Simplifier les disjoncteurs

Transcription

1 Simplifier les disjoncteurs Disjoncteurs à cuve mise à la terre 80 ka et kv Willie Freeman, Helmut Heiermeier La prochaine fois que vous réarmez un disjoncteur miniature de 0 A chez vous, pensez aux disjoncteurs qui doivent supporter des courants de A à quelques km de là. Conçus pour des tensions pouvant atteindre 245 kv, ces appareils hautement perfectionnés, de la taille d une petite voiture, sont généralement à l huile ou à deux pressions. Bref, il s agit d un matériel relativement complexe et encombrant. Un troisième type d appareil, à la fois plus simple, plus économique et plus facile à utiliser, le disjoncteur SF 6 à cuve mise à la terre et soufflage forcé, n avait jamais été utilisé pour des valeurs aussi élevées et aussi contraignantes. C est désormais chose faite avec le nouvel appareil de coupure 80 ka d ABB qui intègre une chambre à soufflage forcé monocoupure dans un disjoncteur à cuve mise à la terre de type PM ayant largement fait ses preuves. I l y a plusieurs années, Westinghouse et ITE fabriquaient des disjoncteurs SF 6 à deux pressions pour des applications 80 ka; un nombre important de ces appareils est encore en service aujourd hui. Ces derniers soufflent du SF 6 sous haute pression (environ 900 kilopascals ou 260 psig) entre les contacts d arc pendant l interruption du courant. A une pression beaucoup plus faible, le SF 6 sert de milieu isolant dans les cuves, colonnes et traversées. Les bonnes performances de ces disjoncteurs sont le fait d un grand volume de SF 6 sous pression, disponible instantanément, dans une chambre bicoupure de grand diamètre. Cette conception offre des performances nettement supérieures à celles des chambres de coupure à soufflage forcé qui exigent un certain temps pour comprimer le gaz pendant le mouvement d ouverture. Toutefois, le système bicoupure à deux pressions, avec ses collecteurs de gaz, compresseurs, séchoirs, tubes d alimentation haute pression et cuves haute pression isolées et chauffées, est complexe et cher. C est ce qui explique que les chambres de coupure à soufflage forcé à une pression se soient imposées partout dans le monde pour la fabrication des nouveaux disjoncteurs à haut pouvoir de coupure. Jusqu à présent, les disjoncteurs SF 6 à cuve mise à la terre et à soufflage forcé n existaient pas pour des applications 80 ka. En effet, pour la coupure de courants élevés, les performances de la technologie de coupure par soufflage forcé à pression unique n ont pas suivi celles des disjoncteurs à l huile et au SF 6 à deux pressions. Des normes ANSI plus sévères et des contraintes supérieures 48 Revue ABB 3/2002

2 Disjoncteurs à cuve mise à la terre ou sous tension Dans les disjoncteurs à cuve mise à la terre, la chambre de coupure est à l intérieur d une enveloppe métallique mise à la terre. Par conséquent, le SF 6 qu elle contient isole de l enveloppe les parties actives sous haute tension des systèmes de contacts. Des traversées externes relient la chambre de coupure aux bornes HT. ABB maîtrise bien cette technologie, ayant développé en 992 une chambre de coupure à soufflage forcé de 80 ka pour des disjoncteurs à isolation gazeuse 245 kv et 550 kv. La conception est basée sur la chambre de coupure SP utilisée depuis 988 par ABB dans ses disjoncteurs 242 kv de type PA pour la plage 63 kv. Cette première chambre à 80 ka était limitée à 70 kv par coupure et nécessitait par conséquent deux coupures pour 245 kv et trois coupures pour 550 kv. Des travaux de développement ultérieurs sur la chambre de coupure SP ont permis de porter la tension de rétablissement à 245 kv par coupure, permettant ainsi l utilisation de la même chambre pour les niveaux 45 kv et 245 kv en une seule coupure. Le disjoncteur peut être tripolaire ou unipolaire avec possibilité de manœuvre synchrone. Disjoncteur 242 PMG tripolaire avec chambres de coupure 80 ka La chambre de coupure d un disjoncteur à cuve sous tension se trouve dans l isolateur (en porcelaine ou composite) et est à un potentiel élevé. C est le niveau de tension qui détermine la longueur des isolateurs de la chambre de coupure et de la colonne d isolateurs. pour des applications comme les manœuvres de condensateurs, ont forcé la redéfinition des limites de la technologie du soufflage forcé. ABB a résolu les problèmes qui faisaient obstacle à l utilisation de la technologie du soufflage forcé à 80 ka en intégrant dans son disjoncteur à cuve mise à la terre une chambre monocoupure à soufflage forcé. Le nouvel appareil réutilise un grand nombre de composants du disjoncteur 63 ka à grand volume largement répandu, réduisant considérablement les études de conception de ce nouveau produit. Revue ABB 3/

