EP3523817B1 - Commutateur au co2 pour un réseau à courant continu haute tension - Google Patents

Commutateur au co2 pour un réseau à courant continu haute tension Download PDF

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EP3523817B1
EP3523817B1 EP17787514.3A EP17787514A EP3523817B1 EP 3523817 B1 EP3523817 B1 EP 3523817B1 EP 17787514 A EP17787514 A EP 17787514A EP 3523817 B1 EP3523817 B1 EP 3523817B1
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EP
European Patent Office
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circuit breaker
sealed enclosure
switch according
gaseous fluid
carbon dioxide
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EP3523817A1 (fr
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Christophe Creusot
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Supergrid Institute
Original Assignee
Supergrid Institute
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Publication date
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    • 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
    • H01H33/59—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
    • H01H33/22—Selection of fluids for arc-extinguishing
    • 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
    • H01H33/53—Cases; Reservoirs, tanks, piping or valves, for arc-extinguishing fluid; Accessories therefor, e.g. safety arrangements, pressure relief devices
    • H01H33/56—Gas reservoirs
    • H01H2033/566—Avoiding the use of SF6

Definitions

  • the present invention relates to the general technical field of high voltage direct current (HVDC, acronym for High Voltage Direct Current) or medium voltage direct current (MVDC, acronym for in English, Medium Voltage Direct Current) transmission networks.
  • HVDC high voltage direct current
  • MVDC medium voltage direct current
  • the invention relates more particularly to HVDC or MVDC gas switches interrupting a direct current in a line of a high or medium voltage direct current transmission network.
  • the object of the invention finds a particularly advantageous application in the technical field of high or medium voltage direct current networks in order to be able to direct the power from one path to another of the network in the event for example of failure on a pole or extended maintenance operations on a network pole.
  • switches comprising a branch with a direct current circuit breaker comprising active switching members enclosed in a sealed enclosure containing a gaseous fluid.
  • the state of the art has proposed numerous technical solutions for producing a direct current gas circuit breaker.
  • a known circuit breaker has been described, in " Journal of Power-Energy Division Conference 1994 of Institute of Electrical Engeeners ”, No. 621, pp. 824-825 .
  • the DC gas circuit breaker is placed in a branch of a line of the DC network.
  • a branch with an energy absorption element to absorb any overvoltage and on the other hand, a resonant circuit having a given capacity and a given inductance.
  • the direct current circuit breaker is of the blowing type and comprises active switching members enclosed in a sealed enclosure containing a gaseous fluid.
  • the circuit breaker has a fixed contact to allow the flow of direct current and a movable contact in a blow cylinder with a dielectric nozzle attached to it.
  • an electric arc is generated between the contacts when a piston rod integrated with the movable contact is moved relative to the blow piston attached to the fixed contact.
  • an arc extinguishing gas, typically SF6 contained within the enclosure is compressed to be sprayed onto the arc.
  • the resonant circuit which comprises an inductor and a capacitor is thus coupled in parallel with the circuit breaker to superimpose an oscillating current on the direct current, to provide a zero crossing to the circuit breaker. This allows the SF6 gas compressed by the blowing piston to be blown and sprayed against the arc forcing it to be extinguished.
  • switches Given that direct current networks require higher and higher voltages, the associated switches must increase the switching performance in current value up to 6,000 A. This switching performance in current value must also intervene. for a wide operating temperature range of the switches. Typically, such switches must maintain their switching performance in current value while the operating temperature can reach -50 ° C.
  • the patent EP 0 740 320 proposes to optimize the values of the impedance and the capacitance of the resonant circuit as a function of the interruption value of the direct current.
  • the present invention aims to remedy the drawbacks stated above by proposing a switch for a high or medium voltage direct current network, implementing a mechanical circuit breaker associated with an oscillating current injection circuit, such a switch being simple and space-saving while presenting high switching performance in direct current value for a wide operating temperature range of the switches.
  • the switch for a high or medium voltage direct current network comprises a branch with a direct current circuit breaker comprising active switching members enclosed in at least one sealed enclosure containing a gaseous fluid, this branch being inserted in the line of the network and in parallel of which are mounted on the one hand, a branch with an energy absorption element, and on the other hand, a resonant circuit having a given capacity and a given inductance.
  • the sealed enclosure of the direct current circuit breaker contains a gaseous fluid comprising at least 70% by volume of carbon dioxide at a filling pressure of between 0.65 MPa and 1.1 MPa measured at a temperature of 20 ° C and for a capacitance value C in ⁇ F, the inductance L in ⁇ H is less than 2700 ⁇ C -0.84 .
  • Another object of the invention is to provide a high or medium voltage direct current network comprising at least one switch in accordance with the invention.
  • the Fig. 1 illustrates by way of example a high or medium voltage direct current 1 transmission network (HVDC or MVDC) implementing at least one, and in general, several HVDC or MVDC gas switches 2i according to the invention, interrupting a direct current in a network line.
