2~83~00 DI~JONCTEUR A HaUTE TEN~ION A CO~RANT ALTERNATIF A
CIRCUIT LC
La présente invention est relative à un disjoncteur a haute tension susceptible de couper les courants a grande composante continue, que 1'on rencontre dans les réseaux alternatifs à haute tension à compensation série, lors de l'apparition de certains types de défaut. La présence de la composante continue peut entraîner le non passage du courant par zéro, pendant plusieurs périodes. Il est alors difficile de couper le courant par les méthodes classiques de soufflage ou auto-soufflage de l'arc qui combinent un fort soufflage de l'arc et un passage concomitant par zéro de l'amplitude du courant.
Il est connu que la présence, en parallele sur une chambre de coupure d'un disjoncteur, d'un condensateur de grande capacité en série avec une inductance, produit, a l'ouverture du disjoncteur, des oscillations du courant qui augmentent la tension d'arc, engendrent une instabilité de l'arc et ~avorisent la décroissance de la composante continue du courant et son passage par zéro.
on pourra se référer a cet égard aux documents suivants:
1. "L'oscillation arc-capacité et son utilisation pour l'évaluation des paramètres caractéristiques des arcs électriques" de ZENELDIEN A. Mohssen, Thèse de Doctorat, Université de Grenoble, 5 juin 1974.
2. "Le mécanisme de la résonance entre un arc et une capacité" par Y. Pelenc, Colloque "Ionisation et plasma en haute tension", Université de Liège, Institut Montefiore, 4-6 novembre 1974. 2 ~ 83 ~ 00 DI ~ HIGH TEN JUNCTOR ~ ION A CO ~ RANT ALTERNATIVE TO
LC CIRCUIT
The present invention relates to a high voltage circuit breaker likely to cut currents with a large continuous component, which one encountered in alternative high voltage networks with series compensation, when certain types of fault. The presence of the continuous component may result in the current not passing through zero, for several periods. It is therefore difficult to cut the power by conventional methods of arc blowing or self-blowing which combine a strong blowing of the arc and a concomitant passage by zero of the amplitude of the current.
It is known that the presence, in parallel on a breaker chamber of a circuit breaker, a large capacity capacitor in series with a inductance, product, when the circuit breaker opens, current oscillations which increase the voltage of arc, generate instability of the arc and ~ favor the decrease of the continuous component of current and its zero crossing.
reference may be made in this regard to the documents following:
1. "Arc-capacity oscillation and its use for the evaluation of the characteristic parameters of electric arcs "by ZENELDIEN A. Mohssen, Thèse de Doctorate, University of Grenoble, June 5, 1974.
2. "The mechanism of resonance between an arc and a capacity "by Y. Pelenc, Symposium" Ionization and high voltage plasma ", University of Liège, Institute Montefiore, 4-6 November 1974.
3. US Patent N~ 4 216 513 "DC Circuit breaker"
par Tokuyama et al., 5 août 1980.
Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur à haute tension mettant en oeuvre les 20839~0 principes ci-dessus, de manière économique, en particulier grâce à un volume réduit du disjoncteur, tout en assurant une grande sûreté de fonctionnement.
La présente invention a pour objet un disjoncteur à haute tension comprenant au moins deux chambres de coupure en série, chaque chambre de coupure comprenant une enveloppe étanche remplie d'un gaz à
bonnes propriétés diélectriques dans laquelle sont placés des contacts fixes, des contacts mobiles, des moyens de soufflage de l'arc et des organes de déplacement des contacts mobiles traversant la chambre de coupure de manière étanche et reliés à l'extérieur de celle-ci à un mécanisme de manoeuvre, caracterisé en ce l'une des cham~res de coupure contient en outre à sa partie supérieure dans le gaz diélectrique, un ensemble, comprenant un condensateur en série avec une inductancel connecte en parallèle aux bornes des contacts fixes et des contacts mobiles.
Avantageusement, ledit condensateur et ladite inductance sont réalisés sous la forme de deux cylindres disposés de manière adjacente et coaxiale à
l'enveloppe de la chambre de coupure, ledit condensateur étant disposé au-dessus de ladite inductance .
