FR3062249A1 - Composant de conduction attenuant des surtensions tres rapides pour poste electrique de tres haute tension - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un composant de conduction (21) atténuant des surtensions très rapides pour poste électrique de très haute tension, comprenant une barre métallique creuse (25) usinée sur une portion (27) en forme de solénoïde, caractérisé en ce que la portion (27) en forme de solénoïde présente une inductance supérieure à 3µH, en ce qu'il comprend en outre une première (29) et une deuxième (31) électrodes radiales par rapport à l'axe (33) de la barre métallique creuse (25), reliées électriquement à la barre métallique creuse (25) et définissant un espace interne (35) et en ce qu'un élément (37) formant à la fois capacitance et résistance est disposé dans l'espace interne (35) et relié aux deux électrodes (29, 31).
Description
@ Titulaire(s) : SUPERGRID INSTITUTE Société actions simplifiée.
par
O Demande(s) d’extension :
® Mandataire(s) : INNOVATION COMPETENCE GROUP.
® COMPOSANT DE CONDUCTION ATTENUANT DES SURTENSIONS TRES RAPIDES POUR POSTE ELECTRIQUE DE TRES HAUTE TENSION.
FR 3 062 249 - A1 (57) L'invention concerne un composant de conduction (21 ) atténuant des surtensions très rapides pour poste électrique de très haute tension, comprenant une barre métallique creuse (25) usinée sur une portion (27) en forme de solénoïde, caractérisé en ce que la portion (27) en forme de solénoïde présente une inductance supérieure à 3μΗ, en ce qu'il comprend en outre une première (29) et une deuxième (31) électrodes radiales par rapport à l'axe (33) de la barre métallique creuse (25), reliées électriquement à la barre métallique creuse (25) et définissant un espace interne (35) et en ce qu'un élément (37) formant à la fois capacitance et résistance est disposé dans l'espace interne (35) et relié aux deux électrodes (29, 31).
Composant de conduction atténuant des surtensions très rapides pour poste électrique de très haute tension
La présente invention concerne un composant de conduction atténuant des surtensions très rapides pour poste électrique de très haute tension et plus spécifiquement les surtensions très rapides provoquées par les manœuvres des sectionneurs du poste électrique.
Un poste électrique très haute tension sert à relier, par exemple dans le cas d'une centrale de production d'électricité ou d’une station source, les différentes cellules de départ vers les lignes ou les câbles de transport depuis les transformateurs élévateurs de tension connectés aux générateurs, ces cellules comprenant en général un disjoncteur associé à un ou plusieurs sectionneurs.
Un phénomène bien connu dans ce type de poste est celui du claquage qui se produit lors de l'ouverture de la fermeture de ces appareils de commutation. Ce phénomène est dû aux amorçages successifs de l'arc électrique qui s'étire entre les contacts d'un appareil de commutation du type sectionneur, lors de la fermeture ou de l'ouverture de celui-ci. Ces amorçages provoquent l'apparition de fronts raides ou pics de tension qui se propagent sur le jeu de barres à très hautes fréquences, de l'ordre de 1 à plusieurs dizaines de MHz, avec une amplitude atteignant 1 à 2 fois l'unité de tension.
Ces fronts raides à très hautes fréquences sont dommageables pour les isolations des transformateurs reliés au jeu de barres.
Différentes solutions ont été proposées dont l'idée de base est de créer des obstacles sur le chemin de propagation de ces fronts raides aptes à les bloquer, ou à les amortir, ou encore à les dériver, de façon à protéger les isolations des transformateurs.
Ainsi le document EP 1001504 propose une barre de conduction électrique de type blindé pour poste électrique haute tension, constituée d'un conducteur disposé dans une enveloppe métallique remplie d'un gaz diélectrique. Le conducteur comprend au moins un tronçon usiné en forme de solénoïde.
Le document EP2747094 propose rutilisation d’un parafoudre connecté en parallèle avec une bobine pour former un circuit atténuateur.
Le document EP 2549604 décrit un résonateur du type RLC où l’inductance et la capacitance sont formées par une cavité résonnante disposée coaxialement par rapport à un conducteur central. Une résistance du type parafoudre, par exemple en oxyde de métal, est disposée entre le conducteur central et la partie flottante du résonateur.