  • HVDC or MVDC high or medium voltage direct current 1 transmission network
  • a direct current transmission network 1 comprises at least on one side, AC / DC converters 3 and, on the other hand, DC / AC converters 4 .
  • Current converters 3, 4 are not described in detail because they do not specifically form part of the invention and are well known to those skilled in the art.
  • the switches according to the invention are designated by the reference 2i with i varying from a, b, ... to n.
  • These switches 2i in accordance with the invention are mounted between the converters 3, 4 and points of the network 1 to make it possible to direct the power from one point of the network to another.
  • These switches 2i make it possible, for example, to maintain a reduced power flow in the event of failure on a pole or prolonged maintenance operations on a pole of the network.
  • a network 1 comprises suitable switches 2a, 2b in accordance with the invention and short-circuit switches 10 to transfer the power from the earth conductor Ct to the overhead metallic conductor Ca. It should be noted that the switches short-circuit 10 only have a function for short-circuiting an unavailable pole of the converter unlike the switches 2i according to the invention which have a switching capacity on opening.
  • the switch 2a arranged on the earth conductor Ct which is initially closed, opens and switches the current from the earth conductor Ct to the overhead metallic conductor Ca through the switches 2b in accordance with the invention and the switches of short-circuit 10, placed in series between the earth conductor Ct and the overhead metallic conductor Ca and which will have been closed beforehand.
  • a switch 2i is placed on a line of the network 1 traversed by a direct current IDC, for example between the points A-A ' as illustrated.
  • Each switch 2i comprises between, the points A-A ', a branch with a circuit breaker 5 of direct current of all types known per se consisting of one or more sealed enclosures arranged in series, exhibiting an arc current Iarc and an arc voltage Uarc .
  • direct current circuit breaker 5 By direct current circuit breaker 5, there is understood a mechanical device comprising active switching devices enclosed in a sealed enclosure containing a gaseous fluid and a system for blowing the arc by the gaseous fluid.
  • the gaseous fluid is chosen for its insulating nature, in particular so as to have a dielectric strength greater than that of dry air at equivalent pressure, for its current breaking capacity. and its ability to deliver high arc voltage.
  • a DC circuit breaker 5 is for example described by Fig. 5 .
  • the direct current circuit breaker 5 comprises in a sealed enclosure 5a, a pair of arcing contacts 5b and 5c and a pair of so-called “permanent” contacts 5d and 5e which ensure the passage of current when the circuit breaker is in operation. closed position.
  • the arcing contacts 5b and 5c as well as the permanent contacts separate during the opening maneuver.
  • the electric arc is established between them and is confined inside the blowing nozzle 5f.
  • the arc continues until a zero crossing of the current occurs in which case the gas blown by the blast nozzle 5f allows the plasma to be replaced by a cooler gas.
  • This blowing action at the zero crossing of the current makes it possible to extinguish the arc and allows the gaseous medium between the arcing contacts 5b and 5c to withstand the transient restoration voltage imposed by the network without restarting and reestablishing the current.
  • a non-preloaded resonant circuit 6 In parallel with this branch A-A ' is mounted on the one hand, a non-preloaded resonant circuit 6 and, on the other hand, a branch with an energy absorption element 7.
  • the non-preloaded resonant circuit 6 presents in series , a given capacitance C, a resistance R and a given inductance L.
  • This resonant circuit 6 interacts with the arc voltage Uarc to produce an exponentially increasing oscillating current. This oscillating current comes superimpose on direct current IDC to provide a zero crossing of the current during which the gaseous fluid is blown to extinguish the arc.
  • the branch with the energy absorption element 7 comprises a device against surges of all types known per se, such as a surge arrester.
  • This energy absorption element 7 is installed to make it possible to fix the maximum overvoltage at the terminals of the capacitor C and of the circuit breaker 5 and to absorb the energy of the network after the cut by the circuit breaker 5.
  • the switching performance of this type of switch as illustrated by Fig. 4 results from the intimate interaction between the electric arc developed between the arcing contacts 5b and 5c of a switch 2i and the resonant circuit LC which is connected to it in parallel.
  • the characteristics of the electric arc depend essentially on the environment in which it is immersed.
  • the DC direct current switching performance limit of this switch is strongly influenced by the gaseous medium in which the electric arc is bathed.
  • the LC resonant circuit parallel to a switch 2i must be modified.
  • the fluid commonly used for this application in the prior art is sulfur hexafluoride (SF6).
  • the sealed enclosure 5a of the direct current circuit breaker 5 contains a gaseous fluid comprising at least 70% by volume of carbon dioxide and having a filling pressure of between 0.65 MPa and 1.1 MPa measured. at a temperature of 20 ° C.
  • this enclosure contains at least 70% by volume of CO2 by volume.
  • the gaseous fluid contains exclusively CO 2 or a mixture of CO 2 with other components, the choice of the composition of the gas mixture depending in particular on the operating temperatures of the switches.