De préférence, ladite inductance est constituée d'un tube isolant autour duquel est enroulée une bobine, ledit tube étant coaxial à l'enveloppe, ledit condensateur étant disposé à l'intérieur dudit tube.
Une varistance est connectée aux bornes de ladite chambre contenant ledit condensateur et ladite inductance, ladite varistance étant placée dans une colonne isolante exterieure à ladite chambre.
Les chambres de coupure ne contenant pas ledit condensateur et ladite inductance contiennent une r~sistance de fermeture et sont dotées d'un .
. .~ . - .
~083900 condensateur de répartition placé dans une colonne exterieure.
Selon une caractéristique de l'invention, ledit condensateur a une capacité comprise entre 2 et 6 microfarads et ladite inductance une valeur comprise entre 1000 et 200 microhenrys.
L'invention sera bien comprise à la description d'un exemple de réalisation de l'invention donné à
titre illustratif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 est un schéma d'un pole d'un disjoncteur dont l'une des chambres contient un ensemble inductance-condensateur, - la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale de la chambre contenant un ensemble inductance-condensateur, selon un premier mode de réalisation, - la figure ~ est une vue partielle en coupe axiale de la chambre de coupure contenant un ensemble inductance-condensateur, selon un second mode de réalisation.
L'exemple decrit en référence aux figures 1 a 3 est celui d'un disjoncteur, de tension nomiunale égale a 800 kV, et comportant quatre chambres de coupure en série.
Les chambres de coupure, référencées A, B, C et D, sont portées par des structures isolantes A', B', C' et D' reposant sur une poutre commune E soutenue par une structure métallique F et portant une cabine de commande G. Toutes ces chambres sont étanches et l'intérieur est rempli d'un gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre, pur ou melangé à de l'azote, sous une pression de quelques hectopascals.
Les chambres de coupure sont reliées en série, le courant passant par les plaques de connexion .
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~83900 supérieures et par les plaques fermant les chambres à
leur partie inférieures.
Chacune des chambres de coupure B, C et D
comporte une résistance ( RB, RC et RD) inserée à la fermeture de la chambre pendant une durée limitée et court-circuitée ensuite, afin de réduire la surtension lors de la fermeture. Ce type de chambre a été décrit en détail dans le brevet français n~ 79 05 2478 déposé
le 2 mars 1979.
Chacune des chambres de coupure B, C et D est munie d'un condensateur en parallèle à ses bornes, contenu dans une enveloppe isolante. Ces condensateurs sont référencés CB, CC et CD.
La chambre de coupure A contient un condensateur 51 et une inductance 54, connectés en série, cet ensemble étant disposé aux bornes des contacts de la chambre. En parallele aux bornes de la chambre, et placée dans une colonne séparée, est disposée une varistance VA destinée ~ limiter la surtension aux bornes de la chambre et en particulier aux bornes de l'ensemble inductance-capacité qu'elle contient.
On note que le chambre de coupure A n'a pas de condensateur de répartition.
La figure 2 est une vue partielle en coupe axiale de la chambre de coupure A. Elle comprend une enveloppe 1 en céramique ou en matériau composite, de forme cylindrique ou sensiblement cylindrique d'axe xx, et munie d'ailettes. Le volume 2 intérieur ~ la chambre est rempli de gaz à bonnes propriétés diélectriques tel que l'hexafluorure de soufre de formule SF6, pur ou mélangé d'azote, sous une pression de quelques hectopascals. Le courant est amen~e par une première prise de courant 4 reliée, à l'intérieur de la chambre un contact principal fixe 6 et à un contact d'arc fixe 7. Ces contacts, constitues de deux cylindres - . : , - -. . - . - .
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~ 5 ~ 2~ 839 00 métalliques coaxiaux, sont maintenus par des bras métalliques 5. Les contacts fixes coopèrent avec un contact principal mobile 12 et un contact d'arc mobile 14; ces contacts mobiles sont solidaires d'une structure mobile comprenant un cylindre métallique 16 relié par contacts glissants non représentes à une seconde prise de courant non représentée. Une buse de soufflage 17 et un piston de soufflage 18 coopèrent avec le cylindre 16 pour produire un soufflage de l'arc qui s'établit entre les contacts d'arc 7 et 14 lors d'une manoeuvre d'ouverture du disjoncteur.