Ces solutions sont dimensionnées pour des tensions d’environ 245kV, mais s’avèrent complètement inadaptées pour les très hautes tensions par exemple d’environ 800kV, car généralement trop lent en temps de réponse.
De plus, ces solutions, souvent encombrantes, sont généralement installées dans un sectionneur à isolation gazeuse [« Gas Insulated Switchgear » (GIS) en anglais] qui est rempli d’un gaz isolant comme par exemple du SF6 et nécessitent une manutention régulière. Par conséquent, elles augmentent la taille du sectionneur et de ce fait la quantité de gaz isolant nécessaire pour remplir le compartiment du sectionneur.
Le but de l'invention est de proposer une solution adaptée en particulier pour les très hautes tensions, c’est-à-dire supérieures à 500kV, notamment autour de 800kV évitant l’augmentation de la taille des sectionneurs auxdites tensions.
Selon un autre objectif indépendant, on vise un composant de conduction qui puisse être installé en dehors du compartiment du sectionneur pour notamment faciliter la manutention en cas de besoin et ainsi éviter l’arrêt du sectionneur. En effet, une installation à l’extérieur du compartiment du sectionneur permet de maintenir l’encombrement des sectionneurs au niveau actuellement pratiqué.
Plus particulièrement, l'invention a pour objet un composant de conduction atténuant des surtensions très rapides pour poste électrique de très haute tension, comprenant une barre métallique creuse usinée sur une portion en forme de solénoïde, caractérisé en ce que la portion en forme de solénoïde présente une inductance supérieure à 3pH, en ce qu’il comprend en outre une première et une deuxième électrodes radiales par rapport à l’axe de la barre métallique creuse, reliées électriquement à la barre métallique creuse et définissant un espace interne et en ce qu’un élément formant à la fois capacitance et résistance est disposé dans l’espace interne et relié aux deux électrodes.
Grâce à ces caractéristiques, on parvient à atténuer des surtensions à transitions très rapides (VFTO pour « Very Fast Transition Overvoltages » en anglais) même pour des tensions supérieures à 500kV.
Le composant conducteur selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
Selon un aspect, les deux électrodes radiales présentent une forme générale de disque.
Selon un autre aspect, l’élément formant à la fois capacitance et résistance est réalisé sous forme d’une barre centrale pleine réalisée en un matériau ayant une permittivité ε supérieure à 50 et une conductivité inférieure à 2 S/m.
La permittivité ε de la barre centrale pleine est notamment supérieure à 80, notamment à 95.
La conductivité de la barre centrale pleine est en particulier inférieure à 1 S/m, notamment comprise entre 0,44 S/m et 0,6 S/m.
La barre centrale pleine peut être réalisée en résine époxy chargé d’un matériau conducteur.
Le matériau conducteur de la barre centrale est choisi par exemple parmi le groupe de matériau suivant : aluminium, molybdène, noir de carbone.
Le matériau conducteur de la barre centrale peut être du noir de carbone et la charge en volume est comprise entre 30% et 40%, notamment entre 31% et 33% en volume.
La fréquence de résonance du circuit RLC parallèle formé par la portion en forme de solénoïde d’une part et l’élément formant capacitance d’autre part est par exemple comprise entre 10MHz et 100MHz et sa résistance est par exemple comprise entre 50 et 800Ω.
La barre métallique creuse présente notamment sur une longueur 1 une fente de forme hélicoïdale séparant des spires.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de l'invention, ainsi que des figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 montre un schéma simplifié d’une partie d’un poste haute tension sous enveloppe métallique à isolation gazeuse comportant par exemple un sectionneur haute tension ainsi qu’une section de conduction très haute tension équipée d’un composant de conduction atténuant des surtensions très rapides selon l’invention,
- la figure 2A montre selon une vue en coupe transversale un exemple de réalisation d’un composant de conduction atténuant des surtensions très rapides selon l’invention,
- la figure 2B est une vue similaire à celle de la figure 2A dans laquelle le composant de conduction est installé dans une virole,
- la figure 3 montre selon une vue externe le composant de conduction atténuant des surtensions très rapides de la figure 2A,
- la figure 4 montre sur un graphe l’atténuation d’un transitoire très rapide dans le temps une fois sans le composant de conduction selon l’invention et une fois avec ce composant de conduction,
Sur les figures, les éléments identiques sont identifiés par les mêmes références.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations.
