CA2068857C

CA2068857C - Disjoncteur a grand pouvoir de coupure

Info

Publication number: CA2068857C
Application number: CA002068857A
Authority: CA
Inventors: Van Doan Pham; Robert Jeanjean; Joseph Martin; Robert Isbister
Original assignee: GEC Alsthom SA
Current assignee: Alstom Holdings SA
Priority date: 1991-05-17
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1996-05-21
Anticipated expiration: 2012-05-15
Also published as: FR2676587B1; US5276285A; CA2068857A1; FR2676587A1

Abstract

Un disjoncteur à haute tension à chambre de coupure comprenant une enveloppe cylindrique étanche remplie de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre et contenant un contact permanent fixe, un contact d'arc fixe et un équipage mobile comprenant des contacts permanents et des contacts d'arc et associé à des moyens de soufflage. La chambre contient également une résistance à base de carbone de valeur d'environ 500 ohms connectée en parallèle sur les contacts du disjoncteur et insérée à l'ouverture des contacts d'arc par un interrupteur auxiliaire. La résistance est associée en série à un agencement de varistances, l'ensemble étant disposé à l'intérieur de l'enveloppe et relié en série avec l'interrupteur auxiliaire, dont l'ouverture est commandée par l'ouverture du disjoncteur et le volume de la résistance étant supérieur à celui de l'ensemble des varistances dans un rapport supérieur ou égal à cinq.

Description

-La présente invention concerne un disjoncteur à grand pouvolr de coupure.
Les conditions de coupure de défaut en ligne (défaut kilométrique) sont sévères pour les disjoncteurs à très haute tension à monocoupure.
Il est connu d'insérer une résistance d'ouverture R pour améliorer la coupure en défaut kilométrique. La présence de cette ré~istance R de valeur ohmique égale à environ celle de l'impédance Z
de la ligne permet de réduire fortement la vitesse d'accroissement de 10 la tension transitoire et de l'amplitude de la première crête d'oscillation de la tension de la ligne. Ce coefficient de réduction est égal à R (z= 450 ohms pour une ligne R + Z
aérienne). Ces résistances de coupure absorbant une forte énergie, elles ne peuvent rester longtemps sous tension. Il est donc nécessaire de ieur associer un interrupteur qui doit avoir un bon pouvoir de coupure pour couper le courant résiduel surtout en opposition de phases.
Pour les courants dépassant plusieurs certaines d'ampères, un 20 interrupteur avec soufflage s'impose, le temps de relaxation (temps durant lequel le courant est considéré comme négligeable par exemple inférieur à 1 ampare) étant très court. Ceci amène à l'installation d'interrupteurs de coupure auxiliaires complexes à compression du gaz.
Il est également connu d'utiliser des varistances en série insérées à la coupure.
Un condensateur en parallèle à ces varistances permet d'améliorer la coupure de grands courants en défaut de ligne. Pour les condensateurs de capacité supérieure à 5000 pF, cet agencement efficace s'avère coûteux. Le condensateur devra en effet être 30 dimensionné pour tenir la tension en opposition de phase pendant environ une période de la tension en fréquence industrielle. Malgré ce temps court, les dimensions du condensateur restent importantes.

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2 20688S~

La Demanderesse a également divulgué des interrup-teurs auxiliaires d'insertion très simples, sans soufflage, pour une coupure assistée par varistance.
Grâce à la présente invention il est possible de couper de grands courants résistifs avec de tels interrupteurs auxiliaires sans soufflage de gaz diélectrique.
Selon la présente invention il est prévu un disjoncteur à haute tension à chambre de coupure comprenant une enveloppe cylindrique étanche rempli de ~az à bonnes 10 propriétés diélectriques contenant un contact permanent fixe, un contact d'arc fixe et un équipage mobile comprenant des contacts permanents et des contacts d'arc et associé à des moyens de soufflage, la chambre contenant également une résistance à base de carbone de valeur d'environ 500 ohms connectée en parallèle sur les contacts du disjoncteur et insérée à l'ouverture des contacts d'arc par un interrupteur auxiliaire, disjoncteur caractérisé en ce que la résistance est associée en série à un agencement de varistances, l'ensemble étant disposé à l'intérieur de l'enveloppe et relié
20 en série avec l'interrupteur auxiliaire, dont l'ouverture est commandée par l'ouverture du disjoncteur et le volume de la résistance étant supérieur à celui de l'ensemble des varistances dans un rapport supérieur ou égal à cinq.
Pour l'agencement de varistances, qui est une résistance variable dépendant fortement de la tension l'on a I=kVa. Pour une tension à 1 p.u U dans beaucoup d'appli-cations, le courant dans la varistance reste très faible, mêmenégligeable. Ce qui est équivalent à une résistance sensi~lement infinie. ~a varistance ne laisse passer un 30 courant important que lorsque la tension dépasse - . Dans ce cas, R tend vers une valeur par exemple de plusieurs centaines d'ohms.

