FR2684486A1 - High-voltage, alternating-current circuit breaker with LC circuit - Google Patents
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Abstract
Description
DISJONCTEUR A HAUTE TENSION A COURSANT ALTERNATIF A
CIRCUIT LC
La présente invention est relative à un disjoncteur à haute tension susceptible de couper les courants à grande composante continue, que l'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.HIGH VOLTAGE AC CIRCUIT BREAKER A
LC CIRCUIT
The present invention relates to a high-voltage circuit breaker capable of cutting currents with a large direct component, which is encountered in high-voltage alternating networks with series compensation, when certain types of fault appear. The presence of the DC component can result in the current not passing through zero for several periods. It is then difficult to cut the current by the conventional methods of blowing or self-blowing the arc which combine a strong blowing of the arc and a concomitant passage by zero of the amplitude of the current.
Il est connu que la présence, en parallèle sur une chambre de coupure d'un disjoncteur, d'un condensateur de grande capacité en série avec une inductance, produit, à l'ouverture du disjoncteur, des oscillations du courant qui augmentent la tension d'arc, engendrent une instabilité de l'arc et favorisent la décroissance de la composante continue du courant et son passage par zéro. It is known that the presence, in parallel on a breaking chamber of a circuit breaker, of a large capacity capacitor in series with an inductance, produces, at the opening of the circuit breaker, oscillations of the current which increase the voltage d 'arc, generate instability of the arc and favor the decrease of the DC component of the current and its passage through zero.
On pourra se référer à 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.We can refer in this regard to the following documents: 1. "Arc-capacity oscillation and its use for the evaluation of characteristic parameters of electric arcs" by ZENELDIEN A. Mohssen, Thesis of
Doctorate, University of Grenoble, June 5, 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. "The mechanism of resonance between an arc and a capacity" by Y. Pelenc, Symposium "Ionization and plasma in high voltage", 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 1980.3. US Patent No. 4,216,513 "DC Circuit breaker" by Tokuyama et al., August 5, 1980.
Un but de la présente invention est de réaliser un disjoncteur à haute tension mettant en oeuvre les principes ci-dessus, de manière économique, en particulier grâce à un volume réduit du disjoncteur, tout en assurant une grande sûreté de fonctionnement. An object of the present invention is to provide a high voltage circuit breaker implementing the above principles, economically, in particular thanks to a reduced volume of the circuit breaker, while ensuring high operational reliability.
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, caractérisé en ce l'une des chambres de coupure contient en outre à sa partie supérieure dans le gaz diélectrique, un ensemble, comprenant un condensateur en série avec une inductance, connecté en parallèle aux bornes des contacts fixes et des contacts mobiles. The present invention relates to a high voltage circuit breaker comprising at least two interrupting chambers in series, each interrupting chamber comprising a sealed envelope filled with a gas with good dielectric properties in which are placed fixed contacts, movable contacts, means for blowing the arc and members for moving the movable contacts passing through the breaking chamber in leaktight manner and connected outside of the latter to an operating mechanism, characterized in that one of the breaking chambers further contains at its upper part in the dielectric gas, an assembly, comprising a capacitor in series with an inductor, connected in parallel to the terminals of the fixed contacts and of the movable contacts.
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.Advantageously, said capacitor and said inductor are produced in the form of two cylinders arranged adjacent and coaxial to the envelope of the interrupting chamber, said capacitor being arranged above said inductor.
Preferably, said inductance consists of an insulating tube around which a coil is wound, said tube being coaxial with the envelope, said capacitor being disposed inside said tube.
Une varistance est connectée aux bornes de ladite chambre contenant ledit condensateur et ladite inductance, ladite varistance étant placée dans une colonne isolante extérieure à ladite chambre. A varistor is connected to the terminals of said chamber containing said capacitor and said inductor, said varistor being placed in an insulating column outside said chamber.
Les chambres de coupure ne contenant pas ledit condensateur et ladite inductance contiennent une résistance de fermeture et sont dotées d'un condensateur de répartition placé dans une colonne extérieure. The breaking chambers not containing said capacitor and said inductor contain a closing resistor and are provided with a distribution capacitor placed in an external column.