3 2 Enveloppe de chambre de coupure 80 ka et schémas d écoulement des gaz de sortie chauds (rouge) Partie mobile 2 Tuyère isolante 3 Partie fixe Cette percée vient à point nommé: dans le monde, on compte entre 200 et 300 disjoncteurs 80 ka d ancienne génération encore en service et ces appareils (à l huile ou au SF 6 à deux pressions) sont proches de la fin de leur durée de vie. En outre, les contraintes supplémentaires imposées aux réseaux par les nouvelles centrales «commerciales» (construites hors du cadre protecteur de la planification gobale des réseaux et qui s intègrent «en indépendant» aux nouveaux marchés concurrentiels de l électricité) imposent de nouvelles capacités de coupure et un besoin croissant en appareils 80 ka se fait sentir. Une plate-forme commune pour réduire les coûts La même chambre de coupure SP 80 ka est utilisée pour fabriquer à la fois les disjoncteurs 45 kv et 242 kv. Une plateforme matérielle commune offre l avantage de maximiser le volume de production des disjoncteurs 80 ka. Une version pour forts courants permanents (5000 ampères) est également disponible. Les chambres de coupure 80 ka seront bientôt intégrées aux disjoncteurs 242 PMG 63 ka tripolaires et 242 PMI unipolaires. La configuration externe des disjoncteurs reste inchangée malgré la capacité d interruption supérieure. 2 3 La fabrication du disjoncteur 80 ka tire de nombreux avantages de la plate-forme commune de composants avec le disjoncteur 63 ka à plus grand volume, qui a déjà largement fait ses preuves. Les modifications de conception se limitent à la chambre de coupure et au raccordement de la traversée interne sur la chambre. Les mêmes mécanismes de commande et de transmission sont utilisables par les deux chambres de coupure car l énergie de manœuvre requise par la chambre 80 ka est à peine plus élevée. Les dimensions du cylindre de soufflage forcé et du piston restent inchangées entre 63 ka et 80 ka, de sorte qu une surface de pression supérieure n est pas requise. De plus, le piston de la chambre de coupure SP est doté de soupapes de surpression qui limitent l élévation de la pression pendant l amorçage de l arc de courant élevè à l intérieur de la chambre. Les calibres 63 ka et 80 ka sont tous les deux caractérisés par les mêmes limites d élévation de pression et la même course d ouverture. Ainsi, la compression du SF 6 se fait de la même manière pour les chambres de coupure des disjoncteurs des deux calibres. La masse des contacts mobiles n est que très légèrement supérieure, les contacts d arc n ont que quelques millimètres de plus et la vitesse d ouverture est identique. Cette dernière est avant tout déterminée par la rapidité avec laquelle la rigidité diélectrique entre les contacts doit augmenter pour résister à l accroissement de la tension de rétablissement lors de la manoeuvre d un condensateur. Par conséquent, l énergie cinétique (/2MV 2 ) que le mécanisme doit fournir n a pas augmenté. L énergie totale que ce mécanisme doit fournir est la somme de l énergie de compression du SF 6, de l énergie cinétique et des pertes par frottement. Bien que très légèrement supérieure, elle reste gérable par le mécanisme actuel du 242 PM. Les isolateurs de traversées 242 kv sont les mêmes que ceux du disjoncteur 63 ka et ses traversées pourront être en composite ou en porcelaine. Le conducteur de traversée interne est différent car il se branche sur l enveloppe de plus grande taille de la chambre de coupure, dotée de deux séries de contacts de transfert de courant pour les courants supérieurs. Améliorations apportées à la buse Deux aspects de la chambre de coupure du disjoncteur 80 ka ont dû être revus. D abord, le canal d écoulement de la buse a été redessiné pour supporter la tension transitoire de rétablissement (TTR) accrue pour le 245 kv. Il en a été de même pour l enveloppe de la chambre de coupure 2 qui doit contenir et refroidir les gaz de sortie à la suite d un défaut de 80 ka avant de les évacuer dans la cuve de volume relativement réduit du 242 PM. Cette buse améliorée a été développée à l aide de la mesure des caractéristiques à froid qui, avec un logiciel de calcul avancé, simule la TTR à l ouverture pour les manœuvres de condensateurs. Pendant l ouverture, des impulsions de tension HF sont appliquées en plusieurs points le 50 Revue ABB 3/2002