  • the pressure is measured at a temperature of 20 ° C when filling the sealed enclosure 5a with gaseous fluid .
  • the Fig. 6 advantageously illustrates the performance differences between the use as a gaseous medium in the sealed enclosure of the circuit breaker, of a conventional SF6 medium and of a gaseous medium in accordance with the invention comprising CO2.
  • the Fig. 6 thus provides comparative test records between an SF6 medium and a medium in accordance with the invention containing CO2.
  • This Fig. 6 illustrates the impact of the change of gaseous medium in the same geometry of switch 2i on the switching performance in direct current DC and highlights the advantage of using a medium consisting mainly of CO2.
  • Test readings indicate that a variation of the LC resonant circuit over a C / L range from ⁇ 0.0 5 to ⁇ 1.1 ⁇ F / ⁇ H provided virtually no gain in switching performance in the SF6 medium, this being set with reference to 1 pu.
  • the use of the gaseous medium in accordance with the invention containing CO2 systematically shows a performance gain compared to the SF6 medium. This performance is further improved by modifying the LC resonant circuit while this is not the case with the SF6 medium.
  • the sealed enclosure 5a of the direct current circuit breaker 5 contains a gaseous fluid consisting exclusively of carbon dioxide at a filling pressure of between 0.65 and 1.1 MPa, measured at a temperature of 20 ° C.
  • the gaseous fluid may consist exclusively of carbon dioxide at a filling pressure of 1.1 MPa at 20 ° C.
  • the gaseous fluid may consist exclusively of carbon dioxide at a filling pressure of 0.8 MPa at 20 ° C.
  • the sealed enclosure 5a of the direct current circuit breaker 5 contains a gaseous fluid consisting of a mixture of carbon dioxide and sulfur hexafluoride (SF6).
  • the sealed enclosure 5a of the direct current circuit breaker 5 thus contains between 20% and 30% by volume of sulfur hexafluoride and in addition, carbon dioxide.
  • This exemplary embodiment allows operating conditions of the switch at a temperature of up to -50 ° C.
  • the sealed enclosure 5a of the direct current circuit breaker 5 contains a gaseous fluid consisting of a mixture of carbon dioxide and carbon tetrafluoride (CF4).
  • the sealed enclosure of the direct current circuit breaker 5 contains between 20% and 30% by volume of carbon tetrafluoride and in addition, carbon dioxide. This exemplary embodiment allows operating conditions of the switch at a temperature of up to -50 ° C.
  • the sealed enclosure 5a of the direct current circuit breaker 5 contains a gaseous fluid consisting of a mixture of carbon dioxide and fluoronitrile (2,3,3,3-tetrafluoro-2- (trifluoromethyl) -propanenitrile).
  • the sealed enclosure of the direct current circuit breaker contains between 4% and 10% by volume of fluoronitrile and in addition, carbon dioxide.
  • the sealed enclosure 5a of the direct current circuit breaker contains a gaseous fluid consisting of a mixture of carbon dioxide and oxygen.
  • the sealed enclosure of the direct current circuit breaker contains between 5% and 15% by volume of dioxygen and in addition, carbon dioxide.
  • the sealed enclosure 5a of the direct current circuit breaker contains a gaseous fluid consisting of a ternary mixture of carbon dioxide, oxygen and fluoroketone (C n FK).
  • the sealed enclosure of the direct current circuit breaker contains between 5% and 15% by volume of dioxygen and between 4% and 10% by volume of fluoroketone and in addition, a ternary mixture of carbon dioxide.
  • Another characteristic of the object of the invention is to determine the optimum values of capacitance C and inductance L for the resonant circuit 6 of the direct current circuit breaker 5 as a function of the value of the switching current and of the performance of the circuit breaker.
  • circuit breaker 5 according to the invention containing at least 70% by volume of CO2.
  • the Fig. 4 illustrates the evolution of the capacitance C required for the resonant circuit 6 as a function of the value of the direct current to be switched.
  • the current to be switched I increases, it is necessary to increase the value of the capacitance C of the capacitor in order to be able to generate the current instability.
  • this instability can only be maintained and produce the exponentially increasing oscillating current if the inductance of the resonant circuit 6 (including the parasitic inductance of the loop) is less than a limit value.
  • the inductance L in ⁇ H of the resonant circuit 6 remains less than 2700 ⁇ C -0.84 .
  • the inductance L ⁇ H is between 400 ⁇ C -0.84 and 2700 ⁇ C -0.84 .
  • the inductance L of the resonant circuit 6 interacting with the electric arc of the circuit breaker 5 in accordance with the invention must be between 23 ⁇ H and 155 ⁇ H.
  • the resonant circuit LC of the switch produces an oscillating current if the electric arc is in its domain of instability.
  • the border between the domain of stability of the electric arc and its domain of instability results from the interaction between the magnitudes of the resonant LC circuit on the one hand and the intrinsic characteristics of the electric arc on the other hand.
