Disjoncteur hybride à haute-tension avec une coupure dans le vide

21, rue d'Artois, F-75008 Paris
http://www.cigre.org
A3-101
Session 2004
© CIGRÉ
DISJONCTEUR HYBRIDE A HAUTE-TENSION AVEC UNE COUPURE DANS LE
VIDE ET UNE COUPURE PAR SOUFFLAGE DE GAZ
par
D. DUFOURNET*
C.LINDNER
Alstom T&D
(France)
Résumé
La technique de coupure dans le SF6 a été introduite dans les années 1960 pour les disjoncteurs des
réseaux de transport. Dans les années 1970 le SF6 est devenu rapidement le milieu de coupure
dominant en raison de ses excellentes propriétés pour la coupure et pour la tenue diélectrique. En dépit
de recherches ininterrompues pour trouver des alternatives au SF6, certaines sont effectuées
actuellement, aucun gaz n’a été découvert qui permette de combiner à la fois le pouvoir d’extinction
d’un arc exigé en haute-tension et la tenue diélectrique nécessaire pour avoir un nombre de chambres
réduit par pôle.
Parmi les alternatives possibles pour des disjoncteurs à haute tension, la technique de coupure dans le
vide a déjà fait l’objet d’investigations et plusieurs contributions ont été présentées lors de la session
2002 du CIGRE.
Ce rapport a pour but de présenter un autre principe de coupure où une ampoule à vide est mise en
série avec un élément de coupure à soufflage de gaz pour obtenir les performances requises. Pendant
la coupure de forts courants de court-circuit, la tenue pendant la phase initiale de TTR (phase
thermique) est donnée par l’ampoule à vide, alors que la tenue de la tension crête (phase diélectrique)
est fournie principalement par l’élément de coupure dans le gaz. Les deux éléments de coupure
contribuent à la tenue diélectrique exigée pour les essais de coupure et pour garantir le niveau
d’isolement.
Après un historique rapide sur ce sujet, le rapport explique le principe de coupure et montre des
exemples de géométries où ce principe a été appliqué pour essais. Il est préférable en pratique que les
deux éléments de coupure soient manoeuvrés par le même organe de manoeuvre. Des mécanismes
particuliers ont été conçus pour obtenir un rapport de 10 ou plus entre les courses et les vitesses des
deux éléments de coupure.
Des résultats d’essais sur une maquette en vraie grandeur sont présentés, ils montrent le potentiel et les
limites pour les principales séquences de coupure. Des comparaisons sont faites avec les techniques de
coupure actuelles des disjoncteurs à haute tension. Les utilisations possibles de la technique hybride
sont indiquées dans le rapport. Il est montré que cette technologie permet de réduire la taille et
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l’énergie de manoeuvre des disjoncteurs à haute-tension. Cette technologie peut être une alternative
aux techniques actuelles dans certaines applications.
Mots clés
Hybride– disjoncteur – vide – soufflage - SF6
1 Introduction
La technique de coupure par autosoufflage est maintenant largement acceptée comme la technique
dominante pour les disjoncteurs à haute-tension [1] [2]. Les disjoncteurs à autosoufflage, ou à effet
thermique, sont en service pour des applications haute-tension depuis la moitié des années 1980. Après
avoir été appliquée en 72.5 kV, cette technique est maintenant disponible jusqu’à 800 kV avec un
pouvoir de coupure pouvant atteindre 50 kA ou 63kA. La technique de coupure par autosoufflage a
permis d’utiliser des organes de manoeuvre à faible énergie dans toute la gamme de tensions. Par suite
les contraintes et l’usure des pièces mécaniques ont été réduites, ce qui a conduit à une augmentation
de la fiabilité des disjoncteurs.
Après ces succès, on peut se demander si une technique de coupure optimale et définitive a été
obtenue dans le domaine de la haute-tension et si plus aucune recherche n’est nécessaire dans ce
domaine.