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. According to a characteristic of the invention, said capacitor has a capacity of between 2 and 6 microfarads and said inductance a value of between 1000 and 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 pôle 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 3 est une vue partielle en coupe axiale de la chambre de coupure contenant un ensemble inductance-condensateur, selon un second mode de réalisation.The invention will be better understood from the description of an exemplary embodiment of the invention given by way of illustration and in no way limiting, with reference to the appended drawing in which:
FIG. 1 is a diagram of a pole of a circuit breaker, one of the chambers of which contains an inductance-capacitor assembly,
FIG. 2 is a partial view in axial section of the chamber containing an inductance-capacitor assembly, according to a first embodiment,
- Figure 3 is a partial view in axial section of the switching chamber containing an inductance-capacitor, according to a second embodiment.
L'exemple décrit en référence aux figures 1 à 3 est celui d'un disjoncteur, de tension nomiunale égale à 800 kV, et comportant quatre chambres de coupure en série. The example described with reference to FIGS. 1 to 3 is that of a circuit breaker, of nominal voltage equal to 800 kV, and comprising four interrupting chambers in series.
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 mélangé à de l'azote, sous une pression de quelques hectopascals.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 metal structure F and carrying a control cabin G. All these chambers are sealed and the interior is filled a gas with good dielectric properties such as sulfur hexafluoride, pure or mixed with nitrogen, under a pressure of a few hectopascals.
Les chambres de coupure sont reliées en série, le courant passant par les plaques de connexion supérieures et par les plaques fermant les chambres à leur partie inférieures. The interrupting chambers are connected in series, the current passing through the upper connection plates and through the plates closing the chambers at their lower part.
Chacune des chambres de coupure B, C et D comporte une résistance ( RB, RC et RD) insérée 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. Each of the cut-off chambers B, C and D has a resistor (RB, RC and RD) inserted at the closure of the chamber for a limited period and then short-circuited, in order to reduce the overvoltage during closure. This type of chamber has been described in detail in French patent No. 79 05 2478 filed on March 2, 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. Each of the interrupting chambers B, C and D is provided with a capacitor parallel to its terminals, contained in an insulating envelope. These capacitors are referenced CB, CC and CD.
La chambre de coupure A contient un condensateur 51 et une inductance 52, connectés en série, cet ensemble étant disposé aux bornes des contacts de la chambre. En parallèle aux bornes de la chambre, et placée dans une colonne séparée, est disposée une varistance VA destinée à limiter la surtension aux bornes de la chambre et en particulier aux bornes de l'ensemble inductance-capacité qu'elle contient. The interrupting chamber A contains a capacitor 51 and an inductor 52, connected in series, this assembly being arranged at the terminals of the contacts of the chamber. In parallel to the terminals of the chamber, and placed in a separate column, is placed a varistor VA intended to limit the overvoltage at the terminals of the chamber and in particular at the terminals of the inductance-capacitor assembly which it contains.
On note que le chambre de coupure A n'a pas de condensateur de répartition. It is noted that the breaking chamber A has no distribution capacitor.
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 à 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 amené par une première prise de courant 4 reliée, à l'intérieur de la chambre à un contact principal fixe 6 et à un contact d'arc fixe 7. Ces contacts, constitués de deux cylindres cylindres 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 représentés 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. Figure 2 is a partial view in axial section of the cutting chamber A. It comprises a casing 1 of ceramic or composite material, of cylindrical or substantially cylindrical shape with axis xx, and provided with fins. The volume 2 inside the chamber is filled with gases with good dielectric properties such as sulfur hexafluoride of formula SF6, pure or mixed with nitrogen, under a pressure of a few hectopascals. The current is supplied by a first socket 4 connected, inside the chamber to a fixed main contact 6 and to a fixed arcing contact 7. These contacts, made up of two coaxial metal cylinders cylinders, are maintained by metal arms 5. The fixed contacts cooperate with a movable main contact 12 and a movable arcing contact 14; these movable contacts are integral with a movable structure comprising a metal cylinder 16 connected by sliding contacts not shown to a second outlet not shown. A blowing nozzle 17 and a blowing piston 18 cooperate with the cylinder 16 to produce a blowing of the arc which is established between the arcing contacts 7 and 14 during an opening operation of the circuit breaker.