Dans la description on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou second élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et second critère etc. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description.
La figure i montre selon une vue en coupe transversale une partie d’un poste haute tension sous enveloppe métallique à isolation gazeuse.
Un tel poste haute tension est généralement formé de divers sousensembles parmi lesquels on compte des appareils constitutifs de tout poste électrique comme par exemple des disjoncteurs, des sectionneurs, des transformateurs de mesures etc, ainsi que des éléments de liaison entre les appareils comportant des éléments droits formés d’une virole métallique, des supports isolateurs et des conducteurs sous forme de barres.
Plus précisément, sur la figure 1 sont représentés un sectionneur haute tension 1 ainsi que plusieurs sections 2 de conduction haute tension sous forme de tronçons droits et un module 3 de redirection.
Ce sectionneur haute tension 1 comprend une enceinte 4 remplie d’un gaz isolant, par exemple de l’hexafluorure de soufre SF6.
A l’intérieur de l’enceinte 4 est installé un mécanisme de coupure proprement dit. Ce mécanisme de coupure comprend notamment une électrode stationnaire 5 fixé sur une embase 7 et reliée à un conducteur de sortie 9 destiné à être relié à une charge (par exemple un réseau de transport d’électricité) et entouré d’une entretoise isolante fi.
En face de l’électrode stationnaire 5 est disposée une électrode mobile 13 qui est reliée via une timonerie à un mécanisme de manœuvre 14 permettant de déplacer l’électrode mobile 13 entre une position en retrait et une position dans laquelle l’électrode mobile 13 est en contact avec l’électrode stationnaire 5 pour la transmission d’un courant. L’électrode mobile 13 est guidée dans un écran 15 et reliée électriquement à un conducteur d’entrée 17 destiné à être relié à une source d’énergie (par exemple un générateur d’énergie électrique) et entouré d’une entretoise isolante 19. Les sections 2 de conduction haute tension comportent également une enveloppe métallique 4A remplie d’un gaz isolant, par exemple de l’hexafluorure de soufre SE6 ainsi qu’une barre de conduction 20 portée par des entretoises isolantes 19.
Comme on le voit sur la figure 1 et sur la figure 2B en vue agrandie, dans une des sections 2 de conduction haute tension, la barre de conduction 20 est remplacée, au moins partiellement, par un composant de conduction 21 atténuant des surtensions très rapides pour atténuer les transitoires dues à un arc électrique qui se forme entre l’électrode mobile 13 d’une part et l’électrode stationnaire 5 d’autre part lors d’une manœuvre du sectionneur 1 par déplacement de l’électrode mobile 13.
Le composant de conduction 21 peut être installé à d’autres endroits, du poste haute tension en dehors de l’enceinte 3 du sectionneur 1, à la place d’une barre ou d’une portion de barre. Ceci permet de faciliter la manutention et pour de très hautes tensions de ne pas devoir augmenter l’encombrement du mécanisme installé à l’intérieur de l’enceinte 3 et ainsi augmenter la quantité de gaz isolant à l’intérieur du sectionneur 1.
En référence aux figures 2A et 2B, le composant de conduction 21 atténuant des surtensions très rapides comprend une barre métabique creuse 25 qui est usinée sur une portion 27 de longueur 1 sous forme de solénoïde.
Le composant de conduction 21 comprend en outre une première 29 et une deuxième 31 électrodes radiales par rapport à l’axe 33 de la barre métallique creuse 25 et présentant notamment chacune une forme générale de disque.
Ces électrodes radiales 29 et 31 sont rehées électriquement à la barre métallique creuse 25, notamment en étant en contact avec leur pourtour, et définissent un espace interne 35 à l’intérieur de la barre métallique creuse 25.
Un élément 37 formant à la fois une capacitance et une résistance est disposé dans l’espace interne 35 et rehé électriquement aux deux électrodes radiales 29 et 31, ce qui permet un gain de place important.
