FR2735611A1 - DEVICE FOR CUTTING A HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF POUR LA COUPURE D'UN COURANT CONTINU A HAUTEDEVICE FOR CUTTING A HIGH DIRECT CURRENT
TENSIONVOLTAGE
La présente invention concerne la coupure des courants The present invention relates to breaking of currents
continus à haute tension.high voltage.
On sait que la coupure des courants de défaut des lignes à courant continu est un problème difficile, puisqu'on ne dispose pas, comme pour la coupure des courants We know that breaking the fault currents of DC lines is a difficult problem, since we do not have, as for breaking currents
alternatifs, du passage par zéro du courant. of the zero crossing of the current.
On a proposé une méthode pour la coupure du courant We proposed a method for cutting the current
continu qui consiste à provoquer une oscillation du courant et mettre à profit un passage par zéro du courant. continuous which consists in causing an oscillation of the current and taking advantage of a zero crossing of the current.
Un exemple de mise en oeuvre de cette méthode est mentionné dans l'article "The Development of a HVDC SF6 breaker", IEEE PAS n 10, octobre 1985. Il est proposé15 l'utilisation d'un circuit LC avec varistance à l'oxyde de zinc créant un courant d'arc oscillatoire amplifié à l'aide d'un disjoncteur spécial. Cette mise en oeuvre est onéreuse. On connaît également un limiteur à courant continu à haute tension à supraconducteur, décrit dans le brevet français n 89 16 252. Il met en oeuvre, pour réduire le courant de défaut, le changement d'état d'un conducteur passant de l'état supraconducteur o sa résistance est nulle, à l'état résistif, lorsque la densité du courant dépasse un certain seuil (densité critique). Le courant25 résiduel est adressé à un circuit oscillant LC qui permet de créer des passages par zéro du courant. L'utilisation d'un supraconducteur à basse température critique nécessite un cryostat à hélium liquide, de sorte que la solution n'est pas économique.30 On connaît également, notamment par le brevet français n 81 09 707, un disjoncteur associé à une résistance à coefficient de température positif (CTP) à base de titanate de baryum et de strontium. Le passage du courant de défaut provoque l'échauffement de la résistance dont la valeur35 ohmique croît très vite. La réduction importante du courant de défaut facilite sa coupure par le disjoncteur. Cette solution n'est pas économique en raison du coût des céramiques et des pertes Joule engendrées par la valeur ohmique relativement élevée des céramiques. Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif pour la coupure des courants continus à haute tension qui soit économique à la fabrication aussi bien qu'à l'utilisation. L'invention a pour objet un dispositif pour la coupure du courant d'une ligne à courant continu à haute tension comprenant deux conducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend, sur au moins un des conducteurs de la ligne, un ensemble comprenant, reliés en série, au moins un premier groupe comprenant une première résistance en parallèle avec un premier disjoncteur, au moins second groupe comprenant15 une seconde résistance en parallèle avec un second disjoncteur et un sectionneur, les résistances comprenant des éléments en polymère chargé de carbone, le dispositif comprenant en outre un détecteur de défaut donnant en cas de défaut, un ordre d'ouverture aux disjoncteurs du premier20 groupe, donnant un ordre d'ouverture aux disjoncteurs du second groupe lorsque le courant dans la ligne dépasse par An example of implementation of this method is mentioned in the article "The Development of a HVDC SF6 breaker", IEEE PAS n 10, October 1985. It is proposed15 the use of an LC circuit with oxide varistor zinc creating an oscillating arc current amplified using a special circuit breaker. This implementation is expensive. There is also known a high voltage direct current limiter with superconductor, described in French patent n 89 16 252. It implements, to reduce the fault current, the change of state of a conductor passing from the state superconductor o its resistance is zero, in the resistive state, when the current density exceeds a certain threshold (critical density). The residual current is sent to an oscillating circuit LC which makes it possible to create zero crossings of the current. The use of a superconductor at low critical temperature requires a liquid helium cryostat, so that the solution is not economical. 