La recherche sur les principes de coupure a continué avec un intérêt constant, car l’expérience a
montré que même la technique de soufflage autopneumatique, qui paraissait bien établie, a été
supplantée par la technique par autosoufflage. La réduction de l’impact du SF6 sur l’environnement
est un des facteurs qui incitent à poursuivre ces études. Ce souci a déjà été pris en compte notamment
par la réduction du taux de fuite admissible des disjoncteurs et par de meilleures procédures de
manipulation du SF6. L’impact sur l’environnement peut aussi être réduit en diminuant la quantité de
SF6 utilisée dans les disjoncteurs à haute-tension, en réduisant la pression de remplissage et/ou
l’encombement de la chambre de coupure.
Pour cette raison et pour d’autres développées dans ce rapport, il a paru utile de rechercher une
nouvelle technique de coupure applicable aux disjoncteurs de tension assignée supérieure ou égale à
72.5 kV.
Parmi les autres solutions technologiques possibles pour un disjoncteur à haute-tension, la coupure
dans le vide a déjà fait l’objet d’investigations et plusieurs contributions ont été présentées lors de la
session 2002 du CIGRE.
Ce rapport a pour but de présenter un autre principe de coupure où une ampoule à vide est mise en
série avec un élément à coupure par soufflage de gaz afin d'obtenir les performances requises. Pendant
l’élimination de forts courants la coupure pendant la phase thermique est faite par l’ampoule à vide et
la tenue à la valeur crête de TTR est donnée principalement par l’élément de coupure dans le gaz.
Après un bref historique sur ce sujet, le rapport explique le principe de coupure et montre des
exemples de géométries de chambres de coupure d’essais où ce principe a été mis en oeuvre. En
pratique, il est préférable que les deux éléments de coupure soient manoeuvrés par la même
commande. Des mécanismes particuliers ont été conçus pour obtenir un rapport de 10 ou plus entre les
courses et les vitesses des deux éléments de coupure.
Des résultats d’essais sur une maquette en vraie grandeur sont présentés, ils montrent le potentiel et les
limites de ce principe pour les séquences principales de coupure.
Des comparaisons sont faites avec les techniques de coupure actuelles appliquées aux disjoncteurs à
haute-tension. Elles sont commentées et on donne ensuite des perpectives sur les possibilités
d’utilisation.
On montre que cette technologie permet de réduire l’encombrement et l’énergie de manoeuvre des
disjoncteurs à haute-tension, et qu’elle peut être une alternative possible pour certaines applications à
haute tension.
2 Historique – Principe de coupure
Dans ce rapport le terme hybride designe une chambre de coupure avec mise en série d’éléments de
coupure dans le vide et dans un gaz.
Comme pour la technique de coupure par autosoufflage, l’origine des solutions hybrides peut être
retrouvée il y a longtemps dans quelques brevets des années 1960 [3] [4].
Il y a eu un regain d’intérêt de 1975 à 1985 environ, avec plusieurs demandes de brevet faites par
plusieurs constructeurs aux Etats-Unis et au Japon.
Cependant aucune de ces idées n’a, à notre connaissance, conduit à des réalisations industrielles en
raison principalement de la complexité des chambres de coupure et parce qu’aucun avantage évident
n’était obtenu par rapport aux disjoncteurs à soufflage autopneumatique qui étaient développés et
produits à cette époque.
Plusieurs raisons peuvent expliquer ce regain d’intérêt pour la technologie hybride :
-
de grands progrès ont été faits pendant la dernière décennie dans le domaine des ampoules à vide,
en particulier des pouvoirs de coupure élevés ont été obtenus avec des ampoules de faible
diamètre,
-
la sauvegarde de l’environnement a donné une nouvelle impulsion à la recherche de solutions
permettant d’avoir un volume réduit de SF6,
-
la possibilité de combiner un fonctionnement à faible température (-40°C ou –50°C) avec un fort
pouvoir de coupure sans utiliser des condensateurs additionnels,
-
les progrès faits avec la technique de coupure par autosoufflage, qui a permis d’optimiser la
conception de l’élément de coupure à soufflage de gaz.
Du point de vue technique, les considérations suivantes justifient le principe d’une chambre de
coupure hybride :
-
l’obtention d’un pouvoir de coupure d’un défaut proche en ligne est difficile dans le cas de faibles
pressions de remplissage au SF6 ou dans le cas de chambre de coupure aux dimensions réduites.