..~

3 20~88~7 La varistance sert à limiter la tension quand cette dernière dépasse un certain seuil.
La résistance est elle de valeur fixe et l'on a I=
U/R. Pour = U , avec R = 500Q, le courant est déjà élevé
de l'ordre de plusieures centaines d'ampères.
La résistance est utilisée pour faciliter la coupure, en particulier la coupure de défaut de ligne et non pour limiter la tension élevée.
Comme il sera vu dans la description ci-après, 10 l'ajout de l'agencement de varistances à la résistance a deux fonctions: elle permet la création d'un temps de relaxation qui évite la nécessité d'un interrupteur auxiliaire à
dispositif de soufflage complexe et par sa capacité propre, elle permet à la résistance de jouer son rôle relatif à
l'interrupteur principal, qui est de faciliter la coupure.
Dans le cas de varistances du type des varistances à ZnO, l'agencement de varistances est de préférence constitué
de varistances en parllèle.
Afin d'obtenir un encombrement minimal, de 20 préférence l'agencement de varistances est constitué de pastilles de varistances empilées, chaque paquet de n varistances étant séparé par un disque conducteur pourvu d'une languette radiale, ces dernières étant reliées par un conducteur gainé.
Dans le cas de varistances du type des varistances à SiC, l'agencement de varistances est constitué de préférence de varistances empilées en série.
Afin d'augmenter la capacité aux bornes de l'agencement de varistances, un condensateur peut être 30 connecté en parallèle à l'agencement de varistances.
Selon une disposition avantageuse, les pastilles de varistances et éventuellement les disques conducteurs sont annulaires, un tube isolant est disposé dans le trou formé par les pastilles de varistances empilées et le condensateur est disposé dans ce trou relié en parallèle aux varistances par 3a 2068857 au moins un conducteur.
Afin de diminuer le courant résiduel, selon un dernier agencement, une varistance peut être connectée en série avec le condensateur.
Grâce à l'invention, un interrupteur sans soufflage, particulièrement simple, peut être utilisé.
De préférence, le mécanisme d'insertion comprend au moins un bras métallique relié électriquement à la résistance et coopérant avec une électrode en liaison électrique avec la seconde prise de courant.
L'invention est exposée ci-après plus en détail à
l'aide de dessins représentant seulement des modes de réalisation préférés.
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un disjoncteur conforme à l'invention.
La figure 2 est une vue de détail en coupe longitudinale représentant l'agencement de varistances associées à la résistance, selon une première variante.
La figure 3 est une vue de dessus d'un élément conducteur utilisé selon cet agencement.
Les figures 4 et 5 sont des vues analogues à la figure 2, où un condensateur en série éventuellement avec une varistance est monté en parallèle aux varistances, selon une deuxième et troisième variante.

