FR2688934A1 - Disjoncteur rapide pour limiteur de courant supraconducteur. - Google Patents

Abstract

Disjoncteur ultrarapide destiné à être relié en série avec un limiteur de courant supraconducteur, le disjoncteur étant fermé lorsqu'un transition de l'état supraconducteur à l'état normal est détecté dans le limiteur, caractérisé en ce qu'il comprend en parallèle sur ses bornes (33, 43) un circuit constitué par une inductance (26) et une capacité en série (27), les valeurs de ces composants étant choisies pour provoquer, à l'ouverture de la chambre de coupure, un courant oscillatoire, le disjoncteur comportant une enceinte (30) remplie de gaz sous pression délimitant lorsque le disjoncteur est enclenché, un volume fermé étanche vis à vis du volume de l'enceinte et soumis à une pression notablement plus faible que celle de l'enceinte, le contact mobile du disjoncteur étant associé à un mécanisme à mouvement brusque permettant, sur ordre donné par la transition, de permettre la mise dudit volume à la pression de ladite enceinte qui provoque l'entraînement à grande vitesse du contact mobile.

Description

DISJONCTEUR RAPIDE POUR LIMITEUR DE COURANT SUPRACONDUCTEUR
La présente invention est relative à un disjoncteur rapide destiné à être utilisé en série avec un limiteur de courant supraconducteur.

Les limiteurs à supraconducteur ont déjà été décrits, par exemple dans la demande de brevet européen déposée le 2 décembre 1986. Un limiteur à supraconducteur comprend au moins un bobinage supraconducteur qui, en fonctionnement normal, est parcouru par le courant nominal, et est alors à l'état supraconducteur, c'est-à-dire qu'il présente une résistance nulle. En cas de défaut, se traduisant par une surintensité, le courant traversant le bobinage supraconducteur dépasse la valeur critique, de sorte que l'état supraconducteur disparaît et que le bobinage présente brusquement une résistance ohmique importante. Il en résulte une limitation immédiate du courant qui décroît jusqu'à une valeur résiduelle. C'est cette valeur résiduelle que le disjoncteur rapide doit couper.

Il importe que ce courant soit coupé rapidement, par exemple au plus en cinq ou six millisecondes pour les raisons qui sont expliquées maintenant.

Dans le rapport "Towards the superconducting fault current limiter" ( Référence: IEEE Transactions on Power
Delivery, Avril 1990, volume 6, N"2, pages 801-808), il a été signalé que lors de la transition (passage de l'état supraconducteur à l'état normal), il y a des pertes cryogéniques dues aux pertes Joule.

Cette transition entraîne pour le fil supraconducteur:
- un échauffement qui peut être dangereux s'il dépasse une certaine valeur,
- une vaporisation du fluide cryogénique qui peut diminuer la tenue diélectrique entre spires du bobinage.

Plus le courant après la transition est élevé, plus les pertes cryogéniques sont importantes.

Plus la durée de ce courant est longue, plus les pertes cryogéniques sont élevées.

C'est pour ces raisons que les auteurs du rapport ont insisté sur l'utilisation d'un disjoncteur rapide en série avec le bobinage supraconducteur pour interrompre rapidement le courant résiduel.

En haute tension, étant donné la valeur élevée du courant traversant le fil supraconducteur après la transition, il faut que le disjoncteur rapide ait une durée de coupure aussi courte que possible.

Pour réduire cette durée, il faut raccourcir à la fois le temps mécanique d'ouverture du disjoncteur et sa durée d'arc.

Pour comprendre comment, selon l'invention, on réduit la durée d'arc du disjoncteur, il convient d'examiner d'abord l'oscillogramme d'un défaut symétrique reproduit dans la figure 1 du dessin.