30 Also known, in particular by French patent n 81 09 707, is a circuit breaker associated with a resistor with positive temperature coefficient (PTC) based on barium titanate and strontium. The passage of the fault current causes the resistance to heat up, the ohmic value increasing very quickly. The significant reduction of the fault current facilitates its breaking by the circuit breaker. This solution is not economical because of the cost of the ceramics and the Joule losses caused by the relatively high ohmic value of the ceramics. An object of the present invention is to provide a device for cutting off high voltage direct currents which is economical in manufacture as well as in use. The subject of the invention is a device for cutting the current of a high-voltage direct current line comprising two conductors, characterized in that it comprises, on at least one of the conductors of the line, an assembly comprising, connected in series, at least a first group comprising a first resistor in parallel with a first circuit breaker, at least second group comprising a second resistor in parallel with a second circuit breaker and a disconnector, the resistors comprising elements made of carbon-laden polymer, the device further comprising a fault detector giving, in the event of a fault, an opening order to the circuit breakers of the first group, giving an opening order to the circuit breakers of the second group when the current in the line exceeds
valeur inférieure une première valeur de seuil prédéterminée, et donnant un ordre d'ouverture du sectionneur lorsque le courant dans la ligne atteint par25 valeur inférieure une seconde valeur de seuil prédéterminée. lower value a first predetermined threshold value, and giving an order to open the disconnector when the current in the line reaches par25 lower value a second predetermined threshold value.
La résistance du premier groupe est choisie pour pouvoir supporter en permanence un courant de valeur au plus The resistance of the first group is chosen to be able to permanently support a current of value at most
égale à 1/35 de la valeur maximale du courant de court- circuit de la ligne. equal to 1/35 of the maximum value of the line short-circuit current.
La résistance du second groupe est choisie pour pouvoir supporter en permanence un courant de valeur égale à The resistance of the second group is chosen to be able to permanently support a current of value equal to
1/15 environ de la valeur du courant supportée en permanence par la résistance du premier groupe. About 1/15 of the value of the current permanently supported by the resistance of the first group.
Les résistances des premier et second groupes sont constituées d'un empilement alterné de disques de polymère chargé de carbone et de disques de métal bon conducteur de l'électricité. L'empilement est entouré d'une enveloppe étanche The resistors of the first and second groups consist of an alternating stack of discs of polymer charged with carbon and discs of metal which conducts electricity well. The stack is surrounded by a waterproof envelope
remplie de gaz isolant.filled with insulating gas.
La valeur initiale de la résistance du premier groupe est de l'ordre de 0,1 Q. La valeur initiale de la résistance du second groupe est de l'ordre de 1,5 Q. La résistance du second groupe est munie d'un The initial value of the resistance of the first group is of the order of 0.1 Q. The initial value of the resistance of the second group is of the order of 1.5 Q. The resistance of the second group is provided with a
dispositif de chauffage rapide commandé à l'ouverture du disjoncteur du premier groupe. rapid heating device controlled when the first group circuit breaker opens.
Le dispositif est caractérisé en ce que la première valeur de seuil est comprise entre deux trentecinquièmes The device is characterized in that the first threshold value is between two thirty-fifths
et un trentecinquième de la valeur maximale (Icc) du courant15 de courtcircuit de la ligne. and thirty-fifths of the maximum value (Icc) of the line short-circuit current15.
Le dispositif est caractérisé en ce que la seconde valeur de seuil est comprise entre un cinqcentième et un The device is characterized in that the second threshold value is between one five hundredth and one
millième de la valeur maximale (Icc) du courant de court- circuit de la ligne.20 L'invention sera bien comprise à la lecture de la description donnée ci-après d'un mode préféré de mise en thousandth of the maximum value (Icc) of the line short-circuit current.20 The invention will be clearly understood on reading the description given below of a preferred mode of setting
oeuvre de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma électrique du dispositif de l'invention, work of the invention, with reference to the accompanying drawing in which: - Figure 1 is an electrical diagram of the device of the invention,
- la figure 2 est une vue en élévation d'une résistance utilisée dans le dispositif. - Figure 2 is an elevational view of a resistor used in the device.