~, 20S88~7 La figure 6 est une vue de détail en coupe longitudinale représentant l'agencement de varistances associé à la résistance, selon une quatrième variante.
La figure 7 est la courbe de tension et de courant en fonction du temps illustrant le fonctionnement du disjoncteur conforme l'invention, à la coupure du courant sur les contacts d'arc.
La figure 8 représente un mode de réalisation de l'interrupteur auxiliaire.
Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enveloppe isolante, de préférence en porcelaine, délimitant un volume 2 contenant les éléments de coupure du disjoncteur. L'enveloppe isolante est fermée à
une extrémité par un capot métallique 32, fixé à une couronne métallique 4 constituant une première prise de courant et prolongée, à
l'intérieur de l'enveloppe par des bras 5 auxquels sont fixés un premier tube métallique 6 constituant le contact principal fixe, et un second tube 7, coaxial au premier, et constituant le contact d'arc fixe.
Le volume 2 est rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques, tel que l'hexafluorure de soufre, sous une pression de quelques bars.
L'équipage mobile du disjoncteur comprend un tube métallique 9, prolongé par un capot pare-effluves 10, et muni d'une cloison métallique transversale portant des doigts de contact 12 constituant le contact principal mobile et un tube de soufflage 13 prolongé par des doigts de contact 14 constituant le contact d'arc mobile. La cloison, percée de trous pour le passage du gaz de soufflage, porte une buse de soufflage 17 en matériau isolant. Le soufflage est assuré
par un piston fixe 25 disposé à l'intérieur du tube 9. Le tube 9 est relié, par des contacts glissants non représentés, à une deuxième prise de courant du disjoncteur.
La résistance associée à la chambre de coupure est logée à
l'intérieur de la chambre. Elle est constituée par l'empilage d'un certain nombre d'éléments de résistance 40, disposés dans un tube isolant 31. Ces éléments de résistance 40 sont en général des pastilles à base de carbone.

20688~7 Un agencement 41 de varistances avec éventuellement un condensateur associé est disposé également dans le tube 31. Ces éléments de varistance peuvent être à base d'oxyde de zinc (ZnO) ou de carbure de silicium (SiC).
Cet agencement sera décrit plus précisément plus loin.
Le tube 31 est fixé à la partie supérieure du capot métallique 32 fermant la chambre de coupure à sa partie supérieure. L'empilement d'éléments est surmonté d'une plaque métallique 33 reliée par une tresse 34 au capot 32 et pressée par un ressort 35 en appui contre le fond du capot.
Le tube 31 est fermé à sa partie inférieure par un bloc métallique 36 portant des bras 37 à l'extrémité desquels est fixé un anneau métallique 22, par exemple en cuivre ou en tungstène (wolfram), coopérant avec une électrode 23 rapportée sur le tube 9 pour l'insertion de l'ensemble résistance et varistance.
L'agencement 41 peut également être monté en aval de la résistance 40 entre celle-ci et le bloc métallique 36. Ainsi est évité
l'effet de chaleur provenant de la résistance.
La figure 2 représente une première variante de l'agencement 41 de varistances 42 associées en parallèle en série à la pile de pastilles de résistance 40.
Le~ varistances 42 sont des pastilles cylindriques empilées avec un disque conducteur 43 inséré entre chaque pastille 42.
Ce disque conducteur 43 est représenté sur la figure 3. Il est constitué d'un disque métallique 43' pourvue d'une languette 43"
radiale recourbé à son extrémité à 90.
Un tel disque est également installé sur la pastille supérieure de résistance 40, surmonté d'un disque isolant 44, un autre disque 43 étant disposé entre le disque isolant 44 et la pastille de varistance inférieure. La pastille supérieure de varistance est également surmonté d'un disque conducteur d3 puis de la plaque métallique 33.
Les pastilles de varistance 42 sont au nombre de quatre sur l'exemple représenté.