Dans la figure 1, dans laquelle le temps t est porté en abscisse, la courbe 1 représente la tension source, la courbe 2 le courant de court-circuit qui circulerait en l'absence de bobinage supraconducteur, et la courbe 3 le courant limité par le bobinage supraconducteur. Le défaut est censé se produire à l'instant correspondant au point M (au milieu de l'alternance de tension) et la transition se produire à l'instant correspondant au point M', très voisin de M. Si le disjoncteur s'ouvre à l'instant correspondant au point S situé avant le premier passage par zéro du courant en N ce qui correspond à un temps d'ouveture de 2 millisecondes, l'arc pourra être éteint en N . Si le disjoncteur s'ouvre en N (temps d'ouverture voisin de 5 ms), l'arc ne pourra être éteint qu'au second passage par zéro du courant situé en Q. Pour interrompre le courant à un instant T compris entre les points N et Q, il faut créer un passage artificiel du courant par zéro.

Considérons maintenant la figure 2 qui représente l'oscillogramme d'un défaut asymétrique (défaut à l'instant zéro de la tension source). Les notations sont les mêmes que dans la figure 1. Si le disjoncteur s'ouvre à l'instant S (temps d'ouverture voisin de 2 ms) ou à l'instant S' (temps d'ouverture voisin de 5 ms), il interrompt dans les deux cas le courant en N.

Un premier but de l'invention est de doter un disjoncteur de moyens pour réduire la durée de l'arc après l'ouverture, en créant un zéro artificiel du courant.

Un deuxième but de l'invention est de doter le disjoncteur d'un organe de manoeuvre permettant de réduire le temps de manoeuvre mécanique.

Ces deux buts sont atteints par l'invention qui a pour objet un disjoncteur ultrarapide destiné à être relié en série avec un limiteur de courant supraconducteur, le disjoncteur étant fermé lorsqu'une transition de l'état supraconducteur à l'état normal est détecté dans le limiteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre de coupure comportant en parallèle sur ses bornes un circuit constitué par une inductance et une capacité en série, les valeurs de ces composants étant choisies pour provoquer, à l'ouverture de la chambre de coupure, un courant oscillatoire d'amplitude au moins égale à celle du courant traversant le limiteur après la transition, le disjoncteur comportant une enceinte remplie de gaz sous pression et comprenant des contacts fixe et mobile délimitant lorsque le disjoncteur est enclenché, un volume fermé étanche vis à vis du volume de l'enceinte et soumis à une pression notablement plus faible que celle de l'enceinte, le contact mobile du disjoncteur étant associé à un mécanisme à mouvement brusque permettant, sur ordre donné par l'apparition de la transition, de séparer suffisamment lesdits contacts pour permettre la mise dudit volume à la pression de ladite enceinte qui provoque l'entraînement à grande vitesse du contact mobile.

Dans un mode particulier de réalisation, l'intérieur du contact fixe et l'intérieur du contact mobile sont reliés respectivement par un premier et un second conduits traversant l'enceinte de manière étanche, à un réservoir dont l'intérieur est maintenu à une pression plus faible que celle de l'enceinte au moyen d'un compresseur.

Les contacts sont munis d'une couronne en matériau souple coopérant avec une saillie circulaire portée par l'autre contact pour assurer l'étanchéité des volumes intérieurs aux contacts lorsque le disjoncteur est en position enclenchée.

Le contact mobile est associé à un contact d'arc semimobile sur lequel le courant est commuté à la séparation dudit contact fixe et dudit contact mobile (60).

Dans un mode particulier de réalisation, ledit mécanisme à mouvement brusque comprend une plaque métallique solidaire de la tringle de commande reliée au contact mobile du disjoncteur et une bobine plate fixe placée, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, contre ladite plaque métallique, ladite bobine étant alimentée par la décharge d'un condensateur, la décharge étant commandée par le dispositif de détection de transition.

De préférence, le gaz de l'enceinte est un mélange d'hexafluorure de soufre sous une pression partielle comprise entre 3 et 6 hectopascals, et d'azote sous une pression partielle comprise entre 8 et 12 hectopascals, la pression à l'intérieur du réservoir étant maintenue, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, voisine de 1 hectopascal.

Pour obtenir le passage à zéro du courant au moment désiré, la valeur de l'inductance est de quelques centaines de microhenrys, la valeur de la capacité associée étant de quelques microfarads.

