l'ordre de
déclenchement émis par le système de protection s'est produit dans le
disjoncteur qui présente cette inégalité des pressions.
II est prévu avantageusement de fücer l'instant auquel on
détermine la pression postérieurement à l'ordre de déclenchement à
l'aide d'un essai de routine, plus simple à mettre en oeuvre qu'un
essai de coupure, ce dernier restant cependant le seul essai capable
de révéler l'absence de variation de pression entre l'ordre de
déclenchement et la séparation effective des contacts du disjoncteur.
Lors de l'essai de routine, on accède à l'instant de séparation
effective des contacts postérieurement à l'ordre de déclenchement à
l'aide d'une courbe de relevé de continuité électrique entre les
contacts 1 et 3 du disjoncteur, que l'on acquiert et visualise par
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exemple à l'aide d'un oscilloscope ayant deux voies reliées l'une aux
contacts 1 et 3 en série, l'autre à l'ordre de déclenchement 15. L'essai
est conduit hors tension, donc sans arc interne ni arc de coupure. II
permet principalement de déterminer le temps de réponse mécanique
du disjoncteur testé, en déterminant le moment où l'on enregistre la
séparation des contacts.
Pour la mise en oeuvre de la méthode dans un poste électrique
comportant le disjoncteur testé dans l'essai de routine, on fixe l'instant
auquel on détermine la pression postérieurement à l'ordre de
déclenchement, avant l'apparition de la perturbation électrique
correspondant à la séparation effective des contacts.
De préférence, le capteur de pression monté sur chaque
enveloppe de disjoncteur possède un temps de réponse beaucoup
plus court que le temps de réponse mécanique du disjoncteur ou que
le temps de réponse électronique du système de protection. Un temps
de réponse de quelques millisecondes est acceptable pour la mise en
oeuvre de la méthode.
De préférence également, le capteur de pression possède une
résolution de l'ordre de quelques dix millièmes, typiquement 0,05%.
Avec un tel capteur, la méthode selon l'invention identifie un arc
interne présentant un écart relatif des pressions postérieure et
antérieure de 0,5% avec une incertitude relative de 10%. Une telle
résolution permet de discriminer de faibles arcs internes d'un arc de
coupure. On peut avantageusement utiliser un capteur de densité, du
type capteur de pression et de température avec une compensation
de température, pour fournir un signal de densité à l'unité de contrble
commande U. Ce type de capteur possède une réponse identique à
un capteur de pression dans les secondes qui suivent l'apparition de
l'arc interne ou de l'arc de coupure car aucun échange thermique avec
le capteur n'a encore eu lieu.
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II est prévu de traiter les pressions instantanées par une
moyenne sur un intervalle de temps qui, de préférence, est égal au
temps de réponse mécanique du disjoncteur. Dans les figures 2 et 3,
la courbe de pression est reconstituée à partir d'un signal des
5 pressions instantanées qui est filtré par conversion de fréquence et
échantillonné tous les 20 ms. De cette façon, on élimine toute
perturbation à 50Hz, ce qui procure une sécurité par rapport aux
couplages inductifs entre le courant du disjoncteur et le signal du
capteur de pression.
10 On note enfin que la méthode selon l'invention est simple à
mettre en oeuvre.
L'acquisition et le traitement du signal de pression en vue de la
comparaison des pressions antérieure et postérieure à l'ordre de
déclenchement restent limités à des opérations classiques. La
méthode utilise un capteur de pression qui le plus souvent est déjà
présent sur les disjoncteurs pour remplir d'autres fonctions, comme
par exemple la surveillance d'un taux de fuite du gaz diélectrique hors
de l'enveloppe. II en va de même pour le système de protection.
L'investissement en moyens matériels est donc réduit.