  • the intrinsic characteristics of the electric arc depend on the gaseous medium in which the electric arc develops, the characteristics relating to the resonant circuit interact with those relating to the gaseous medium.
  • An advantage of the invention is that the interrupting performance is achieved due to the fact that the DC circuit breaker comprises a resonant circuit sized as described above, making it possible to take full advantage of the performance of the DC circuit breaker. Since the capacitance of the resonant circuit can be mastered, the cost of such a switch is reduced, the current switching performance is also increased.

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Description

  • La présente invention concerne le domaine technique général des réseaux de transmission à courant continu haute tension (HVDC, acronyme pour en anglais, High Voltage Direct Current) ou à courant continu moyenne tension (MVDC, acronyme pour en anglais, Medium Voltage Direct Current).
  • L'invention vise plus particulièrement, les commutateurs à gaz HVDC ou MVDC interrompant un courant continu dans une ligne d'un réseau de transmission à courant continu haute ou moyenne tension.
  • L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine technique des réseaux à courant continu haute ou moyenne tension afin de pouvoir aiguiller la puissance d'un chemin vers un autre du réseau en cas par exemple de défaillance sur un pôle ou d'opérations de maintenance prolongées sur un pôle du réseau.
  • Dans les réseaux à courant continu, il est connu d'utiliser des commutateurs comportant une branche avec un disjoncteur de courant continu comportant des organes actifs de coupure enfermés dans une enceinte étanche contenant un fluide gazeux. L'état de la technique a proposé de nombreuses solutions techniques pour réaliser un disjoncteur de courant continu à gaz.
  • Par exemple, un disjoncteur connu a été décrit, dans "Journal of Power-Energy Division Conference 1994 of Institute of Electrical Engeeners», n 621, pp. 824-825. Le disjoncteur à courant continu à gaz est placé dans une branche d'une ligne du réseau continu. En parallèle de cette branche contenant ce disjoncteur sont montés d'une part, une branche avec un élément d'absorption d'énergie pour absorber toute surtension, et d'autre part, un circuit résonnant présentant une capacité donnée et une inductance donnée.
  • Le disjoncteur à courant continu est du type à soufflage et comporte des organes actifs de coupure enfermés dans une enceinte étanche contenant un fluide gazeux. Le disjoncteur comporte un contact fixe pour permettre l'écoulement du courant continu et un contact mobile dans un cylindre de soufflage avec une buse diélectrique fixée sur celui-ci. Dans l'état ouvert, un arc électrique est généré entre les contacts lorsqu'une tige de piston intégrée au contact mobile est déplacée par rapport au piston de soufflage fixée sur le contact fixe. Lorsque la tige de piston se déplace, un gaz d'extinction d'arc, typiquement du SF6, contenu à l'intérieur de l'enceinte est comprimé pour être pulvérisé sur l'arc.
  • Dans le cas du courant continu, la pulvérisation simplement de l'arc à courant continu avec le gaz SF6 peut ne pas être suffisante pour interrompre et l'éteindre avec succès en raison du fait que, contrairement au courant alternatif, le courant continu ne traverse pas périodiquement le point zéro de courant.
  • Pour éteindre l'arc, le circuit résonnant qui comporte une inductance et un condensateur est ainsi couplé en parallèle au disjoncteur pour superposer un courant oscillant au courant continu, pour fournir un passage par zéro au disjoncteur. Ceci permet au gaz SF6 comprimé par le piston de soufflage d'être soufflé et pulvérisé contre l'arc forçant son extinction.
  • Compte tenu que les réseaux à courant continu nécessitent des tensions de plus en plus hautes, les commutateurs associés doivent augmenter la performance de commutation en valeur de courant pouvant atteindre jusqu'à 6 000 A. Cette performance de commutation en valeur de courant doit intervenir également pour une grande plage de température de fonctionnement des commutateurs. Typiquement, de tels commutateurs doivent conserver leur performance de commutation en valeur de courant alors que la température de fonctionnement peut atteindre -50°C.
  • Le brevet US 5 737 162 propose de conserver des disjoncteurs à courant continu avec une enceinte étanche standard mais à mettre en série ces disjoncteurs. Cette solution présente l'inconvénient d'une emprise au sol importante et d'un coût élevé.
  • Le brevet EP 0 740 320 propose d'optimiser les valeurs de l'impédance et de la capacité du circuit résonnant en fonction de la valeur d'interruption du courant continu.
  • Il a été proposé également d'utiliser différents types de gaz d'extinction comme indiqué par exemple dans la demande de brevet US 2016/261095 qui propose d'utiliser le dioxyde de carbone en remplacement du SF6 pour l'extinction de l'arc électrique dans un appareil électrique pour la production, le transport, la distribution et / ou l'utilisation d'énergie électrique. Cependant, comme chaque type de gaz utilisé modifie les conditions d'extinction de l'arc électrique, ce document ne donne pas d'enseignement pour sa mise en œuvre dans un disjoncteur à courant continu comportant un circuit résonnant.
