EP0749140B1 - Dispositif pour la coupure d'un courant continu à haute tension - Google Patents

Dispositif pour la coupure d'un courant continu à haute tension Download PDF

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EP0749140B1
EP0749140B1 EP96401236A EP96401236A EP0749140B1 EP 0749140 B1 EP0749140 B1 EP 0749140B1 EP 96401236 A EP96401236 A EP 96401236A EP 96401236 A EP96401236 A EP 96401236A EP 0749140 B1 EP0749140 B1 EP 0749140B1
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Van Doan Pham
Nadine Rieux
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GEC Alsthom T&D SA
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/16—Impedances connected with contacts
    • H01H33/161—Variable impedances
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H2009/0083—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00 using redundant components, e.g. two pressure tubes for pressure switch

Definitions

  • the present invention relates to breaking of currents high voltage.
  • An object of the present invention is to provide a device for cutting off high current DC economical tension in manufacturing as well as use.
  • the subject of the invention is a device for the power cut from a high direct current line voltage comprising two conductors, comprising, on at least one of the conductors of the line, a assembly comprising, connected in series, at least a first group comprising a first resistance in parallel with a first circuit breaker, at least second group comprising a second resistor in parallel with a second circuit breaker and a disconnector, the resistors including carbon-loaded polymer elements, the device further comprising a fault detector giving in the event of fault, an order to open the circuit breakers of the first group, giving an opening order to the circuit breakers of the second group when the current in the line exceeds by lower value a first threshold value predetermined, and giving an order to open the disconnector when the current in the line reaches by lower value a second predetermined threshold value.
  • the resistance of the first group is chosen for be able to permanently withstand a current of value at most equal to 1/35 of the maximum value of the short-circuit current of the line.
  • the resistance of the second group is chosen for be able to permanently withstand a current of value equal to About 1/15 of the permanently supported current value by the resistance of the first group.
  • the resistances of the first and second groups are consisting of an alternating stack of polymer disks loaded with carbon and metal discs good conductor of electricity.
  • the stack is surrounded by a waterproof envelope filled with insulating gas.
  • the initial value of the resistance of the first group is around 0.1 ⁇ .
  • the initial value of the resistance of the second group is around 1.5 ⁇ .
  • the resistance of the second group is provided with a rapid heating device controlled when the first group circuit breaker.
  • the device is characterized in that the first threshold value is between two thirty-fifths and thirty-fifths of the maximum value (Icc) of the current line short circuit.
  • the device is characterized in that the second threshold value is between one five hundredth and one thousandth of the maximum value (Icc) of the short-circuit current of the line.
  • the reference LL 'denotes one of the two direct current line conductors; the device the invention may include two identical sets inserted respectively in series on each of the two conductors line. Only one of the sets is represented in the Fig. 1., in a dashed rectangle designated by the reference 1.
  • Resistors R1 and R2 are made up of the same as described below.
  • the resistor comprises a plurality of discs 13 in polymer charged with carbon with two metallized faces, separated by discs 14 made of metal which is a good conductor of electricity, preferably copper.
  • Polymer and copper constitute a stack placed between two flanges metal end 11 and 12; the flanges are tight by insulating rods 15 threaded at their ends and fitted with nuts 16.
  • On the flanges are welded conductors 18 and 19 used for the electrical connection with the line and with the circuit breaker.
  • the whole constituting the resistance is protected by an envelope waterproof insulation not shown, filled with gas dielectric such as nitrogen.
  • varistors 17 or resistances of low ohmic value
  • the polymer resistance charged carbon have room temperature resistance of around a tenth of an ohm and at a temperature between 100 and 110 ° C, their resistance is suddenly multiplied by a factor of the order of 5000.
  • resistance R1 The characteristics of resistance R1 are: following.
  • Resistor R1 can support a permanent current inl equal to around 15% of In for a short-circuit current maximum Icc of 10,000A on line LL ', In designating the nominal value of the line current.
  • the initial resistance of R1 is around 0.1 ohm, for a network voltage of 100 kV.
  • Icc / in1 at least equal to 35.
  • resistance R2 The characteristics of resistance R2 are: following.
  • Resistor R2 can withstand a permanent current in2 equal to approximately 1% of In, i.e. 20 A if In is equal to 2,000 A.
  • in2 will be equal to 40 A.
  • resistors R1 and R2 More generally we choose resistors R1 and R2 so that the ratio in1 / in2 is close to 15.
  • the initial resistance of R2 is around 1.5 ohm for a network voltage of 100 kV.
  • the disks 13 of the resistor R1 have for example a section of 220 cm 2 ; the diques 13 of the resistance R2 will then have a section of 15 cm 2 .
  • the operation of the device is as follows.
  • circuit breakers D1 and D2 and the disconnector S are closed.
  • the current flows through circuit breakers, whose ohmic value of the resistances of contact is weak compared to the resistance value R1 and R2.
  • the current also passes through the disconnector S.
  • the DD current detector gives to circuit breaker D1, on a exit 3, an opening order.
  • resistance R1 will change in ohmic value by Joule effect more or less fast, for example in 15 milliseconds if the current of fault is 10,000 A, in 60 milliseconds if the current of default is 5,000 A.
  • the sudden change in ohmic value of the resistance R1 causes a sudden decrease in current; this reduction is detected by the DD detector which, when the value of the current reached by lower value a first predetermined threshold, gives on an output 4, a opening order at circuit breaker D2.
  • This threshold is by example between 2in1 and in1, between two thirty-fifths and one-thirty-fifth of the maximum value (Icc) of the line short-circuit current.
  • the residual current is cut by the disconnector, upon detection by the DD detector for passing through a lower value of second predetermined threshold.
  • This order is transmitted by a link 5.
  • the aforementioned threshold is for example between in2 and 0.5 in2, approximately between one five hundredth and one thousandth of the maximum value (Icc) of the short-circuit current of the line.
  • the resistance R2 is advantageously equipped with a rapid heating device C which is route from the opening of circuit breaker D1, either by an order emitted by the DD fault detector (3 'link), either by a command not shown linked to the movement of circuit breaker contacts D1.
  • This heating device in rapidly heating resistance R2 to a temperature of 100 ° C approximately, accelerates the transition from resistance R2.
  • the faultless interruption of the nominal current In, or of a current of value less than In is carried out according to the same process as that just described, but in controlling the opening of circuit breaker D1 directly, without involve the fault detector at this stage.
  • Circuit breakers D1 and D2 are chosen to have a "opening time" of the order of 20 milliseconds; the disconnector has an opening time of a few seconds.
  • the invention finds application in the equipment of high voltage direct current networks.