Le soufflage nécessaire au passage par zéro du courant peut être difficile à obtenir en combinant
l’autocompression et l’effet thermique.
-
il est connu que les disjoncteurs à vide sont capables de supporter une valeur élevée de vitesse de
rétablissement de tension (VATR) en coupure de courants de court-circuit,
-
la tension assignée d’une ampoule à vide ne peut pas être augmentée de manière économique au
delà de 52 – 72.5 kV,
-
la tenue de valeurs élevées de TTR (tension transitoire de rétablissement) peut être obtenue avec
un soufflage de SF6 relativement faible, en tout cas bien inférieur à celui qui est nécessaire pour
supporter la VATR générée en coupure de défaut proche en ligne.
Une solution évidente est alors de combiner la tenue de VATR élevées d’une ampoule à vide avec la
tenue de crêtes de tension élevées possible avec un élément de coupure dans le SF6.
En principe, la mise en série de ces deux éléments de coupure permet de combiner leurs capacités de
coupure et d’obtenir de forts pouvoirs de coupure en court-circuit avec une plus faible (relativement à
celle qui est nécessaire à d’autres techniques) quantité de SF6.
La Figure 1 montre l’enveloppe de la TTR en coupure de défaut proche en ligne par un disjoncteur à
haute-tension. La partie initiale de la TTR, segment jusqu’à UT avec la VATR la plus élevée, est
supportée essentiellement par l’ampoule à vide, alors que la partie suivante de la TTR, comprenant la
crête Uc, est tenue principalement par l’élément de coupure dans le gaz. La répartition de tension entre
les deux éléments de coupure est faite généralement de manière naturelle par la conductance d’arc
pendant la phase post-arc et de manière capacitive par la suite.
VOLTAGE
Uc
U1
U1
UT
t1
t2
TIME
Figure 1:
TTR en coupure de défaut proche en ligne
3 Présentation des chambres hybrides
Une exigence possible, mais pas obligatoire pour des applications industrielles, est que les deux
éléments de coupure soient manœuvrés par la même commande. Les deux éléments de coupure
peuvent être localisés dans une enveloppe commune ou dans deux enveloppes séparées comme on
peut le voir sur les figures 2 et 4.
De nombreuses réalisations de ce principe de coupure peuvent être imaginées. Plusieurs exemples sont
donnés dans ce chapitre.
Les Figures 2a et 2b montrent une solution avec un élément de coupure à gaz qui a une buse isolante
fixe et une tige de contact d’arc mobile.
La figure 3 montre une géométrie avec un élément de coupure à soufflage de gaz par effet thermique
ayant traditionnellement une buse isolante mobile et une tige de contact d’arc fixe.
La figure 4 montre un autre type d’architecture avec une ampoule à vide qui est contenue dans un
volume séparé, situé à la partie basse de la chambre de coupure et avec un déplacement de son contact
qui est perpendiculaire à l’axe du disjoncteur.
Ces figures illustrent des applications à des disjoncteurs à isolement dans l’air, des solutions similaires
existent pour des disjoncteurs dead tank ou du matériel sous enveloppe métallique.
Etant donné que la course des contacts et la vitesse d’ouverture d’une ampoule à vide sont nettement
plus faibles que celles d’un élément de coupure à gaz, un mécanisme interne à la chambre doit être
conçu pour permettre la manœuvre simultanée des deux éléments de coupure avec leurs courses et
vitesses respectives. Des mécanismes ont été conçus pour permettre d’avoir un rapport pouvant
atteindre 10 ou plus entre les courses et les vitesses des deux éléments de coupure.
Les durées d’arc possibles avec une ampoule à vide sont inférieures de plusieurs millisecondes à celles
d’un élément de coupure à gaz. Il est donc préférable de retarder, de quelques millisecondes,
l’ouverture de l’ampoule à vide.
Un premier exemple de géométrie de chambre avec buse isolante fixe est illustré par les Figures 2a à
2d. Les légendes donnent l’explication des différentes étapes d’une manœuvre d’ouverture.
Figure 2a :
Les deux éléments de coupure sont en position de fermeture.