  • De même, la demande de brevet US 2011/0175460 décrit un commutateur pour un réseau à courant continu selon le préambule de la revendication 1 comportant un circuit résonnant et des organes actifs de coupure enfermés dans une enceinte contenant du SF6. Pour un tel milieu gazeux SF6, ce document propose de prendre une valeur de la capacité suffisamment grande pour commuter le courant continu, quel que soit le choix de la valeur de l'inductance. Cette solution ne permet pas d'optimiser le dimensionnement du circuit résonnant en tenant compte du critère de stabilité de l'arc électrique qui restreint en pratique la plage d'utilisation de l'inductance L du circuit LC.
  • Dans l'état de la technique, il est également connu par exemple par la demande de brevet FR 2 975 819 d'utiliser un milieu contenant du dioxyde de carbone, comme milieu d'isolation électrique et/ou d'extinction des arcs électriques dans un appareil électrique moyenne ou haute tension. Cette demande de brevet ne fournit pas d'informations sur sa mise en œuvre en relation d'un circuit résonnant.
  • La présente invention vise à remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus en proposant un commutateur pour un réseau à courant continu haute ou moyenne tension, mettant en œuvre un disjoncteur mécanique associé à un circuit d'injection d'un courant oscillant, un tel commutateur étant simple et peu encombrant tout en présentant des hautes performances de commutation en valeur de courant continu pour une grande plage de température de fonctionnement des commutateurs.
  • Pour atteindre un tel objectif, le commutateur pour un réseau à courant continu haute ou moyenne tension, comporte une branche avec un disjoncteur de courant continu comportant des organes actifs de coupure enfermés dans au moins une enceinte étanche contenant un fluide gazeux, cette branche étant insérée dans la ligne du réseau et en parallèle de laquelle sont montés d'une part, une branche avec un élément d'absorption d'énergie, et d'autre part, un circuit résonnant présentant une capacité donnée et une inductance donnée.
  • Selon l'invention, l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu contient un fluide gazeux comportant au moins 70% en volume de dioxyde de carbone à une pression de remplissage comprise entre 0,65 MPa et 1,1 MPa mesurée à une température de 20°C et pour une valeur de capacité C en µF, l'inductance L en µH est inférieure à 2700∗C-0.84.
  • De plus, le commutateur selon l'invention peut contenir en outre en combinaison au moins l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes :
    • pour une valeur de capacité C en µF, l'inductance L en µH est comprise entre 400∗C-0.84 et 2700∗C-0.84 ;
    • un fluide gazeux constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de remplissage comprise entre 0,65 et 1,1 MPa, mesurée à une température de 20°C ;
    • un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et d'hexafluorure de soufre ;
    • entre 20% et 30% en volume d'hexafluorure de soufre ;
    • un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de tetrafluorure de carbone ;
    • entre 20% et 30% en volume de tetrafluorure de carbone ;
    • un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de fluoronitrile ;
    • entre 4% et 10 % en volume de fluoronitrile ;
    • un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de dioxygène ;
    • entre 5% et 15% en volume de dioxygène ;
    • un fluide gazeux constitué d'un mélange ternaire de dioxyde de carbone, de dioxygène et de fluorocétone ;
    • entre 5 % et 15% en volume de dioxygène et entre 4% et 10 % en volume de fluorocétone.
  • Un autre objet de l'invention est de proposer un réseau à courant continu haute ou moyenne tension comportant au moins un commutateur conforme à l'invention.
  • Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention.
    • La Figure 1 est un schéma d'un exemple de réalisation d'un réseau de transmission à courant continu haute ou moyenne tension mettant en œuvre au moins un commutateur à gaz HVDC conforme à l'invention.
    • La Figure 2 est un schéma bloc fonctionnel illustrant un commutateur à gaz HVDC conforme à l'invention.
    • La Figure 3 est un schéma donnant les valeurs de l'inductance L en µH en fonction des valeurs de la capacité C en µF, permettant d'illustrer le dimensionnement du circuit résonnant d'un disjoncteur d'un commutateur à gaz HVDC conforme à l'invention.
    • La Figure 4 est un schéma donnant les valeurs de la capacité C en µF en fonction des valeurs de l'inductance L en µH pour diverses valeurs de courant à commuter permettant d'illustrer la limite de performance en courant dans le plan LC.
    • La Figure 5 est un schéma illustrant à titre d'exemple la géométrie d'une enceinte étanche d'un disjoncteur à courant continu pour la mise en œuvre de l'invention.
    • La Figure 6 est un schéma donnant le ratio de la capacité C (en µF) sur l'inductance L (en µH) pour un courant continu DC normalisé (par unité), en fonction de l'utilisation d'un milieu SF6 et d'un milieu CO2.