La chambre de coupure est fermée à sa partie supérieure par un capot métallique 50 relié électriquement à la prise de courant 4. The breaking chamber is closed at its upper part by a metal cover 50 electrically connected to the socket outlet 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". According to the essential characteristic of the invention, the breaking chamber contains an assembly consisting of a capacitor 51 in series with an inductor 54, this assembly being connected in parallel to the terminals of the contacts of the circuit breaker. This set is sometimes called in the following "LC circuit".
Pratiquement, le condensateur et l'inductance sont formés de deux constituants cylindriques, disposés cde manière adjacente et coaxialement, leur axe coïncidant avec l'axe xx de l'enveloppe 1. In practice, the capacitor and the inductance are formed of two cylindrical components, arranged adjacent and coaxially, their axis coinciding with the axis xx of the casing 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. The capacitor 51, preferably formed by means of metal sheets and a paper dielectric, with oil insulation, is contained in a sealed and insulating cylinder 52, closed by two metal flanges 52A and 52B. The flange 52A is in electrical contact with the cover 50 and one of the terminals of the capacitor; the flange 52B, in electrical contact with the other terminal of the capacitor, is mechanically supported by insulating feet 53 placed on the socket 4.
L'inductance 54 est constitué d'une bobine en cuivre 55, constituée de fil de diamètre de l'ordre de 6 mm, enroulée dans les gorges en spirale d'un tube isolant 56. Une extrémité 57 de la bobine 55 est reliée électriquement à une plaque 58 métallique fermant le tube 56, 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. The inductance 54 consists of a copper coil 55, consisting of wire of the order of 6 mm in diameter, wound in the spiral grooves of an insulating tube 56. One end 57 of the coil 55 is electrically connected to a metal plate 58 closing the tube 56, the other end 59 of the inductor being electrically connected to the flange 52B. Arms such as 37 and 38, fixed to the metal plate 58, carry a metal crown 61 provided with contact fingers 62 sliding on the cylinder 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. The LC circuit formed by the capacitor 51 and the winding 55 is therefore permanently connected to the terminals of the contacts 7 and 14 of the breaking chamber.
La figure 3 illustre une variante de réalisation de l'invention. Les éléments communs aux figures 2 et 3 ont reçu les mêmes numéros de référence. FIG. 3 illustrates an alternative embodiment of the invention. The elements common to Figures 2 and 3 have been given the same reference numbers.
Dans ce mode de réalisation, le capot 50 est posé sur une portion isolante 48 munie 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 imprégnées de résine époxy, les ailettes étant réalisées en silicone ou en EPDM. In this embodiment, the cover 50 is placed on an insulating portion 48 provided with fins 49 and surmounting the socket 4. This portion can be made of ceramic or composite, for example glass fibers impregnated with epoxy resin, the fins being made of silicone or EPDM.
L'inductance est disposée coaxialement au condensateur; elle est disposée comme précédemment sur un support isolant 56 qui comporte une saillie intérieure 65 sur laquelle est posée le flasque 51B du condensateur 51. The inductance is arranged coaxially with the capacitor; as before, it is arranged on an insulating support 56 which has an internal projection 65 on which the flange 51B of the capacitor 51 is placed.
Une première extrémité 57 de la bobine 55 est reliée électriquement à la prise 4. L'autre extrémité 59 de la bobine 55 est reliée au capot 50. A first end 57 of the coil 55 is electrically connected to the socket 4. The other end 59 of the coil 55 is connected to the cover 50.
Au flasque 51B est fixé un tube conducteur 66 qui porte les bras 37 et 38. The flange 51B is attached a conductive tube 66 which carries the arms 37 and 38.
Le fonctionnement du disjoncteur est le suivant:
- en position ouverte, grâce à la grande capacité du condensateur 51, il n'y a pratiquement pas de tension aux bornes de la chambre de coupure A.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 terminals of the breaking chamber A.