V.I.= ampoule à vide G.I. = élément de coupure à gaz
La partie mobile de l’élément de coupure à gaz sera manœuvrée par une commande à ressorts (à
droite, non représentée sur la figure) et le ressort S1. L’effort résultant délivré par les ressorts S1 et S2
(en opposition) maintient la pression requise sur les contacts de l’ampoule à vide.
Figure 2b :
Les contacts d’arc de l’élément de coupure à gaz se séparent alors que ceux de
l’ampoule à vide restent fermés
L’effort résultant délivré par les ressorts S1 et S2 maintient la pression requise sur les contacts de
l’ampoule à vide). Pendant cette phase, le mouvement de la partie mobile génère une compression de
gaz dans le volume de soufflage de l’élément G.I.
Figure 2c:
ressort S2.
Le ressort S1 n’est plus actif, les contacts de l’ampoule à vide sont ouverts par le
Les contacts de l’élément de coupure à gaz sont actionnés par la commande à ressorts.
Figure 2d:
Les deux éléments de coupure sont ouverts.
La Figure 3 montre que ce même principe peut être appliqué dans le cas d’un disjoncteur ayant une
buse isolante mobile et une compression de gaz pendant toute la course des contacts. Le
fonctionnement du mécanisme de la chambre est identique à celui illustré par les Figures 2a à 2d.
Figure 3: Chambre de coupure hybride avec buse mobile et compression de gaz pendant toute la
course
Figure 4:
Chambre de coupure hybride avec ampoule à vide située dans un volume séparé situé
au bas de la chambre.
4 Résultats d’essais et analyse
Des essais de types suivant CEI 62271-100 ont été effectués sur une maquette en vraie grandeur
145kV 40/50kA 60Hz pour valider le principe de coupure et déterminer le niveau de performance
pouvant être atteint.
La géométrie du disjoncteur hybride est celle de la figure 3. L’élément de coupure à gaz est du type à
autosoufflage, mais avec des paramètres adaptés de manière à avoir une surpression réduite pendant
les manœuvres à vide et en coupure.
Pour ces essais d’investigation la pression de remplissage était égale à 3.0 bar relatif. Une ampoule à
vide standard 17.5/24 kV 50/40kA a été utilisée avec ses conditions normales de fonctionnement.
Bien que les autres séquences d’essais de type (défaut aux bornes, coupure de courants capacitifs)
aient été aussi effectuées, on met l’accent ici sur les essais de défaut proche en ligne pour lesquels la
solution hybride présente un intérêt particulier.
Les essais sont effectués par la méthode synthétique avec injection de courant et sur la base de L90
145kV 50kA 60Hz sans condensateur additionnel. La VATR inhérente aux bornes du disjoncteur est
10.8 kV/µs, comme spécifié dans la norme CEI 62271-100. La TTR côté ligne est « sans » temps de
retard (<0.1µs).
La plage de coupure complète a été vérifiée avec une durée d’arc minimale inférieure à 10 ms. La
figure 5 montre un exemple d’oscillogramme d’essai.
Figure 5:
Défaut proche en ligne L90 145kV 50kA 60Hz
It = courant total
Iinj = courant injecté
U = tension rétablie
I = fort courant
∆P = surpression dans le volume thermique
X = déplacement des contacts (G.I.)
La surpression dans le volume thermique au passage par zéro du courant est inférieure à 8 bar lors des
essais de coupure avec les durées d’arc minimale et maximale. Elle est 4 à 5 fois plus faible que pour
un disjoncteur à autosoufflage de même performances.
Cet exemple montre à l’évidence que le soufflage de gaz peut être nettement réduit pendant la coupure
d’un défaut proche en ligne, dans la mesure où la première partie de la TTR (jusqu’à UT comme
montré sur la Figure 1) est supportée par l’ampoule à vide en série.
Cependant il faut vérifier avec soin, par des calculs de simulation et/ou des essais, que l’ampoule à
vide convient aussi pour les autres conditions de défaut en ligne (par exemple L75 et L60) dans la
mesure où la 1ère crête de la TTR (UT) tend à augmenter lorsque la longueur de la ligne en défaut
augmente.