  • La Fig. 1 illustre à titre d'exemple un réseau de transmission à courant continu 1 haute ou moyenne tension (HVDC ou MVDC) mettant en œuvre au moins un, et d'une manière générale, plusieurs commutateurs 2i à gaz HVDC ou MVDC conformes à l'invention, interrompant un courant continu dans une ligne du réseau. De manière classique, un tel réseau de transmission à courant continu 1 comporte au moins d'un côté, des convertisseurs 3 de courant alternatif/continu et d'un autre côté, des convertisseurs 4 de courant continu/alternatif. Les convertisseurs 3, 4 de courant ne sont pas décrits en détail car ils ne font pas partie spécifiquement de l'invention et sont bien connus de l'homme du métier.
  • Les commutateurs conformes à l'invention sont désignés par la référence 2i avec i variant de a, b, ... à n. Ces commutateurs 2i conformes à l'invention sont montés entre les convertisseurs 3, 4 et des points du réseau 1 pour permettre d'aiguiller la puissance d'un point du réseau vers un autre. Ces commutateurs 2i permettent par exemple de maintenir un flux de puissance réduit en cas de défaillance sur un pôle ou d'opérations de maintenance prolongées sur un pôle du réseau. Par exemple, un réseau 1 comporte des commutateurs adaptés 2a, 2b conformes à l'invention et des commutateurs de court-circuit 10 pour transférer la puissance depuis le conducteur de terre Ct vers le conducteur métallique aérien Ca. Il est à noter que les commutateurs de court-circuit 10 comportent uniquement une fonction pour court-circuiter un pôle indisponible du convertisseur à la différence des commutateurs 2i conformes à l'invention qui possèdent une capacité de commutation à l'ouverture.
  • Pour transférer cette puissance, le commutateur 2a disposé sur le conducteur de terre Ct qui est initialement fermé, ouvre et commute le courant du conducteur de terre Ct vers le conducteur métallique aérien Ca à travers les commutateurs 2b conformes à l'invention et les commutateurs de court-circuit 10, placés en série entre le conducteur de terre Ct et le conducteur métallique aérien Ca et qui auront été préalablement fermés.
  • Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 2 , un commutateur 2i est placé sur une ligne du réseau 1 parcouru par un courant continu IDC, par exemple entre les points A-A' comme illustré. Chaque commutateur 2i comporte entre, les points A-A', une branche avec un disjoncteur 5 de courant continu de tous types connus en soi constitué de une ou plusieurs enceintes étanches disposées en série, présentant un courant d'arc Iarc et une tension d'arc Uarc.
  • Par disjoncteur de courant continu 5, il est compris un appareil mécanique comportant des organes actifs de coupure enfermés dans une enceinte étanche contenant un fluide gazeux et un système de soufflage de l'arc par le fluide gazeux. Comme cela sera décrit plus précisément dans la suite de la description, le fluide gazeux est choisi pour son caractère isolant, notamment de manière à présenter une rigidité diélectrique supérieure à celle de l'air sec à pression équivalente, pour sa capacité de coupure de courant et sa capacité à fournir une tension d'arc élevée.
  • Un disjoncteur de courant continu 5 est par exemple décrit par la Fig. 5 . De manière classique, le disjoncteur de courant continu 5 comporte dans une enceinte étanche 5a, une paire de contacts d'arc 5b et 5c et une paire de contacts dits « permanents » 5d et 5e qui assurent le passage du courant lorsque le disjoncteur est en position fermée. Les contacts d'arc 5b et 5c ainsi que les contacts permanents se séparent lors de la manœuvre d'ouverture. Lorsque les contacts d'arc 5b et 5c se séparent, l'arc électrique s'établit entre eux et est confiné à l'intérieur de la buse de soufflage 5f. L'arc perdure jusqu'à ce qu'un passage par zéro du courant se présente auquel cas le gaz soufflé par la buse de soufflage 5f permet de remplacer le plasma par un gaz plus frais. Cette action de soufflage au passage par zéro du courant permet d'éteindre l'arc et permet au milieu gazeux compris entre les contacts d'arc 5b et 5c de tenir la tension transitoire de rétablissement imposée par le réseau sans réamorcer et rétablir le courant.
  • En parallèle de cette branche A-A' est monté d'une part, un circuit résonnant 6 non pré chargé et d'autre part, une branche avec un élément d'absorption d'énergie 7. Le circuit résonnant 6 non pré chargé présente en série, une capacité donnée C, une résistance R et une inductance donnée L. Ce circuit résonnant 6 interagit avec la tension d'arc Uarc pour produire un courant oscillant exponentiellement croissant. Ce courant oscillant vient se superposer au courant continu IDC pour fournir un passage à zéro du courant pendant lequel le fluide gazeux est soufflé pour éteindre l'arc.