L'invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après d'un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 est un oscillogramme d'un défaut symétrique,
- la figure 2 est un oscillogramme d'un défaut asymétrique,
- la figure 3 est un schéma électrique d'une ligne équipée d'un limiteur supraconducteur associé à un disjoncteur rapide selon l'invention,
- la figure 4 est un diagramme de fonctionnement du disjoncteur rapide de l'invention,
- la figure 5 est une vue agrandie d'une partie de la figure 4,
- la figure 6 est une vue en élévation en coupe transversale d'une chambre de coupure du disjoncteur rapide selon l'invention,
- la figure 7 est une vue agrandie d'une partie de la figure 6,
- la figure 8 est un schéma d'une commande pour la manoeuvre de la chambre de coupure de la figure 6.

Les figures 1 et 2 ont montré qu'il est nécessaire de créer un zéro artificiel du courant pour réduire la durée d'arc après l'ouverture du disjoncteur.

On se référera à la figure 3 dans laquelle la référence 10 désigne un limiteur de courant supraconducteur en série avec le disjoncteur A de l'invention, pour la protection d'une ligne 100 à haute tension,alimentée par le générateur G et le transformateur T.

Le limiteur supraconducteur 10 comporte deux bobines supraconductrices 12 et 13 agencées pour présenter une faible inductance en fonctionnement normal (par exemple elles sont bobinées en sens inverse et/ou associées à un circuit magnétique).

Les bobines 12 et 13 sont placées dans un cryostat 14 contenant un fluide cryogénique 15.

Le limiteur est reliée à la ligne 100 par des traversées 16 et 17.

Le disjoncteur A comprend par exemple 3 chambres de coupure identiques 20, 21 et 22 manoeuvrées par des commandes respectives 23, 24 et 25 déclenchées sous l'action d'un signal provenant d'un détecteur de défaut 18 et acheminé par une liaison 19, de préférence à fibres optiques.

La chambre 20 comporte à ses bornes une inductance 26 en série avec une capacité 27. Les chambres 21 et 22 sont équipées d'une capacité de répartition , respectivement 28 et 29.

Les valeurs des éléments 26 et 27 sont déterminées pour créer un courant oscillatoire d'amplitude au moins égale à celle du courant circulant après la transition, c'est-à-dire de l'ordre d'un millier d'ampères. La fréquence de ce courant est de quelques milliers de hertz.

Pour ces valeurs de courant et de fréquence, l'inductance sera de quelques centaines de microhenrys et la capacité de plusieurs microfarads.

Ces valeurs, relativement faibles, permettent de placer l'inductance et la capacité à l'intérieur de la chambre de coupure.

Le fonctionnement du disjoncteur est décrit maintenant, en référence à la figure 4 qui est un diagramme dans lequel:
- la courbe 1 représente la tension source,
- la courbe 2 représente le courant de court-circuit inhérent ou prospectif,
- la courbe 3 représente le courant transité,
- la courbe 4 représente le courant oscillatoire,
- la courbe 5 représente le courant limité traversant l'inductance 26 et la capacité 27 (circuit LC),
- la courbe 6 représente le courant sans le circuit
LC;
La figure 5 est une vue agrandie d'une partie de la figure 4.

Lors d'un défaut sur la ligne, le courant de courtcircuit 2 commence à monter très rapidement à partir du point M. En un temps inférieur à la milliseconde, les deux bobines 12 et 13 transitent pour devenir très résisitives, réduisant le courant de court-circuit 2 à une valeur relativement faible (inférieure ou égale à 1 kA par exemple).

A l'instant de la transition, détectée par l'organe 18, un ordre d'ouverture est immédiatement donné au disjoncteur A par l'intermédiaire de la liaison 19 et des organes de manoeuvre 23 à 25. Le temps de détection de transition est inférieur à 0,1 ms.

Supposons par exemple que le disjoncteur s'ouvre en 5 ms, c'est-à-dire à l'instant correspondant au point N de la figure 4; en une ou deux millisecondes, l'arc entre les contacts de la chambre 20 crée, grâce à l'inductance 26 et à la capacité 27 (circuit LC) , un courant opposé d'amplitude de l'ordre d'un millier d'ampères, annulant ainsi, à l'instant correspondant au point P, le courant traversant la chambre 20.