20688~7 Les languettes 43" des disques 43 sont disposées de facon opposée, une sur deux étant d'un côté de la pile de varistances et les autres de l'autre côté de la pile de varistances. Les languettes 43"
se trouvant d'un même côté sont reliées par une tresse conductrice 45 5 gainée d'un isolant 46 sur sa longueur où elle n'est pas reliée à une languette 43". Ainsi sont associées les varistances 42 en parallèle à
la sortie de la résistance, avec un minimum d'encombrement.
La figure 4 est une vue analogue d'une deuxième variante où un condensateur 47 est monté en parallèle aux varistances 42.
Pour ce faire, les varistances 42 utilisées sont de forme annulaire. Un tube isolant 48 est mis en place dans l'orifice formé
par l'empilement des varistances 42, un condensateur 47 est disposé
dans ce tube isolant 48.
Les disques conducteurs 43 sont également annulaires, leur 15 orifice central (43A; figure 3) étant sensiblement de même dimension que celui des varistances 42. Seul les disques inférieurs 43' enserrant le disque isolant 44 sont pleins. Le condensateur 47 est ainsi inséré en parallèle aux varistances 42, grâce à un conducteur intercalé 49.
La figure 5 est une vue analogue d'une troisième variante où une varistance 50 est insérée en série avec le condensateur 47.
La figure 6 est une vue en coupe d'une quatrième variante où les varistances 42 sont montées en série avec les résistances 40 et le condensateur 47 monté en parallèle aux varistances 42. Dans ce cas, 25 les varistances 42 annulaires sont directement empilées sur les résistances 40 et le condensateur 47 est intercalé dans un tube isolant 48 associé à un conducteur 49, ainsi qu'éventuellement la varistance 50.
Le fonctionnement de tels agencements est maintenant décrit, 30 illustré par la figure 7.
Le disjoncteur est équipé d'une résistance d'ouverture R
associée à des éléments de varistances V et éventuellement à un condensateur, selon les variantes décrites ci-dessus.

20688~7 Lors de la coupure d'un défaut en ligne, à l'extinction du courant élevé dans la chambre principale,une tension à vitesse d'accroissement de la tension transitoirel - ~ très élevée ~dt¦o (supérieure à 10 KV/~s) appara~t aux bornes du contact d'arc et en 5 même temps sur le circuit auxiliaire inséré, l'interrupteur auxiliaire étant en position fermée. Compte-tenu de la très grande fréquence d'oscillation de la ligne (f I 100 kHz), les varistances V sont court-circuitées et la capacité C présente une impédance faible par rapport à la résistance R. La vitesse d'accroissement de la tension 10 trans toire appliquée au disjoncteur est réduite dans le rapport de soit 0,5 si R = Z.
R + Z

¦ du~ du~
~dt¦l 2 ~dtlo Ainsi sont réduits du et l'amplitude de la première crête dt d'oscillation de la tension de la ligne, ce qui améliore les 15 conditions de coupure en défaut kilométrique.
Dans le cas de varistances à oxyde de zinc, à tension faible et à haute fréquence, la cl ~ s~nte capacitive est prépondérante et il peut ne pas être indispensable d'insérer une capacité supplémentaire (première variante : figure 2). Si un condensateur est inséré en 20 parallèle, il l'est selon la deuxième variante (figure 4).
Dan~ le cas de varistances à carbure de silicium, la capacité
propre étant très faible, c'est la composante résistive qui est prépondérante, à faible tension et à haute fréquence. Il est donc nécessaire d'ajouter une capacité additionnelle C (deuxième ou 25 quatrième variante) en parallèle aux varistances. Cette capacité C est de valeur relativement faible (environ quelques milliers de picofarads).
La mise en parallèle des varistances V permet d'assurer le passage d'un courant de plusieurs centaines d'ampères pendant environ 30 une période à 50 Hz (c'est-à-dire 20 ms). On remarque que, considérant qu'un élément de varistance à ZnO présente une capacité de l'ordre de 2000 pF, avec n disques en p~rallèle on aura une capacité de n x 2000 pF.

` 2068857 _.