  • La branche avec l'élément d'absorption d'énergie 7 comporte un dispositif contre les surtensions de tous types connus en soi, tel qu'un parafoudre. Cet élément d'absorption d'énergie 7 est implanté pour permettre de fixer la surtension maximale aux bornes du condensateur C et du disjoncteur 5 et d'absorber l'énergie du réseau après la coupure par le disjoncteur 5.
  • La performance de commutation de ce type de commutateur telle qu'illustrée par la Fig. 4 résulte de l'interaction intime entre l'arc électrique développé entre les contacts d'arc 5b et 5c d'un commutateur 2i et du circuit résonnant LC qui lui est connecté en parallèle. Les caractéristiques de l'arc électrique dépendent essentiellement du milieu dans lequel celui-ci baigne. Ainsi, pour un même circuit résonnant LC parallèle à un commutateur 2i, la limite de performance de commutation du courant continu DC de ce commutateur est fortement influencée par le milieu gazeux dans lequel baigne l'arc électrique. Exprimé d'une autre manière, pour un même courant continu DC commuté visé, si l'on change le milieu gazeux dans lequel baigne l'arc électrique, le circuit résonnant LC parallèle à un commutateur 2i doit être modifié. Le fluide couramment utilisé pour cette application dans l'art antérieur est l'hexafluorure de soufre (SF6).
  • Conformément à l'invention, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux comportant au moins 70% en volume de dioxyde de carbone et présentant une pression de remplissage comprise entre 0,65 MPa et 1,1 MPa mesurée à une température de 20°C. Ainsi, par rapport au volume total du fluide gazeux contenu dans l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5, cette enceinte contient en volume au moins 70% en volume de CO2. Comme cela sera décrit dans les exemples de réalisation décrits ci-après, le fluide gazeux contient exclusivement du CO2 ou un mélange de CO2 avec d'autres composants, le choix de la composition du mélange gazeux dépendant notamment des températures de fonctionnement des commutateurs. La pression est mesurée à une température de 20°C lors du remplissage en fluide gazeux de l'enceinte étanche 5a.
  • La Fig. 6 illustre avantageusement les écarts de performance entre l'utilisation comme milieu gazeux dans l'enceinte étanche du disjoncteur, d'un milieu SF6 classique et d'un milieu gazeux conforme à l'invention comportant du CO2. La Fig. 6 fournit ainsi des relevés d'essais comparatifs entre un milieu SF6 et un milieu conforme à l'invention contenant du CO2. Cette Fig. 6 permet d'illustrer l'impact du changement de milieu gazeux dans une même géométrie de commutateur 2i sur la performance de commutation en courant continu DC et met en avant l'avantage de l'utilisation d'un milieu majoritairement constitué de CO2. Les relevés d'essais indiquent qu'une variation du circuit résonnant LC sur une plage de C/L allant de ∼0,05 à ∼1,1 µF/µH n'a quasiment apporté aucun gain sur la performance de commutation dans le milieu SF6, celle-ci étant fixée en référence à 1 pu. A contrario, l'utilisation du milieu gazeux conforme à l'invention contenant du CO2 montre systématiquement un gain de performance par rapport au milieu SF6. Cette performance est encore améliorée en modifiant le circuit résonnant LC alors que cela n'est pas le cas avec le milieu SF6.
  • Selon une variante préférée de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de remplissage comprise entre 0,65 et 1,1 MPa, mesurée à une température de 20°C. Par exemple, pour des conditions de fonctionnement du commutateur à une température pouvant atteindre -40°C, le fluide gazeux peut être constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de remplissage de 1.1 MPa à 20°C. Pour des conditions de fonctionnement du commutateur à une température pouvant atteindre -50°C, le fluide gazeux peut être constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de remplissage de 0,8 MPa à 20°C.
  • Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et d'hexafluorure de soufre (SF6). L'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient ainsi entre 20% et 30% en volume d'hexafluorure de soufre et en complément, du dioxyde de carbone. Cet exemple de réalisation permet des conditions de fonctionnement du commutateur à une température pouvant atteindre -50°C.
  • Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de tetrafluorure de carbone (CF4). L'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu 5 contient entre 20% et 30% en volume de tetrafluorure de carbone et en complément, du dioxyde de carbone. Cet exemple de réalisation permet des conditions de fonctionnement du commutateur à une température pouvant atteindre -50°C.
  • Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu 5 contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de fluoronitrile (2,3,3,3-tetrafluoro-2-(trifluoromethyl)-propanenitrile). Selon cet exemple, l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu contient entre 4% et 10 % en volume de fluoronitrile et en complément, du dioxyde de carbone.
  • Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de dioxygène. Selon cet exemple, l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu contient entre 5% et 15% en volume de dioxygène et en complément, du dioxyde de carbone.
  • Selon un autre exemple de réalisation, l'enceinte étanche 5a du disjoncteur de courant continu contient un fluide gazeux constitué d'un mélange ternaire de dioxyde de carbone, de dioxygène et de fluorocétone (CnFK). Selon cet exemple, l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu contient entre 5 % et 15% en volume de dioxygène et entre 4% et 10 % en volume de fluorocétone et en complément, un mélange ternaire de dioxyde de carbone.