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Description

La présente invention concerne la coupure des courants continus à haute tension.
On sait que la coupure des courants de défaut des lignes à courant continu est un problème difficile, puisqu'on ne dispose pas, comme pour la coupure des courants alternatifs, du passage par zéro du courant.
On a proposé une méthode pour la coupure du courant continu qui consiste à provoquer une oscillation du courant et mettre à profit un passage par zéro du courant.
Un exemple de mise en oeuvre de cette méthode est mentionné dans l'article "The Development of a HVDC SF6 breaker", IEEE PAS n° 10, octobre 1985. Il est proposé l'utilisation d'un circuit LC avec varistance à l'oxyde de zinc créant un courant d'arc oscillatoire amplifié à l'aide d'un disjoncteur spécial. Cette mise en oeuvre est onéreuse.
On connaít également un limiteur à courant continu à haute tension à supraconducteur, décrit dans le brevet FR-A-2 655 767. Il met en oeuvre, pour réduire le courant de défaut, le changement d'état d'un conducteur passant de l'état supraconducteur où sa résistance est nulle, à l'état résistif, lorsque la densité du courant dépasse un certain seuil (densité critique). Le courant résiduel est adressé à un circuit oscillant LC qui permet de créer des passages par zéro du courant. L'utilisation d'un supraconducteur à basse température critique nécessite un cryostat à hélium liquide, de sorte que la solution n'est pas économique.
On connaít également, notamment par le brevet FR-A-2 506 067, un disjoncteur associé à une résistance à coefficient de température positif (CTP) à base de titanate de baryum et de strontium. Le passage du courant de défaut provoque l'échauffement de la résistance dont la valeur ohmique croít très vite. La réduction importante du courant de défaut facilite sa coupure par le disjoncteur. Cette solution n'est pas économique en raison du coût des céramiques et des pertes Joule engendrées par la valeur ohmique relativement élevée des céramiques.
Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif pour la coupure des courants continus à haute tension qui soit économique à la fabrication aussi bien qu'à l'utilisation.
L'invention a pour objet un dispositif pour la coupure du courant d'une ligne à courant continu à haute tension comprenant deux conducteurs, comprenant, sur au moins un des conducteurs de la ligne, un ensemble comprenant, reliés en série, au moins un premier groupe comprenant une première résistance en parallèle avec un premier disjoncteur, au moins second groupe comprenant une seconde résistance en parallèle avec un second disjoncteur et un sectionneur, les résistances comprenant des éléments en polymère chargé de carbone, le dispositif comprenant en outre un détecteur de défaut donnant en cas de défaut, un ordre d'ouverture aux disjoncteurs du premier groupe, donnant un ordre d'ouverture aux disjoncteurs du second groupe lorsque le courant dans la ligne dépasse par valeur inférieure une première valeur de seuil prédéterminée, et donnant un ordre d'ouverture du sectionneur lorsque le courant dans la ligne atteint par valeur inférieure une seconde valeur de seuil prédéterminée.
La résistance du premier groupe est choisie pour pouvoir supporter en permanence un courant de valeur au plus égale à 1/35 de la valeur maximale du courant de court-circuit de la ligne.
La résistance du second groupe est choisie pour pouvoir supporter en permanence un courant de valeur égale à 1/15 environ de la valeur du courant supportée en permanence par la résistance du premier groupe.
Les résistances des premier et second groupes sont constituées d'un empilement alterné de disques de polymère chargé de carbone et de disques de métal bon conducteur de l'éléctricité.
L'empilement est entouré d'une enveloppe étanche remplie de gaz isolant.
La valeur initiale de la résistance du premier groupe est de l'ordre de 0,1 Ω.
La valeur initiale de la résistance du second groupe est de l'ordre de 1,5 Ω.
La résistance du second groupe est munie d'un dispositif de chauffage rapide commandé à l'ouverture du disjoncteur du premier groupe.