La chambre de coupure est fermée à sa partie supérieure par un capot métallique 50 relié
électriquement a la prise de courant 4.
Selon la caractéristique essentielle de l'invention, la chambre de coupure contient un ensemble constitué d'un condensateur 51 en série avec une inductance 54, cet ensemble étant connecté en parallèle aux bornes des contacts du disjoncteur. Cet ensemble est appelé parfois dans la suite "circuit LC"~
Pratiquement, le condensateur et 1'inductance sont formés de deux constituants cylindriques, disposés de manière adjacente et coaxialement, leur axe coïncidant avec l'axe xx de l'enveloppe 1.
Le condensateur 51, formé de préférence au moyen de feuilles métalliques et d'un diélectrique en papier, avec isolation à l'huile, est contenu dans un cylindre étanche et isolant 52, fermé par deux flasques métalliques 52A et 52B. Le flasque 52A est en contact électrique avec le capot 50 et l'une des bornes du condensateur; le flasque 52B, en contact électrique avec l'autre borne du condensateur, est soutenu mécaniquement par des pieds isolants 53 posés sur la prise 4.
L'inductance 54 est constitué d'une bobine en cuivre 55, constituée de fil de diamètre de l'ordre de , .
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2083~00 6 mm, enroulee dans les gorges en spirale d'un tube isolant 56. Une extrémité 57 de la bobine 55 est reliée électriquement a une plaque 58 métallique fermant le tube ~6, l'autre extrémité 59 de l'inductance étant reliée électriquement au flasque 52B. Des bras tels que 37 et 38, fixés à la plaque métallique 58, portent une couronne métallique 61 munie de doigts de contact 62 venant glisser sur le cylindre 16.
Le circuit LC formé par le condensateur 51 et le bobinage 55 est donc connecté en permanence aux bornes des contacts 7 et 14 de la chambre de coupure.
La figure 3 illustre une variante de réalisation de 1'invention. Les éléments communs aux figures 2 et 3 ont reçu les memes numéros de reférence.
Dans ce mode de réalisation, le capot 50 est posé sur une portion isolante 48 ml~nie d'ailettes 49 et surmontant la prise de courant 4. Cette portion peut être en céramique ou en composite par exemple en fibres de verre imprégn~es de résine époxy, les ailettes étant réalisées en silicone ou en EPDM.
L'inductance est disposée coaxialement au condensateur: elle est dispos~e co~me précédemment sur un support isolant 56 qui comporte une saillie intérieure 65 sur laquelle est posée le flasque 52B du condensateur 51.
Une première extrémité 57 de la bobine 55 est reliée électriquement à la prise 4. L'autre extrémite 59 de la bobine 55 est reliée au capot 50.
Au flasque 52B est fixé un tube conducteur 66 ~ui porte les bras 37 et 38.
Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant:
- en position ouverte, grâce ~ la grande capacité du condensateur 51, il n'y a pratiquement pas de tension aux bornes de la chambre de coupure A.
- lors de la coupure d'un d~faut à grande composante continue, les quatre chambres de coupure s'ouvrent en . ~
.
2~83900 même temps. L'arc dans la chambre A, grâce au circuit LC, devient vite instable et il est traversé par un courant oscillatoire dont la fréquence dépend des valeurs de L et C. Pour une capacité de 2 microfarads et une inductance de 500 microhenrys, la fréquence d'oscillation de courant sera de 5000 Hz. La caractéristique de résistance dynamique négative de l'arc permet une amplification rapide du courant oscillatoire entraînant ainsi une augmentation de la tension d'arc, d'ou un amortissement rapide de la composante continue. Au passage par zéro du courant de defaut, les trois chambres B, C et D interrompent le courant et supportent la totalité de la tension de rétablissement.