- lors de la coupure d'un défaut à grande composante continue, les quatre chambres de coupure s'ouvrent en 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'où un amortissement rapide de la composante continue. Au passage par zéro du courant de défaut, les trois chambres B, C et D interrompent le courant et supportent la totalité de la tension de rétablissement.- when a fault with a large DC component is interrupted, the four interrupting chambers open at the same time. The arc in room A, thanks to the circuit
LC, quickly becomes unstable and it is crossed by an oscillating current whose frequency depends on the values of L and C. For a capacity of 2 microfarads and an inductance of 500 microhenrys, the current oscillation frequency will be 5000 Hz. characteristic of negative dynamic resistance of the arc allows a rapid amplification of the oscillating current thus causing an increase in the arc voltage, hence a rapid damping of the DC component. When the fault current crosses zero, the three chambers B, C and D interrupt the current and support the entire recovery voltage.
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 à 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'excède pas 300 millimètres. Ces valeurs réduites sont rendues possibles en raison du fait que le condensateur et l'inductance sont placés à l'intérieur de la chambre de coupure, dans le gaz diélectrique. Plus généralament, 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. It will be noted that the values indicated above for the capacity and the inductance are compatible with the dimensions of the enclosures of the breaking chambers usually used for high-voltage circuit breakers: it is indeed possible to produce a capacity of 4 microfarads and an inductance 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 breaking chamber, in the dielectric gas. More generally, the capacity of the capacitor 51 may be between 2 and 6 microfarads and the value of the inductance 54 between 1000 and 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 de 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. In the event of a symmetrical fault cut-off, the oscillation of the current in chamber A can slightly influence the cut-off time, for example by advancing the cut-off time. On the other hand, the amplitude of this current, of the order of a thousand amps, remains small compared to that of the short-circuit current.
A la fermeture du disjoncteur, une tension trop élevée aux bornes du circuit LC sera évitée grâce à la présence de la varistance VA (Fig. 1), qui, en fonctionnement, laisse passer le courant provenant des résistances de fermeture RB, RC et RD. When the circuit breaker closes, too high a voltage across the LC circuit will be avoided thanks to the presence of the VA varistor (Fig. 1), which, in operation, lets current flow from the closing resistors RB, RC and 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 à une valeur inférieure à 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. To reduce the energy of the VA varistor, it is useful to ensure that the chamber A is closed 7 to 8 milliseconds before the other interrupting chambers are closed. This can be easily achieved either by setting the opening distance of chamber A to a value lower than that of the other interrupting chambers, while keeping the same switching on and off speeds for the four chambers, or by advancing the order to maneuver to close room A, either by delaying the order to maneuver rooms B, C and 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 pratiquement pas de tension permanente aux bornes de la varistance VA, son enveloppe sera de préférence en matériau composite, par exemple à base de fibres de verre imprégnées d'époxy protégées par des ailettes en silicone ou en EPDM. The VA varistor, made for example from a material based on zinc oxide, also makes it possible to avoid overvoltages in the event of a low current cut. As there is practically no permanent voltage across the terminals of the VA varistor, its envelope will preferably be made of a composite material, for example based on glass fibers impregnated with epoxy protected by silicone or EPDM fins.
L'enveloppe peut être moulée directement sur les éléments de varistance. The envelope can be molded directly on the varistor elements.
De la même manière, l'enveloppe 1 de la chambre
A peut être réalisée en matériau composite.In the same way, the envelope 1 of the chamber
A can be made of composite material.
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.As the total voltage applied to the chamber
A does not exceed twenty kilovolts, the insulating envelope of the chamber may be of short length.
L'exemple décrit plus haut n'est pas limitatif. The example described above is not limiting.
L'invention s'applique aux disjoncteurs de toutes tensions de type conventionnel ou de type à cuve à la masse. The invention applies to circuit breakers of all voltages of the conventional type or of the tank-to-ground type.
Claims (6)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2083900A1 (en) | 1993-05-30 |
| FR2684486B1 (en) | 1994-01-07 |
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