  • Une autre caractéristique de l'objet de l'invention est de déterminer les valeurs optimales de capacité C et d'inductance L pour le circuit résonnant 6 du disjoncteur à courant continu 5 en fonction de la valeur du courant de commutation et de la performance du disjoncteur 5 conforme à l'invention contenant au moins 70% en volume de CO2. La Fig. 4 , permet d'illustrer l'évolution de la capacité C requise pour le circuit résonnant 6 en fonction de la valeur du courant continu à commuter. Quand le courant à commuter I croît, il est nécessaire d'augmenter la valeur de la capacité C du condensateur afin de pouvoir générer l'instabilité de courant. Par contre, cette instabilité ne peut se maintenir et produire le courant oscillant exponentiellement croissant que si l'inductance du circuit résonnant 6 (y compris l'inductance parasite de la boucle) est inférieure à une valeur limite.
  • Conformément à l'invention, pour une valeur de capacité C en µF du circuit résonnant 6, l'inductance L en µH du circuit résonnant 6 reste inférieure à 2700∗C-0.84. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, pour une valeur de capacité C en µF, l'inductance L µH est comprise entre 400∗C-0.84 et 2700∗C-0.84.
  • Cette relation est illustrée par la Fig. 3 . Par exemple pour une capacité requise de 30 µF, pour être efficace, l'inductance L du circuit résonnant 6 interagissant avec l'arc électrique du disjoncteur 5 conforme à l'invention doit être comprise entre 23 µH et 155 µH.
  • Il ressort de la description qui précède que les caractéristiques relatives au circuit résonnant et celles relatives au fluide gazeux interagissent pour produire un effet technique combiné.
  • En effet, le circuit résonnant LC du commutateur produit un courant oscillant si l'arc électrique est dans son domaine d'instabilité. La frontière entre le domaine de stabilité de l'arc électrique et son domaine d'instabilité résulte de l'interaction entre les grandeurs du circuit LC résonnant d'une part et les caractéristiques intrinsèques de l'arc électrique d'autre part. Or, comme les caractéristiques intrinsèques de l'arc électrique dépendent du milieu gazeux dans lequel se développe l'arc électrique, les caractéristiques relatives au circuit résonnant interagissent avec celles relatives au milieu gazeux.
  • Un avantage de l'invention est que les performances d'interruption sont atteintes du fait que le disjoncteur à courant continu comporte un circuit résonnant dimensionné comme décrit ci-avant, permettant de profiter pleinement de la performance du disjoncteur à courant continu. Compte tenu que la capacité du circuit résonnant peut être maîtrisée, le coût d'un tel commutateur est réduit, la performance de commutation de courant est également augmentée.
  • L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications.

Claims (14)

  1. Commutateur pour un réseau à courant continu haute ou moyenne tension (1), comportant une branche avec un disjoncteur de courant continu (5) comportant des organes actifs de coupure enfermés dans au moins une enceinte étanche (5a) contenant un fluide gazeux, cette branche étant insérée dans la ligne du réseau et en parallèle de laquelle sont montés d'une part, une branche avec un élément d'absorption d'énergie (7), et d'autre part, un circuit résonnant (6) présentant une capacité donnée (C) et une inductance donnée (L), tel que, pour une capacité (C) en µF, l'inductance (L) en µH est inférieure à 2700∗C-0,84, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux comportant au moins 70% en volume de dioxyde de carbone à une pression de remplissage comprise entre 0,65 MPa et 1,1 MPa mesurée à une température de 20°C.
  2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour une valeur de capacité (C) en µF, l'inductance (L) en µH est comprise entre 400∗C-0.84 et 2700∗C-0.84.
  3. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué exclusivement de dioxyde de carbone à une pression de remplissage comprise entre 0,65 et 1,1 MPa, mesurée à une température de 20°C.
  4. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et d'hexafluorure de soufre.
  5. Commutateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 20% et 30% en volume d'hexafluorure de soufre.
  6. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de tetrafluorure de carbone.
  7. Commutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 20% et 30% en volume de tetrafluorure de carbone.
  8. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de fluoronitrile.
  9. Commutateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 4% et 10 % en volume de fluoronitrile.
  10. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange de dioxyde de carbone et de dioxygène.
  11. Commutateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 5% et 15% en volume de dioxygène.
  12. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient un fluide gazeux constitué d'un mélange ternaire de dioxyde de carbone, de dioxygène et de fluorocétone.
  13. Commutateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'enceinte étanche du disjoncteur de courant continu (5) contient entre 5 % et 15% en volume de dioxygène et entre 4% et 10 % en volume de fluorocétone.
  14. Réseau à courant continu haute ou moyenne tension, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un commutateur (2i) conforme à l'une des revendications 1 à 13.
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