Les varistances en SiC ont une capacité thermique élevée. Elles peuvent être disposées uniquement en série (quatrième variante :
figure 6).
Quand la tension atteint le seuil de fonctionnement des 5 varistances V, ces dernières shuntent la capacité C. Le courant passant dans les varistances V est pratiquement égal à celui passant dans la résistance R.
Après le régime transitoire rapide, la tension simple Us est appliquée à la résistance R, aux varistances V et au condensateur C.
10 Le courant résistif est alors égal à IR = R . Après un laps de temps d'environ 15 ms après l'ouverture des contacts d'arc, l'interrupteur auxiliaire s'ouvre.
A l'approche du zéro de tension Us, (IR et Us étant en phase), le courant IR tombe rapidement vers zéro à l'instant du blocage du 15 courant par les varistances V, c'est-à-dire une cinquantaine de microsecondes avant le zéro de tension.
Ainsi, de part et d'autre du zéro de tension, durant le temps de relaxation tr = 2 x 50 ~s (microsecondes), le courant entre les contacts d'arc est extrêmement faible de l'ordre de 0,S A. La 20 capacitance de C à la fréquence industrielle est relativement élevée de l'ordre de plusieurs centaines de milliers d'ohms.
L'interrupteur auxiliaire peut éteindre ce courant très faible s~ns soufflage, pendant ce temps de 2 x 50 ~8.
Dans le cas de varistances en SiC, étant donné leur faible 25 coefficient de non linéarité, il est nécessaire d'utiliser un certain nombre d'éléments en série, par exemple 6 à 10, pour obtenir un temps de relaxation convenable.
Comme on peut le voir sur le graphe, si l'interrupteur auxiliaire s'ouvre avant le temps de relaxation trl, il éteindra le 30 courant trè~ rapidement au passage à zéro de la tension cor~e~pondant à trl. Si l'interrupteur auxiliaire s'ouvre après le temps de relaxation trl, il éteindra le courant au passage suivant à zéro de la tension COL ~ es~ondant à tr2.

2068~57 g Le cas le plus contraignant pour l'interrupteur est la coupure en opposition de phase. La tension appliquée est alors égale à 2 x Us, et le temps de relaxation est de moitié plu8 faible. En doublant ou triplant le nombre de varistances en série on double ou triple le temps de relaxation.
Dans ce cas selon la figure 2, 4 ou 5, deux ou trois pastilles en série remplaceront chaque élément 42. Le volume de la résistance R
doit être suffisant pour tenir thermiquement pendant la coupure en opposition de phase. Le volume de la résistance R est de préférence 10 supérieur au volume des varistances V dans un rapport supérieur ou égal à cinq.
Plus la capacité C est importante, plus le courant résiduel (durant le temps de relaxation~ est grand. Pour cette raison, selon la troisième ou quatrième variante (figure S ou 6), une varistance 50 est 15 insérée en série avec le condensateur 47. Cette varistance 50 est de faible épaisseur et a une tension de fonctionnement relativement faible par exemple de 1000 volts crête afin de faciliter l'extinction du courant traversant la capacité.
La figure 8 illustre un mode de réalisation de l'interrupteur 20 auxiliaire.
Le bras 37 porte une électrode 22 qui coopère avec un tube métallique 70 délimitant un volume 77 et muni d'un couvercle supérieur 71 percé d'un trou ; une pièce métallique 72 présentant une tête 72A, une tige 72B et une butée 72C, peut se déplacer vis-à-vis du tube sur 25 une longueur d.
La hauteur de la tête 72A est choisie pour ne pas dépasser le capot 10 lorsque le disjoncteur est en position enclenchée ; la largeur du tube 72 est choisie pour que l'électrode 22 vienne en contact électrique avec le tube et la tete 72A au cours d'une 30 manoeuvre d'ouverture du disjoncteur. Des trous 80 pratiqués dans le tube 70 évitent une compression du gaz trop rapide dans le volume 77 en début de course.
La pièce 72 est électriquement reliée par une tresse 73 au tube ,0. Le tube 70 est fixé mécaniquement et relié électriquement au tube 35 9, par exemple par des brasures 74.