Comme montré schématiquement sur la figure 2A, le composant de conduction 21 peut être considéré comme un circuit RLC parallèle formé par la portion 27 en forme de solénoïde d’une part et l’élément 37 formant à la fois capacitance et résistance.
La barre métallique creuse 2 5 est par exemple réalisée en aluminium.
La figure 3 montre selon une vue externe le composant de conduction 21 de la figure 2. On voit que la barre métabique creuse 25 présente sur la longueur 1 une fente de forme hélicoïdale 38 séparant des spires 51 pour filtrer les courants HF et qui présente une impédance qui sera supérieure à sa valeur résistive à partir d’une fréquence de 1MHz. Pour de hautes fréquences, ou très hautes fréquence, la portion 27 en forme de solénoïde de la barre métallique creuse 25 se comportera donc quasiment comme une inductance pure.
La portion 27 en forme de solénoïde présente une inductance supérieure à 3pH.
L’inductance Ls de la barre métallique creuse 2 5 est calculée à partir de l’expression suivante:
Ls = K 4πΝ2Α/1 [Unités électromagnétiques]
Où :
- N est le nombre de spires,
- A est la section transversale de la bobine
- 1 la longueur de la portion 27 en forme de solénoïde
- K est la constante de Nagaoka comprise entre 0 et 1 pour prendre en compte les effets de bord aux extrémités de la bobine, K est une fonction de l’angle d’aperture θ du solénoïde ou du rapport entre la longueur et le diamètre, cette constante peut-être trouvé sous forme de tableau ou de graphe par exemple dans « Scientific
Papers of the bureau of standards N169. Formulas and tables for the calculation of mutual and self-inductance. Department of commerce United States of America. Washington 1948. »
La section de la bobine D et la longueur 1 sont imposés par les dimensions standard des barres des postes sous enveloppe métalhque qui dépendent de la gamme du sectionneur 1. Avec ces paramètres connus, on peut calculer le nombre de spires nécessaire pour atteindre la valeur souhaitée.
La largeur et la distance entre les spires doivent être choisies afin de minimiser la capacitance propre de la portion 27 en forme de solénoïde afin de repousser sa fréquence de résonance au-dessus de 100MHz. Cette fréquence de résonance f est donnée par la formule suivante :
fo
Ainsi, la capacitance propre de la bobine Cs doit respecter
La relation entre la capacitance et la géométrie est donné par la relation suivante :
ε0π2ΰ
Q = ____________ (N — l)acosh(^) où D est le diamètre de la bobine, N le nombre de spires, ε0 la permittivité du vide, p la distance entre axes des spires et h leur largeur.
ίο
Selon le mode de réalisation de la figure 2, l’élément 37 forme à la fois une résistance et une capacitance et est réalisé sous forme d’une barre centrale 39 pleine réalisée en un matériau ayant une permittivité supérieure ε > 50, en particulier ε>80 et notamment ε> 95 et une conductivité inférieure à 2 S/m, en particulier inférieure à 1 S/m, notamment comprise entre 0,44 S/m et 0,6 S/m.
La barre centrale pleine 39 est par exemple réalisée en résine époxy chargé d’un matériau conducteur qui est notamment choisi parmi le groupe de matériaux suivant : aluminium, molybdène, noir de carbone.
Dans le cas où le matériau conducteur de la barre centrale 39 est du noir de carbone, la charge en volume est comprise entre 30% et 40%, notamment entre 31% et 33% en volume, ce qui correspond à un pic de la constante diélectrique.
La capacitance de la barre centrale 39 qui a de préférence pour des raisons de montage la même longueur 1 que la longueur de la portion 27 en forme de solénoïde, est calculée à partir de la formule correspondant à deux disques parallèles séparés par un matériau de permittivité relative ε.
εε0πτ2
Avec r, le rayon des disques internes à la structure et d = 1 la distance entre eux.
Selon une variante la barre centrale 39 peut avoir une longueur différente de la portion 27 en forme de solénoïde, plus longue ou plus courte.
La résistance R de la barre centrale 39 est calculée avec la formule suivante :
Ou p est la résistivité du matériau qui sera également la variable à faire changer en fonction des valeurs de R et de d qui sont aussi imposées par les dimensions standard des barres des postes sous enveloppe métallique. Celles-ci dépendent de la tension et courant nominal de l’appareil.