On notera que les valeurs indiquées plus haut pour la capacité et l'inductance sont compatibles avec les dimensions des enveloppes des chambres de coupure utilisées habituellement pour les disjoncteurs a haute tension: il est en effet possible de réaliser une capacité de 4 microfarads et une inductance de 500 microhenrys sous forme de cylindres dont le diamètre n'excede pas 300 millimetres. Ces valeurs reduites sont rendues possibles en raison du fait que le condensateur et 1'inductance sont placés a 1'intérieur de la chambre de coupure, dans le gaz diélectrique. Plus géneralament, la capacité du condensateur 51 pourra être comprise entre 2 et 6 microfarads et la valeur de l'inductance 54 comprise entre 1000 et 200 microhenrys.
En cas de coupure d'un défaut symétrique, l'oscillation du courant dans la chambre A peut influer légèrement sur la durée de coupure, en avançant par exemple l'instant ds coupure. Par contre, l'amplitude de ce courant, de l'ordre d'un millier d'ampères, reste faible devant celle du courant de court-circuit.
A la fermeture du disjoncteur, une tension trop ~levée aux bornes du circuit LC sera évitée grâce à la . . .
- . : -3~
présence de la ~aristance VA (Fig. 1), qui, en fonctionnement, laisse passer le courant provenant des résistances de fermeture RB, RC et RD.
Pour réduire l'énergie de la varistance VA, il est utile d'assurer la fermeture de la chambre A 7 à 8 millisecondes avant la fermeture des autres chambres de coupure. Ceci peut être facilement réalisé soit en réglant la distance d'ouverture de la chambre A a une valeur inférieure a celle des autres chambres de coupure, tout en gardant les mêmes vitesses d'enclenchement et de déclenchement pour les quatre chambres, soit en avançant l'ordre de manoeuvre de fermeture de la chambre A, soit en retardant l'ordre de manoeuvre des chambres B, C et D.
La varistance VA, réalisée par exemple en matériau à base d'oxyde de zinc, permet également d'éviter les surtensions en cas de coupure d'un courant de faible valeur. Comme il n'y a prati~uement pas de tension permanente aux bornes de la varistance VA, son enveloppe sera de préférence en matériau composite, par exemple ~ base de fibres de verre imprégnées d'époxy protégées par des ailettes en silicone ou en EPDM.
L'enveloppe peut être moulée directement sur les éléments de varistance.
De la même manière, l'enveloppe 1 de la chambre A peut être réalisée en matériau composite.
Comme la tension totale appliquée à la chambre A ne dépasse pas une vingtaine de kilovolts, l'enveloppe isolante de la chambre pourra être de faible longueur.
L'exemple décrit plus haut n'est pas limitatif.
L'invention s'applique aux disjoncteurs de toutes tensions de type conventionnel ou de type à cuve à la masse. 3. US Patent N ~ 4,216,513 "DC Circuit breaker"
by Tokuyama et al., August 5, 1980.
An object of the present invention is to achieve a high-voltage circuit breaker implementing the 20839 ~ 0 above principles, economically, by particular thanks to a reduced volume of the circuit breaker, while ensuring high operational reliability.
The subject of the present invention is a high-voltage circuit breaker comprising at least two series interrupting chambers, each interrupting chamber comprising a sealed envelope filled with a gas good dielectric properties in which are placed fixed contacts, mobile contacts, means of blowing the arc and the organs of displacement of the movable contacts passing through the chamber shut off and connected to the outside from this to an operating mechanism, characterized by this one of the cutting cham ~ res further contains at its upper part in the dielectric gas a assembly, comprising a capacitor in series with a inductance connects in parallel across the fixed contacts and mobile contacts.
Advantageously, said capacitor and said inductance are made in the form of two cylinders arranged adjacent and coaxial to the envelope of the breaking chamber, said capacitor being disposed above said inductance.
Preferably, said inductor is made up an insulating tube around which is wound a coil, said tube being coaxial with the envelope, said capacitor being disposed inside said tube.
A varistor is connected to the terminals of said chamber containing said capacitor and said inductance, said varistor being placed in a insulating column outside said chamber.
The interrupting chambers not containing said capacitor and said inductor contain a closing resistor and have a .
. . ~. -.
~ 083900 distribution capacitor placed in a column exterior.