Le dispositif est caractérisé en ce que la première valeur de seuil est comprise entre deux trentecinquièmes et un trentecinquième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne.
Le dispositif est caractérisé en ce que la seconde valeur de seuil est comprise entre un cinqcentième et un millième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne.
L'invention sera bien comprise à la lecture de la description donnée ci-après d'un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel:
  • la figure 1 est un schéma électrique du dispositif de l'invention,
  • la figure 2 est une vue en élévation d'une résistance utilisée dans le dispositif.
Dans la Fig 1, la référence LL' désigne l'un des deux conducteurs d'une ligne à courant continu; le dispositif de l'invention peut comporter deux ensembles identiques insérés respectivement en série sur chacun des deux conducteurs de la ligne. Seul l'un des ensembles est représenté dans la Fig. 1., dans un rectangle en traits tiretés désigné par la référence 1.
L'ensemble 1 comprend:
  • deux résistances R1 et R2 en série, shuntées respectivement par deux disjoncteurs D1 er D2,
  • un sectionneur S en série avec les résistances,
  • un détecteur de défaut DD recevant sur une entrée "a" une mesure de l'intensité du courant fournie par un transformateur de courant TC et, sur une entrée "b", une mesure de la tension. Le détecteur de défaut est capable d'analyser ces informations et de distinguer entre un défaut et une surcharge.
Les résistances R1 et R2 sont constituées de la même manière décrite ci-après.
La résistance comprend une pluralité de disques 13 en polymère chargé de carbone à deux faces métallisées, séparés par des disques 14 en métal bon conducteur de l'éléctricité, de préférence le cuivre. Les disques de polymère et de cuivre constituent un empilement placé entre deux flasques d'extrémité métalliques 11 et 12; les flasques sont serrés par des tiges isolantes 15 filetées à leurs extrémités et munies d'écrous 16. Sur les flasques sont soudés des conducteurs 18 et 19 servant à la liaison électrique avec la ligne et avec le disjoncteur. De préférence, l'ensemble constituant la résistance est protégé par une enveloppe isolante étanche non représentée, remplie d'un gaz diélectrique tel que l'azote. Pour mieux répartir la tension entre les disques 13 en cas de fonctionnement non uniforme de ces derniers, des varistances 17 (ou des résistances de faible valeur ohmique) sont connectées en parallèle sur chacun des disques 13 et permettent d'écrêter et de limiter la tension aux bornes de chacun des disques.
On rappelle que les résistance en polymère chargé de carbone ont une résistance à la température ambiante de l'ordre du dixième d'ohm et qu'à une température comprise entre 100 et 110 °C, leur résistance est brusquement multipliée par un facteur de l'ordre de 5000.
Les caractéristiques de la résistance R1 sont les suivantes.
La résistance R1 peut supporter un courant permanent inl égal à environ 15% de In pour un courant de court-circuit maximal Icc de 10.000A sur la ligne LL', In désignant la valeur nominale du courant de la ligne.
Par exemple, si In est égal à 2.000 A, la valeur de inl sera de 300 A.
La résistance initiale de R1 est de l'ordre de 0,1 ohm, pour une tension de réseau de 100 kV.
Si le courant de court-circuit maximal Icc est de 20.000 A, le courant permanent inl sera choisi égal à 30% de In, soit inl = 600 A.
Plus généralement, on fixe Icc/in1 au moins égal à 35.
Les caractéristiques de la résistance R2 sont les suivantes.
La résistance R2 peut supporter un courant permanent in2 égal environ à 1% de In, soit 20 A si In est égal à 2.000 A.
Si in1 = 600 A, in2 sera égal à 40 A.
Plus généralement on choisit les résistances R1 et R2 pour que le rapport in1/in2 soit voisin de 15.
La résistance initiale de R2 est de l'ordre de 1,5 ohm pour une tension de réseau de 100 kV.
Les disques 13 de la résistance R1 ont par exemple une secion de 220 cm2; les diques 13 de la résistance R2 auront alors une section de 15 cm2.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant.