La Figure 6 montre à titre d’exemple la mesure de courant post-arc qui a été faite pendant un essai de
coupure de défaut en ligne L90 145kV 40kA 60Hz. Une bobine de Rogoswski spécialement conçue
pour la mesure d’un courant post-arc a été utilisée. Le courant post arc maximal de 3 A qui a été
enregistré est typique de ce qui peut être obtenu lors de la coupure par une ampoule à vide (la base de
temps peut être retrouvée sachant que la pente du courant est 19,2 A/µs).
CURRENT (A)
120
100
80
60
40
20
0
-20
TIME
Figure 6: Courant en coupure de défaut proche en ligne L90
145kV 40kA 60 Hz
Si l’élément de coupure est dimensionné correctement, sa tenue de la TTR tendra à augmenter lorsque
le courant de court-circuit diminuera, par suite l’élément de coupure à gaz va apporter une contribution
accrue à la tenue de la TTR lorsque le courant diminuera et cela facilitera la coupure de l’ampoule à
vide.
Pendant l’étude, il a été vérifié par des essais de coupure en laboratoire de puissance que la séquence
L60 n’était pas critique pour ce disjoncteur hybride. Sur la base d’un même pouvoir de coupure
assigné de 145kV 50kA 60Hz, la durée d’arc minimale était même plus courte que celle obtenue
pendant la séquence L90.
Une autre vérification du pouvoir de coupure de défaut proche en ligne a été faite en effectuant des
essais L60 sur la base de 63kA 60Hz 145kV, c’est à dire avec un courant de 39kA. La VATR
inhérente aux bornes du disjoncteur était 9 kV/µs et la 1ère crête de TTR (UT) était 90 kV, comme
spécifié dans la CEI 62271-100. La pression de remplissage SF6 était 3.0 bar relatif.
La plage de coupure complète a été vérifiée, avec une durée d’arc minimale inférieure à 9 ms. Un
oscillogramme d’essai est montré par la Figure 7, dans ce cas la durée d’arc est 14 ms.
Figure 7: Essai de défaut proche en ligne L60 145kV 63kA 60 Hz
It = courant total
Iinj = courant injecté
U = tension rétablie
I = fort courant
∆P = surpression dans le volume thermique
X = déplacement des contacts (G.I.)
Comme avec la technique par autosoufflage, la coupure du défaut aux bornes à 30% du pouvoir de
coupure doit être vérifiée, la différence avec une technique hybride étant que l’ampoule à vide est
capable de contribuer à la tenue de la TTR.
Le dimensionnement de l’élément de coupure à gaz est par suite fait de manière à obtenir le soufflage
nécessaire à la coupure des défaut aux bornes et en discordance de phases. C’est sensiblement
différent de ce qui est fait habituellement pour des disjoncteurs autopneumatiques ou à autosoufflage
car pour ces derniers il est nécessaire de faire un compromis entre des exigences différentes et parfois
opposées pour la coupure du défaut en ligne et du défaut aux bornes.
L’optimisation des dimensions de l’élément de coupure à gaz a été faite en utilisant les moyens de
simulation qui avaient été développés pour l’étude des chambres à autosoufflage.
La figure 8 montre à titre d’exemple le calcul de la surpression dans le volume de soufflage en
coupure de défaut aux bornes et pour 5 valeurs différentes de durées d’arc.
10
9
8
surpression
7
6
5
4
3
2
1
0
0
4
8
12
16
20
24
28
32
temps
Figure 8 : Surpression calculée pour 5 durées d’arc, en coupure de défaut aux bornes.
En fin de compte, un dimensionnement optimal d’une solution hybride conduit, tout particulièrement
dans le cas de pouvoirs de coupure élevés, à des valeurs réduites d’énergie de manœuvre et
d’encombrement de la chambre de coupure.
5 Comparaison avec d’autres techniques de coupure
Il a déjà été montré et expliqué maintes fois que la technique de coupure par autosoufflage permet de
manœuvrer les disjoncteurs à haute-tension avec des commandes à faible énergie dans toute la gamme
de tension allant de 72.5kV à 800kV [2].