According to a characteristic of the invention, said capacitor has a capacity between 2 and 6 microfarads and said inductor a value included between 1000 and 200 microhenrys.
The invention will be clearly understood from the description of an exemplary embodiment of the invention given to illustrative title and in no way limitative, with reference in the attached drawing in which:
- Figure 1 is a diagram of a pole of a circuit breaker one of the chambers of which contains a inductance-capacitor assembly, - Figure 2 is a partial sectional view axial of the chamber containing a set inductance-capacitor, according to a first mode of production, - Figure ~ is a partial sectional view axial of the breaking chamber containing a set inductance-capacitor, according to a second mode of production.
The example described with reference to Figures 1 to 3 is that of a circuit breaker, of equal nominal voltage at 800 kV, and comprising four breaking chambers series.
The interrupting chambers, referenced A, B, C and D, are carried by insulating structures A ', B', C ' and D 'resting on a common beam E supported by a metallic structure F and carrying a cabin command G. All these chambers are waterproof and the interior is filled with a gas with good properties dielectrics such as sulfur hexafluoride, pure or mixed with nitrogen, under a pressure of a few hectopascals.
The breaking chambers are connected in series, the current passing through the connection plates .
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~ 83900 and by the plates closing the chambers to their lower part.
Each of the interrupting chambers B, C and D
includes a resistor (RB, RC and RD) inserted at the room closure for a limited time and then short-circuited to reduce the overvoltage when closing. This type of room has been described in detail in French patent n ~ 79 05 2478 filed March 2, 1979.
Each of the interrupting chambers B, C and D is fitted with a capacitor in parallel across its terminals, contained in an insulating envelope. These capacitors are referenced CB, CC and CD.
The interrupting chamber A contains a capacitor 51 and an inductor 54, connected at series, this assembly being arranged at the terminals of the room contacts. In parallel with the terminals of the room, and placed in a separate column, is arranged a VA varistor intended to limit the overvoltage across the chamber and in particular across the inductance-capacitance set that it contains.
It is noted that the interrupting chamber A has no distribution capacitor.
Figure 2 is a partial sectional view axial of the breaking chamber A. It includes a envelope 1 of ceramic or composite material, cylindrical or substantially cylindrical shape with axis xx, and fitted with fins. Interior volume 2 ~ the bedroom is filled with gases with good dielectric properties such as than sulfur hexafluoride of formula SF6, pure or mixed with nitrogen, under a pressure of a few hectopascals. The current is brought ~ e by a first connected socket 4, inside the room a fixed main contact 6 and an arcing contact fixed 7. These contacts, made up of two cylinders -. :, - -. . -. -.
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~ 5 ~ 2 ~ 839 00 coaxial metal, are held by arms 5. Fixed contacts cooperate with a movable main contact 12 and a movable arcing contact 14; these mobile contacts are integral with a mobile structure comprising a metal cylinder 16 connected by sliding contacts not shown to a second outlet not shown. A nozzle of blowing 17 and a blowing piston 18 cooperate with cylinder 16 to produce an arc blowing which is established between the arcing contacts 7 and 14 when an opening operation of the circuit breaker.
The breaking chamber is closed at its part upper by a metal cover 50 connected electrically to the power outlet 4.
According to the essential characteristic of the invention, the breaking chamber contains an assembly consisting of a capacitor 51 in series with a inductor 54, this assembly being connected in parallel across the circuit breaker contacts. This set is sometimes called in the following "LC circuit" ~
In practice, the capacitor and the inductance are formed by two cylindrical components, arranged adjacent and coaxially, their axis coinciding with the axis xx of the envelope 1.
The capacitor 51, preferably formed at using metallic foils and a dielectric paper, with oil insulation, is contained in a sealed and insulating cylinder 52, closed by two flanges metallic 52A and 52B. The flange 52A is in contact electric with cover 50 and one of the terminals of the capacitor; flange 52B, in electrical contact with the other terminal of the capacitor, is supported mechanically by insulating feet 53 placed on the socket 4.
Inductance 54 consists of a coil in copper 55, consisting of wire of the order of , .