La permittivité et résistivité du matériau doivent donc être adaptées aux dimensions imposées dans chaque type d’appareil. Pour les postes entre 245kV et 800kV, la permittivité se trouve donc en particulier entre 50 et 95 et la résistivité entre 1.07 et 0.57 Qm respectivement. Ce sont des valeurs très différentes de celles couramment pratiqué dans les postes sous enveloppe métallique : Entre 3 et 5 pour la permittivité et entre 10E13 et 10E18 Qm pour la résistivité.
Ainsi, la fréquence de résonance du circuit RLC parallèle formé par la portion 27 en forme de solénoïde d’une part et l’élément 37 formant capacitance d’autre part est comprise entre 10MHz et 100MHz et sa résistance est comprise entre 50 et 800Ω.
La figure 4 montre sur un graphe l’atténuation d’une transitoire très rapide dans le temps une fois sans le composant de conduction 21 (courbe 50) selon l’invention et une fois avec ce composant de conduction 21 (courbe 52).
On constate que l’atténuation est supérieure à 50% ce qui permet de protéger efficacement les autres équipements, par exemple des transformateurs, auquel le sectionneur 1 est raccordé électriquement. On constate de plus que le composant de conduction 21 permet d’atténuer efficacement l’amplitude de la transitoire et on constate aussi une dissipation efficace dans un laps de temps inférieur à lps, notamment environ 0,7ps.
On comprend donc que le composant de conduction permet d’être installé dans une section 2 de conduction haute tension, ceci à la place complètement ou partiellement d’une barre de conduction, ce qui facilite toute intervention éventuelle et permet de ne pas augmenter 5 l’encombrement des sectionneurs d’un poste haute tension.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Composant de conduction (21) atténuant des surtensions très rapides pour poste électrique de très haute tension, comprenant une barre métallique creuse (25) usinée sur une portion (27) en forme de solénoïde, caractérisé en ce que la portion (27) en forme de solénoïde présente une inductance supérieure à 3pH, en ce qu’il comprend en outre une première (29) et une deuxième (31) électrodes radiales par rapport à l’axe (33) de la barre métallique creuse (25), reliées électriquement à la barre métalhque creuse (25) et définissant un espace interne (35) et en ce qu’un élément (37) formant à la fois capacitance et résistance est disposé dans l’espace interne (35) et relié aux deux électrodes (29, 31).
- 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux électrodes radiales (29, 31) présentent une forme générale de disque.
- 3. Composant selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l’élément (37) formant à la fois capacitance et résistance est réalisé sous forme d’une barre centrale (39) pleine réalisée en un matériau ayant une permittivité ε supérieure à 50 et une conductivité inférieure à 2 S/m.
- 4. Composant de conduction selon la revendication 3, caractérisé en ce que la permittivité ε de la barre centrale pleine (39) est supérieure à 80, notamment à 95.
- 5. Composant de conduction selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la conductivité de la barre centrale (39) pleine est inférieure à 1 S/m, notamment comprise entre 0,44 S/m et 0,6 S/m.
- 6. Composant de conduction selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la barre centrale pleine (39) est réahsé en résine époxy chargé d’un matériau conducteur.
- 7. Composant de conduction selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau conducteur de la barre centrale (39) est choisi parmi le groupe de matériau suivant : aluminium, molybdène, noir de carbone.5
- 8. Composant de conduction selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau conducteur de la barre centrale (39) est du noir de carbone et en ce que la charge en volume est comprise entre 30% et 40%, notamment entre 31% et 33% en volume.
- 9. Composant de conduction selon l’une quelconque des
- 10 revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la fréquence de résonance du circuit RLC parallèle formé par la portion (27) en forme de solénoïde d’une part et l’élément (37) formant capacitance d’autre part est comprise entre 10MHz et 100MHz et en ce que sa résistance est comprise entre 50 et 800Ω.
- 15 10. Composant de conduction selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la barre métallique creuse (25) présente sur une longueur 1 une fente de forme hélicoïdale (38) séparant des spires (51).3062;
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