Pour des pouvoirs de coupure inférieurs ou égaux à 40kA et une température ambiante minimale de –
25°C ou –30°C, la technique de coupure hybride ne permet pas d’obtenir un gain suffisant par rapport
à la technique par autosoufflage.
A l’inverse, pour de forts pouvoirs de coupure assignés (≥ 50 kA) et/ou de faibles températures
ambiantes minimales (-40°C ou –50°C), la situation est très différente dans la mesure où l’énergie de
manœuvre requise est nettement plus faible que celle d’un disjoncteur à autosoufflage. Etant donné
que la dimension des parties actives est aussi réduite, il apparaît que le gain en énergie et en
encombrement fait plus que compenser le coût additionnel dû à l’ajout de l’ampoule à vide et du
mécanisme de chambre. Pour de tels cahiers des charges, les durées d’arc d’un disjoncteur hybride
sont relativement plus courtes, par suite leur endurance électrique est accrue, ce qui est appréciable
pour l’exploitation en service.
Pour de forts pouvoirs de coupure, tels que 63kA-60hz, il a été montré au chapitre 4 qu’il n’est pas
nécessaire de réduire la pente de la TTR en coupure de défaut proche en ligne à l’aide d’un
condensateur additionnel. Cette autre caractéristique d’un disjoncteur hybride est un autre argument
qui justifie de futurs développements.
Concernant la quantité de SF6 nécessaire au remplissage, la technologie hybride permet une réduction
d’environ 25% dans le cas d’un disjoncteur 145kV 40kA 60Hz. Pour les mêmes dimensions et la
même pression de remplissage on peut estimer que le pouvoir de coupure assigné peut être augmenté
d’un niveau dans la série de Renard R10 utilisée dans la norme CEI 62271-100 des disjoncteurs à
haute tension.
6
Conclusion
Ce rapport a présenté de nouvelles recherches sur les disjoncteurs hybrides (vide + gaz) pour des
applications en haute-tension. De nouvelles géométries de chambres de coupure ont été conçues et
brevetées [5], elles donnent la possibilité de manœuvrer le disjoncteur par une seule commande.
Ces études ont bénéficié des progrès faits au cours des dernières années avec les disjoncteurs à
autosoufflage (effet thermique).
Des essais de type effectués sur une maquette de disjoncteur 145 kV ont montré qu’il est possible
d’obtenir de forts pouvoirs de coupure (50kA-63kA à 60Hz), dans une gamme de performances pour
lesquelles la solution hybride est compétitive.
Grâce à l’intégration d’une ampoule à vide, il est possible de réduire la quantité de SF6 (en volume et
en pression de remplissage) pour une performance donnée.
Un autre intérêt potentiel de la solution hybride est l’augmentation de l’endurance électrique qui est
obtenue grâce à la réduction des durées d’arc.
La technique de coupure par autosoufflage va continuer de dominer pour l’application à des
disjoncteurs à haute-tension (≥ 72.5 kV) en raison de la simplicité de la chambre de coupure, de la
fiabilité en service de ces disjoncteurs et du haut niveau de performance qui a été obtenu. Cependant
cette étude montre que la technique de coupure hybride peut être une solution intéressante pour des
applications où de forts pouvoirs de coupure sont requis et/ou de faibles températures ambiantes
minimales sont spécifiées (c.à.d. dans le cas où de faibles pressions de remplissage sont utilisées).
7
Références
[1] D.Dufournet, J.Ozil, F.Sciullo, A.Ludwig. “New interrupting and drive techniques to increase high
voltage circuit-breaker performance and reliability” CIGRE Session 1998, Report 13-104.
[2] D.Dufournet, D.Johnson, C.Lindner, D.Vondereck “Technical trends in circuit-breaker switching
technologies” CIGRE SC A3 Colloquium 2003, Sarajevo, Paper 13.
[3] S.Kameyama, T.Ohkura “Circuit interrupter” US Patent 3 244 842 granted in April 1966.
[4] C.H.Flurscheim et al “Series connected switches of different types” US Patent 3 303 309 granted
in February 1967.
[5] M.Perret, D.Dufournet “High-voltage interrupter device having combined vacuum and gas
interruption” US Patent 6 593 538.