Ce passage par zéro du courant permet d'interrompre le courant traversant les contacts de la chambre 20 et commute alors le courant dans le circuit LC. Ce courant, sous l'effet du circuit LC se réduit en amplitude et en durée et passe rapidement à zéro à l'instant correspondant au point
T. Il est interrompu définivement alors en T par les chambres 21 et 22. La réduction de courant transité est de l'ordre de 50% en amplitude et en durée, soit une réduction d'énergie de 8 fois (durée NT au lieu de NQ, cas sans circuit LC).

Pendant la durée NT, le condensateur 27 se charge et atteint la tension de la source en T.

On a vu comment la présence d'un circuit LC permet de réduire la durée d'arc et par suite, limiter l'échauffement des bobines supraconductrices.

On va voir maintenant par quel mécanisme les chambres de coupure peuvent être actionnées avec des temps de manoeuvre très court.

Pour cela, le disjoncteur est équipé d'une commande à très grande accélération.

Dans la figure 6, qui représente en coupe transversale la chambre de coupure 20, la référence 30 désigne une enveloppe métallique étanche, remplie de gaz à bonnes propriétés diélectriques, sous pression. Ce gaz est avantageusement un mélange d'hexafluorure de soufre SF6 sous une pression partielle de 5 hectopascals (plus généralement de 3 à 6 hectopascals) et d'azote sous une pression partielle de 10 hectopascals (plus généralement de 7 à 12 hectopascals). Un dispositif de chauffage non représenté peut être prévu pour éviter la liquéfaction du gaz SF6 lors des grands froids.

L'enveloppe est munie de deux viroles 31 et 41 sur lesquelles sont fixées de manière étanches des traversées isolantes comprenant chacune une colonne isolante et un conducteur maintenu par un cône isolant. Les colonnes isolantes sont référencées respectivement 32 et 42, les conducteurs 33 et 43 et les cônes supports 34 et 44. Ces traversées constituent les bornes électriques d'entrée et de sortie de la chambre de coupure.

Le conducteur 33 est relié électriquement à un contact fixe 50 du disjoncteur alors que le conducteur 44 est relié à un contact principal mobile 60 de la chambre de coupure.

Le contact fixe 50 est un tube fermé à une extrémité où il est fixé au réservoir par une pièce isolante 51.

L'autre extrémité du tube porte (voir figure 7) une première couronne de contact 52, de préférence en cuivre argenté, pour le passage du courant permanent, une seconde couronne de contact 53, de préférence en alliage à base de tungstène, pour coopérer avec le contact d'arc mobile, et une couronne 54, par exemple en élastomère pour assurer, en coopérant avec une saillie circulaire du contact permanent mobile, l'étanchéité entre l'intérieur des contacts fixe et mobile et l'extérieur de ceux-ci lorsque le disjoncteur est en position enclenchée. Le tube 50 possède une ouverture 55 faisant communiquer l'intérieur du tube avec un réservoir 56 extérieur à l'enveloppe 30, par un conduit 57 traversant de manière étanche la paroi de l'enveloppe 30. Le tube 50 repose sur le fond de l'enveloppe 30 par le moyen de pieds isolants 58.

L'ensemble mobile comprend, comme on l'a déja indiqué, un contact principal mobile 60 relié à une tige de commande 61 en matériau isolant; le contact principal est un tube comprenant, à l'extrémité opposée à la tige isolante 61, un contact 62 en cuivre argenté coopérant avec le contact 52 pour le passage du courant permanent, et une saillie circulaire 60A coopérant avec la couronne 64 pour assurer une étanchéité qui sera explicitée plus loin.

Au contact pricipal mobile 60 est associé un contact d'arc semi-mobile, constitué par un tube 63 coaxial au tube 60 et poussé par un ressort 64 engagé entre un épaulement (ou saillie) 60A du tube 60 et un épaulement 63A du tube 63.

Le tube 63 est terminé par un contact 63B en matériau résistant aux effets de l'arc, de préférence en alliage au tunstène, coopérant avec le contact d'arc fixe 53.