. ~. , - -, : ', ..,. ~
2083 ~ 00 6 mm, wound in the spiral grooves of a tube insulator 56. One end 57 of the coil 55 is connected electrically has a metal plate 58 closing the tube ~ 6, the other end 59 of the inductor being electrically connected to the flange 52B. Arms like 37 and 38, fixed to the metal plate 58, carry a metal crown 61 fitted with contact fingers 62 sliding on the cylinder 16.
The LC circuit formed by the capacitor 51 and winding 55 is therefore permanently connected to terminals of contacts 7 and 14 of the switching chamber.
Figure 3 illustrates a variant of realization of the invention. The elements common to Figures 2 and 3 have received the same reference numbers.
In this embodiment, the cover 50 is placed on an insulating portion 48 ml ~ finned fins 49 and over the outlet 4. This portion can be ceramic or composite, for example fibers glass impregnated with epoxy resin, the fins being made of silicone or EPDM.
The inductance is arranged coaxially to the capacitor: it is arranged ~ e co ~ me previously on an insulating support 56 which has a projection interior 65 on which the flange 52B of the capacitor 51.
A first end 57 of the coil 55 is electrically connected to socket 4. The other end 59 of the coil 55 is connected to the cover 50.
A flange 66 is attached to the flange 52B.
~ Who wears arms 37 and 38.
The circuit breaker works as follows:
- in the open position, thanks to the large capacity of the capacitor 51, there is practically no voltage across the switching chamber A.
- when cutting a fault ~ large component continues, the four breaking chambers open . ~
.
2 ~ 83900 same time. The arc in room A, thanks to the circuit LC, quickly becomes unstable and is crossed by a oscillating current whose frequency depends on values of L and C. For a capacity of 2 microfarads and an inductance of 500 microhenrys, the frequency current oscillation will be 5000 Hz.
negative dynamic resistance characteristic of the arc allows a rapid amplification of the current oscillatory thus causing an increase in the arc voltage, resulting in rapid damping of the continuous component. At zero crossing of the current fault, the three chambers B, C and D interrupt the current and support the entire voltage of recovery.
Note that the values indicated above for capacity and inductance are compatible with the dimensions of the enclosures of the switching chambers typically used for high circuit breakers voltage: it is indeed possible to carry out a capacity of 4 microfarads and an inductance of 500 microhenrys in the form of cylinders whose diameter does not exceed 300 millimeters. These reduced values are made possible due to the fact that the capacitor and the inductor are placed inside the chamber in the dielectric gas. More generally, the capacity of capacitor 51 may be between 2 and 6 microfarads and the value of inductance 54 between 1000 and 200 microhenrys.
In the event of a symmetrical fault breaking, the oscillation of the current in chamber A can influence slightly over the cut-off time, advancing by example the instant of cutoff. However, the amplitude of this current, of the order of a thousand amps, remains weak compared to that of the short-circuit current.
When the circuit breaker closes, too much voltage ~ lifting at the terminals of the LC circuit will be avoided thanks to the . . .
-. : -3 ~
presence of the ~ aristor VA (Fig. 1), which, in operation, lets current flow from closing resistors RB, RC and RD.
To reduce the energy of the VA varistor, it it is useful to ensure the closure of chamber A 7 to 8 milliseconds before the closure of the other chambers of break. This can be easily achieved either by adjusting the opening distance of chamber A has a lower value than other rooms cutting, while keeping the same speeds for the four rooms, either by advancing the maneuvering order of Closure of Room A, either by delaying the order of operation of chambers B, C and D.
The VA varistor, made for example in zinc oxide material, also allows avoid overvoltages in the event of a power failure of low value. Since there is practically no permanent voltage across varistor VA, sound envelope will preferably be made of composite material, for example ~ base of epoxy impregnated glass fibers protected by silicone or EPDM fins.
The envelope can be molded directly on the varistor elements.
In the same way, the envelope 1 of the chamber A can be made of composite material.
As the total voltage applied to the chamber A does not exceed twenty kilovolts, the insulating envelope of the room could be short length.
The example described above is not limiting.
The invention applies to circuit breakers of all conventional or tank type voltages mass.