En fonctionnement normal, les disjoncteurs D1 et D2 et le sectionneur S sont fermés. Le courant traverse les disjoncteurs, dont la valeur ohmique des résistances de contact est faible devant la valeur ohmique des résistances R1 et R2. Le courant traverse également le sectionneur S.
En cas de défaut, par exemple en T (Fig. 1), le détecteur de courant DD donne au disjoncteur D1, sur une sortie 3, un ordre d'ouverture.
L'ouverture du disjoncteur D1, qui s'accompagne d'un grand soufflage de gaz entre ses contacts, force le courant de défaut à traverser la résistance R1, étant donnée la faible tension à ses bornes. En effet, cette tension est par exemple égale à 10.000A x 0,1 Ω = 1.000 V, si le courant de défaut est de 10.000 A.
Selon la valeur du courant de défaut, la résistance R1 changera de valeur ohmique par effet Joule plus ou moins vite, par exemple en 15 millisecondes si le courant de défaut est de 10.000 A, en 60 millisecondes si le courant de défaut est de 5.000 A.
Le changement brusque de valeur ohmique de la résistance R1 provoque une brusque diminution du courant; cette diminution est détectée par le détecteur DD qui, lorsque la valeur du courant atteint par valeur inférieure un premier seuil prédéterminé, donne sur une sortie 4, un ordre d'ouverture au disjoncteur D2. Ce seuil est par exemple compris entre 2in1 et in1, soit entre deux trentecinquièmes et un trentecinquième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne.
Le courant qui, à l'ouverture du disjoncteur D1, traversait la résistance R1 et le disjoncteur D2, traverse, à l'ouverture du disjoncteur D2, la résistance R2. Ce courant ayant une valeur supérieure à la valeur in2 définie plus haut, provoque l'échauffement rapide de la résistance R2 dont la valeur ohmique croít, provoquant une nouvelle diminution du courant dans la ligne. Cette diminution est plus ou moins rapide selon la valeur du courant traversant la résistance R2.
Après le fonctionnement de la résistance R2, le courant résiduel est coupé par le sectionneur, dès détection par le détecteur DD du passage par valeur inférieure d'un second seuil prédéterminé. Cet ordre est transmis par une liaison 5. Le seuil précité est par exemple compris entre in2 et 0,5 in2, soit environ entre un cinqcentième et un millième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne.
On notera que la résistance R2 est avantageusement équipée d'un dispositif de chauffage rapide C qui est mis en route dès l'ouverture du disjoncteur D1, soit par un ordre émis par le détecteur de défaut DD (liaison 3'), soit par une commande non représentée liée au déplacement des contacts du disjoncteur D1. Ce dispositif de chauffage, en chauffant rapidement la résistance R2 à une température de 100°C environ, permet d'accélérer la transition de la résistance R2.
La coupure sans défaut du courant nominal In, ou d'un courant de valeur inférieure à In, est effectuée selon le même processus que celui qui vient d'être décrit, mais en commandant l'ouverture du disjoncteur D1 directement, sans faire intervenir à ce stade le détecteur de défaut.
En variante, pour la coupure intentionnelle d'un courant de valeur inférieure à la valeur nominale In, on peut n'ouvrir que le disjoncteur D2, en inhibant le premier seuil du détecteur de courant.
Pour la coupure d'un courant inférieur ou égal à 0,01 In, si le sectionneur ne peut pas couper ce courant, on utilisera le dispositif de chauffage C pour chauffer la résistance R2 avant d'ouvrir le sectionneur S.
Les disjoncteurs D1 et D2 sont choisis pour avoir un "temps d'ouverture" de l'ordre de 20 millisecondes; le sectionneur a un temps d'ouverture de quelques secondes.
Pour une tension nominale du réseau plus élevée, par exemple 200kV au lieu de 100 kV, on pourra constituer l'ensemble 1 avec deux groupes R1-D1 en série et deux groupes R2-D2 en série, les disjoncteurs dans chaque groupe étant commandés simultanémént et avec les mêmes séries de seuils que celles indiquées plus haut. Le sectionneur S devra avoir une tenue en tension double et un bon pouvoir de coupure.
L'invention trouve application dans l'équipement des réseaux à haute tension à courant continu.