Lorsque le disjoncteur est en position fermée, comme le montre la figure 7, il existe un intervalle de largeur e entre un épaulement 60B du tube 60 et un épaulement 63C du tube 63, de telle sorte que, lors d'une ouverture du disjoncteur par déplacement du tube 60 vers la droite de la figure, les contacts d'argent 52 et 62 se séparent en premier, le courant commutant alors sur les contacts d'arc en tungsténe 53 et 63B.

Le tube 60 est relié électriquement au conducteur 43 par des contacts glissants 64A portés par une pièce tubulaire 65 munie de joints d'étanchéité 66 assurant l'étanchéité entre liintérieur et l'extérieur du tube 60; ce dernier est fermé du côté opposé aux contacts 62 et 63B par une pièce 61A solidaire de la tige de manoeuvre 61 ou faisant partie de cette tige.

Le contact électrique entre le tube 60 et le tube 63 est assuré par des contacts glissants 67.

La pièce tubulaire repose sur le fond de l'enveloppe 30 par des pieds isolants 70; des joints assurent l'étanchéité entre la pièce 65 et la pièce 70 et entre la pièce 65 et le tube 60.

Le tube 60 est muni d'un trou 68 permettant de faire communiquer l'intérieur du tube avec un tube isolant 72 communiquant avec le réservoir 56 en traversant la paroi de l'enveloppe 30 de manière étanche.

Le tube 63 est muni d'un trou 69 disposé sensiblement au droit du trou 68.

Lorsque la chambre de coupure est en position enclenchée (figure 6), l'espace délimité par l'intérieur des tubes 50, 63 et 60, les conduits 57 et 72 et le réservoir 56, est complètement isolé du volume extérieur, grâce aux divers joints d'étanchéité et en particulier à la couronne 54 coopérant avec la saillie 60A. Un compresseur 80, disposé entre le réservoir 56 et l'enveloppe 30, permet de maintenir à l'intérieur du réservoir 56, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, une pression faible, par exemple de l'ordre de 1 hectopascal.

On notera la présence, à l'intérieur de l'enveloppe 30, de l'inductance 26 et de la capacité 27, connectées en série entre les bornes 33 et 43 de la chambre de coupure.

L'ouverture de la chambre de coupure s'opère comme suit:
à l'ordre de déclenchement, la tige de manoeuvre est brusquement déplacée vers la droite de la figure. La couronne 54 et la saillie 60A se séparent, de même que les contacts 52 et 62, ce qui entraîne l'afflux du gaz sous pression de 15 hectopascals de l'enveloppe à l'intérieur du volume des contacts 60 et 63; le courant commute alors sur les contacts 53 et 63B en alliage de tungstène; le tube 60 entraîne dans son trajet après une course e le tube 63 de sorte que les contacts 53 et 63B se séparent pour interrompre le courant par un bon soufflage de gaz. Après une certaine corse, la distance d'isolement est atteinte.

A la refermeture, le compresseur est mis en route pour ramener la pression à l'intérieur des tubes de contact à la valeur initiale de l'ordre de 1 hectopascal.

On notera que la refermeture peut être effectuée par une comande classique, par exemple mécanique, hydraulique ou pneumatique ou combinant une de ces techniques.

La commande de l'ouverture, qui doit être très rapide, mais qui ne nécessite qu'une course faible, seulement suffisante pour séparer les éléments 54 et 60A, peut être réalisée au moyen du dispositif représenté dans la figure 8.

Sur la tige de manoeuvre 61 est fixée une plaque métallique 90. Une bobine 91, plate, fixe est disposée, parallèlement à la plaque métallique 90, contre celle-ci en position fermée. La bobine est reliée à un circuit comprenant un condensateur 92 chargé par une batterie 93 en série avec l'interrupteur 95 d'un relais 96 recevant ses ordres de la liaison 19 (voir figure 1).