2068~7 La tête 72A peut porter un aimant 75 qui, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, est en vis-à-vis d'un aimant 76 porté par le bras 37. La tête 72A peut être simplement en acier doux. Il est possible de remplacer les aimants 75 et 76 par les aimants 75A et 76A.
Le fonctionnement est le suivant :
- en position enclenchée, l'ensemble résistance/varistance est court-circuité par les contacts du disjoncteur, - au déclenchement, l'équipage mobile est déplacé vers le bas de la figure.
En raison de l'inertie et éventuellement de l'attraction des aimants, la pièce 72 reste immobile, de sorte que la durée du contact entre l'électrode 22 et le tube 9, via le tube 70, la pièce 72 et la tresse 73, est allongée par rapport à celui du mode de réalisation de la figure 1, d'une durée correspondant au déplacement d du tube 9.
Enrre le moment où les contacts d'arc 7 et 14 se séparent et ]e moment où l'électrode 22 quitte la tete 72A, l'ensemble résistance/varistance est inséré en parallèle sur l'arc de coupure. En fin de manoeuvre de délenchement, la tête 72A retombe sur le couvercle 71. Il est possible de loger entre le couvercle 71 et la butée 72C un 20 ressort de faible raideur pour faciliter le retour de la pièce 72 sur le couvercle 71 en fin de course.
A la fermeture du disjoncteur, le tube 70 entraine la tête 72A
qui vient toucher l'électrode 22 insérant ain~i l'ensemble résistance/varistance dans le circuit avant l'entrée en contact des 25 contacts d'arc 14 et 7.
Pour des raisons d'équilibrage du dispositif, on placera avantageusement un deuxième système d'insertion, identique à celui qui vient d'être décrit, symétriquement par rapport à l'axe du tube 9.
L'invention s'applique aux disjoncteurs ~ haute tension de type 30 conventionnel à enveloppe isolante ou de type à enveloppe métallique à
la terre.

Claims

1. Disjoncteur à haute tension à chambre de coupure comprenant une enveloppe cylindrique étanche rempli de gaz à bonne propriétés diélectriques contenant un contact permanent fixe, un contact d'arc fixe et un équipage mobile comprenant des contacts permanents et des contacts d'arc et associé à des moyens de soufflage, la chambre contenant également une résistance à base de carbone de valeur d'environ 500 ohms connectée en parallèle sur les contacts du disjoncteur et insérée à l'ouverture des contacts d'arc par un interrupteur auxiliaire, disjoncteur caractérisé en ce que la résistance est associée en série à un agencement de varistances, l'ensemble étant disposé à l'intérieur de l'enveloppe et relié en série avec l'interrupteur auxiliaire, dont l'ouverture est commandée par l'ouverture du disjoncteur et le volume de la résistance étant supérieur à celui de l'ensemble des varistances dans un rapport supérieur ou égal à cinq.

2. Disjoncteur selon la revendication 1, caracté-risé en ce que l'agencement de varistances est constitué de varistances en parallèle.

3. Disjoncteur selon la revendication 2, caracté-risé en ce que l'agencement de varistances est constitué de pastilles de varistances empilées, chaque paquet de n varistances étant séparé par un disque conducteur pourvu d'une languette radiale, ces dernières étant reliées par un conducteur gainé.

4. Disjoncteur selon la revendication 1, caracté-risé en ce que l'agencement de varistances est constitué de varistances à SiC empilées en série.

5. Disjoncteur selon la revendication 1, caracté-risé en ce qu'un condensateur de quelques milliers de picofarads est connecté en parallèle à l'agencement de varistances.

6. Disjoncteur selon la revendication 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les pastilles de varistances sont annulaires ainsi que les disques conducteurs.

7. Disjoncteur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les pastilles de varistances sont annulaires.

8. Disjoncteur selon la revendication 6, carac-térisé en ce qu'un tube isolant est disposé dans le trou formé par les pastilles de varistances empilées et le condensateur est disposé dans ce trou relié en parallèle aux varistances par au moins un conducteur.

9. Disjoncteur selon la revendication 5 ou 8, caractérisé en ce qu'une varistance est connecté en série avec le condensateur.

10. Disjoncteur selon la revendication 7, caracté-risé en ce qu'un tube isolant est disposé dans le trou formé
par les pastilles de varistances empilées et le condensateur est disposé dans ce trou relié en parallèle aux varistances par au moins un conducteur.

11. Disjoncteur selon la revendication 10, carac-térisé en ce qu'une varistance est connecté en série avec le condensateur.

12. Disjoncteur selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 8, 10 ou 11, caractérisé en ce que le mécanisme d'insertion comprend au moins un bras métallique relié
électriquement à la résistance et coopérant avec une électrode, en liaison électrique avec la seconde prise de courant.