Claims (10)

  1. Dispositif pour la coupure d'un courant continu d'une ligne à haute tension comprenant deux conducteurs, comprenant, sur au moins un des conducteurs de la ligne (LL'), un ensemble comprenant, reliés en série, au moins un premier groupe comprenant une première résistance (R1) en parallèle avec un premier disjoncteur (D1), au moins second groupe comprenant une seconde résistance (R2) en parallèle avec un second disjoncteur (D2) et un sectionneur (S), les résistances comprenant des éléments en polymère chargé de carbone, le dispositif comprenant en outre un détecteur de défaut (DD) donnant en cas de défaut un ordre d'ouverture aux disjoncteurs (D1) du premier groupe, donnant un ordre d'ouverture aux disjoncteurs (D2) du second groupe lorsque le courant dans la ligne dépasse par valeur inférieure une première valeur de seuil prédéterminée, et donnant un ordre d'ouverture du sectionneur (S) lorsque le courant dans la ligne atteint par valeur inférieure une deuxième valeur de seuil prédéterminée.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance (R1) du premier groupe est choisie pour supporter en permanence un courant de valeur (in1) au plus égale à 1/35 de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne.
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la résistance (R2) du second groupe est choisie pour supporter en permanence un courant de valeur (in2) égale à 1/15 environ de la valeur du courant (in1) supportée en permanence par la résistance du premier groupe.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les résistances (R1, R2) des premier et second groupes sont constituées d'un empilement alterné de disques (13) de polymère chargé de carbone et de disques (14) de métal bon conducteur de l'éléctricité.
  5. Dispsositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'empilement est entouré d'une enveloppe étanche remplie de gaz isolant.
  6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la valeur initiale de la résistance (R1) du premier groupe est de l'ordre de 0,1 Ω.
  7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la valeur initiale de la résistance (R2) du second groupe est de l'ordre de 1,5 Ω.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la résistance (R2) du second groupe est munie d'un dispositif de chauffage rapide (C) commandé à l'ouverture du disjoncteur (D1) du premier groupe.
  9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la première valeur de seuil est comprise entre deux trentecinquièmes et un trentecinquième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne.
  10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la seconde valeur de seuil est comprise entre un cinqcentième et un millième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne.
EP96401236A 1995-06-13 1996-06-10 Dispositif pour la coupure d'un courant continu à haute tension Expired - Lifetime EP0749140B1 (fr)

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