A la fermeture de l'interrupteur 95, la décharge du condensateur dans la bobine provoque l'apparition, dans la plaque 61, de courant induit engendrant une force de répulsion brusque et importante, provoquant un mouvement de la tige 61 d'amplitude suffisante pour provoquer la séparation des éléments d'étanchéité 54 et 60A; la pression de 15 hectopascals s'établissant à l'intérieur des tubes 6063 produit le déplacement rapide de la tige 61 et l'ouverture du disjoncteur.

A titre d'exemple, on peut estimer que la détection de la transition s'effectue en 50 microsecondes, que l'ouverture des contacts s'effectue environ 500 microsecondes plus tard, et que la distance d'isolement est atteinte environ 1400 microsecondes plus tard; de la sorte, l'ouverture du disjoncteur s'effectue en 2000 microcesondes environ, soit 2 millisecondes.

Après un enclenchement, le compresseur est mis en route pour ramener la pression à l'intérieur du volume délimité par les contacts 50, 60-63 à une pression voisine de 1 hectopascal.

Bien entendu, le dispositif de déplacement rapide de la tige pour permettre la rupture brusque de l'étanchéité n'a été donnée qu'à titre d'exemple.

Le disjoncteur rapide de l'invention trouve application dans les dispositifs de coupure à haute tension comprenant des limiteurs de courant, en particulier du type à bobines supraconductrices.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1/ Disjoncteur ultrarapide destiné à être relié en série avec un limiteur de courant supraconducteur, le disjoncteur étant fermé lorsqu'une transition de l'état supra conducteur à l'état normal est détecté dans le limiteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre de coupure (20) comportant en parallèle sur ses bornes (33, 43) un circuit constitué par une inductance (26) et une capacité en série (27), les valeurs de ces composants étant choisies pour provoquer, à l'ouverture de la chambre de coupure, un courant oscillatoire d'amplitude au moins égale à celle du courant traversant le limiteur après la transition, le disjoncteur comportant une enceinte (30) remplie de gaz sous pression et comprenant des contacts fixe (50) et mobile (60, 63) délimitant lorsque le disjoncteur est enclenché, un volume fermé étanche vis à vis du volume de l'enceinte et soumis à une pression notablement plus faible que celle de l'enceinte, le contact mobile du disjoncteur étant associé à un mécanisme à mouvement brusque permettant, sur ordre donné par l'apparition de la transition, de séparer suffisamment lesdits contacts pour permettre la mise dudit volume à la pression de ladite enceinte qui provoque l'entraînement à grande vitesse du contact mobile.

2/ Disjoncteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intérieur du contact fixe (50) et l'intérieur du contact mobile (60) sont reliés respectivement par un premier (57) et un second (72) conduits traversant l'enceinte (30) de manière étanche, à un réservoir (56) dont l'intérieur est maintenu à une pression plus faible que celle de l'enceinte au moyen d'un compresseur (80).

3/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que l'un (50) des contacts est muni d'une couronne (54) en matériau souple coopérant avec une sailie circulaire (60A) portée par l'autre contact pour assurer l'étanchéité des volumes intérieurs aux contacts lorsque le disjoncteur est en position enclenchée.

4/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le contact mobile (60) est associé à un contact d'arc semi-mobile (63, 63B) sur lequel le courant est commuté à la séparation dudit contact fixe (50) et dudit contact mobile (60).

5/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit mécanisme à mouvement brusque comprend une plaque métallique (90) solidaire de la tringle de commande (61) reliée au contact mobile du disjoncteur et une bobine plate fixe (91) placée, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, contre ladite plaque métallique (90), ladite bobine étant alimentée par la décharge d'un condensateur (92), la décharge étant commandée par le dispositif de détection de transition (18).

6/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz de l'enceinte est un mélange d'hexafluorure de soufre sous une pression partielle comprise entre 3 et 6 hectopascals, et d'azote sous une pression partielle comprise entre 8 et 12 hectopascals, la pression à ltintérieur du réservoir (56) étant maintenue, lorsque le disjoncteur est en position enclenchée, voisine de 1 hectopascal.

7/ Disjoncteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la valeur de l'inductance (26) est de quelques centaines de microhenrys, la valeur de la capacité associée (27) étant de quelques microfarads.