4 3 Tenue diélectrique à l ouverture (V) / course d ouverture des contacts mobiles (T) x Tenue Rigidité diélectrique de la chambre de coupure TTR capacitive (contrainte maximale pour la coupure de courants capacitifs) long de la course pour déterminer la rigidité diélectrique dynamique de l espace entre les contacts. Cette rigidité doit se situer au-dessus de la forme d onde de la tension de manœuvre du condensateur avec une marge suffisante pour garantir de bonnes performances lors des essais réels. Cette technique détermine s il existe des vides d écoulement susceptibles de créer des zones de faible rigidité diélectrique. Les vides d écoulement sont des régions de faible densité résultant de l expansion trop rapide du gaz dans la buse et faisant chuter brusquement la rigidité diélectrique en un point donné le long de la course d ouverture. La mesure des caractéristiques à froid est souvent très complexe en raison du grand nombre de manœuvres requis pour développer la caractéristique pour la course complète d ouverture, avec les polarités positive et négative. Cependant, elle permet d éviter différents essais de puissance et donne une bonne idée de la manière dont la forme de la buse peut être améliorée. Comme le montre la figure 3, la rigidité diélectrique à l ouverture est supérieure aux formes d onde du type [ cosinus] représentatives de la tension de rétablissement de manœuvre de condensateurs. Précisons que la mesure des caractéristiques à froid est une simulation qui aide à concevoir la buse, mais qu elle ne se substitue ni aux essais réels de manœuvre de condensateurs ni à tout autre essai de puissance. V[kV] T[mm] Chambres de coupure SP 80 ka (gauche) et 63 ka Améliorations apportées aux enveloppes des chambres de coupure Pendant l interruption du courant, les gaz chauds sortent de la buse dans les deux sens. Les enveloppes des contacts mobiles Revue ABB 3/2002 5

5 et fixes doivent retenir ces gaz chauds, les mélanger au SF 6 froid et les renvoyer dans la cuve après qu ils sont suffisamment refroidis pour retrouver leur rigidité diélectrique. L augmentation de l énergie et du volume des gaz de sortie est proportionnelle au carré du courant de défaut; par conséquent, l enveloppe de la chambre de coupure 80 ka doit pouvoir supporter,6 fois l énergie des gaz de celle à 63 ka. La nouvelle enveloppe tient compte à la fois du besoin d un volume plus grand et des contraintes de dégagement diélectrique de la cuve existante du 242 PMG. La figure 4 compare les chambres de coupure 80 ka et 63 ka. Le volume de l enveloppe des gaz de sortie a été augmenté pour prendre en compte le courant de défaut plus élevé et les chicanes internes ont été perfectionnées pour mieux piéger, mélanger et refroidir les gaz chauds. Même si la chambre de coupure est plus grosse, elle tient toujours dans la même cuve et sa forme est conçue pour optimiser la rigidité diélectrique de l isolation au SF 6 entre elles. Enfin, les contacts embrochables des traversées situés sur le dessus de chaque enveloppe de gaz de sortie ont été améliorés pour supporter le courant de défaut plus élevé de 80 ka. Condensateurs externes Le disjoncteur 242 PMG 63 ka a besoin d un condensateur de 0 nf du côté de la ligne pour réduire la vitesse d accroissement de la tension de rétablissement entre les contacts lors d un défaut rapproché. En effet, il faut plusieurs microsecondes au SF 6 ionisé dans l espace entre les contacts pour se recombiner suffisamment et résister aux réflexions de tension très 5 Condensateur externe monté directement sur une traversée, rendant inutile tout support séparé Condensateur en composite 2 Traversée en composite 3 Enveloppe du TC sur la cuve du disjoncteur rapides consécutives aux défauts survenant à une distance de quelques kilomètres du disjoncteur. Pour le disjoncteur 80 ka, la valeur de la capacité du côté de la ligne doit être portée à 30 nf. En outre, il faut ajouter un condensateur 5 nf du côté du jeu de barres pour satisfaire les nouvelles valeurs normalisées de TTRI (TTR initiale). Les condensateurs externes sont assez encombrants, mais les modèles 5 nf et 30 nf sont dotés d enveloppes en composite qui réduisent dans la mesure du possible leurs dimensions et leur masse. Ils peuvent être montés directement sur chaque traversée 5 ce qui élimine le besoin d un support séparé. Toutefois, il est également possible de monter ces condensateurs sur des supports séparés, 2 3 deux disjoncteurs ou plus pouvant ainsi se les partager. Cette possibilité réduit le nombre de condensateurs requis et peut améliorer l agencement du poste. Simplifier la coupure Maintenant que la technologie des disjoncteurs à soufflage forcé a été étendue à la plage 80 ka/245 kv, les exploitants disposent d une alternative à la technologie traditionnelle, obsolète et très complexe. Ils peuvent également moderniser des disjoncteurs 242 PMG/I en installant des chambres de coupure 80 ka car la conception externe du disjoncteur reste inchangée. Ces améliorations apportées au disjoncteur PM et à la chambre de coupure SP accroissent les performances tout en tirant profit d une conception éprouvée. Le choix du fonctionnement en tripolaire et unipolaire, de même que la manœuvre synchrone, permettent de répondre aux exigences d applications spécifiques. Mais par-dessus tout, ce bond en avant de la technologie des disjoncteurs simplifiera la vie et réduira les coûts pour les exploitants de réseaux publics et industriels. Auteurs Willie Freeman ABB Inc. Greensburg, PA USA willie.freeman@us.abb.com Helmut Heiermeier ABB Schweiz AG 540 Baden Suisse helmut.heiermeier@ch.abb.com 52 Revue ABB 3/2002