Dans la Fig 1, la référence LL' désigne l'un des deux conducteurs d'une ligne à courant continu; le dispositif de l'invention peut comporter deux ensembles identiques insérés respectivement en série sur chacun des deux conducteurs de la ligne. Seul l'un des ensembles est représenté dans la Fig. 1., dans un rectangle en traits tiretés désigné par la référence 1.35 L'ensemble 1 comprend: - deux résistances Ri et R2 en série, shuntées respectivement par deux disjoncteurs Dl er D2, - un sectionneur S en série avec les résistances, - un détecteur de défaut DD recevant sur une entrée "a" une mesure de l'intensité du courant fournie par un transformateur de courant TC et, sur une entrée "b", une In Fig 1, the reference LL 'denotes one of the two conductors of a direct current line; the device of the invention may comprise two identical assemblies inserted respectively in series on each of the two conductors of the line. Only one of the assemblies is shown in FIG. 1., in a rectangle in dashed lines designated by the reference 1.35 The assembly 1 comprises: - two resistors Ri and R2 in series, shunted respectively by two circuit breakers Dl er D2, - a disconnector S in series with the resistors, - a DD fault detector receiving on an input "a" a measurement of the intensity of the current supplied by a current transformer TC and, on an input "b", a
mesure de la tension. Le détecteur de défaut est capable d'analyser ces informations et de distinguer entre un défaut et une surcharge.10 Les résistances Ri et R2 sont constituées de la même manière décrite ci-après. voltage measurement. The fault detector is capable of analyzing this information and distinguishing between a fault and an overload. The resistors Ri and R2 are constituted in the same manner described below.
La résistance comprend une pluralité de disques 13 en polymère chargé de carbone à deux faces métallisées, séparés par des disques 14 en métal bon conducteur de l'électricité,15 de préférence le cuivre. Les disques de polymère et de cuivre constituent un empilement placé entre deux flasques d'extrémité métalliques 11 et 12; les flasques sont serrés par des tiges isolantes 15 filetées à leurs extrémités et munies d'écrous 16. Sur les flasques sont soudés des20 conducteurs 18 et 19 servant à la liaison électrique avec la ligne et avec le disjoncteur. De préférence, l'ensemble constituant la résistance est protégé par une enveloppe isolante étanche non représentée, remplie d'un gaz diélectrique tel que l'azote. Pour mieux répartir la tension25 entre les disques 13 en cas de fonctionnement non uniforme de ces derniers, des varistances 17 (ou des résistances de faible valeur ohmique) sont connectées en parallèle sur chacun des disques 13 et permettent d'écrêter et de limiter la tension aux bornes de chacun des disques.30 On rappelle que les résistance en polymère chargé de carbone ont une résistance à la température ambiante de The resistor comprises a plurality of discs 13 of polymer charged with carbon with two metallized faces, separated by discs 14 of metal which is a good conductor of electricity, preferably copper. The polymer and copper discs constitute a stack placed between two metal end plates 11 and 12; the flanges are clamped by insulating rods 15 threaded at their ends and provided with nuts 16. On the flanges are welded conductors 18 and 19 serving for the electrical connection with the line and with the circuit breaker. Preferably, the assembly constituting the resistor is protected by a sealed insulating envelope, not shown, filled with a dielectric gas such as nitrogen. To better distribute the voltage 25 between the discs 13 in the event of non-uniform operation of the latter, varistors 17 (or resistors of low ohmic value) are connected in parallel on each of the discs 13 and make it possible to clip and limit the voltage across each of the discs. 30 It is recalled that the resistors made of carbon-laden polymer have a resistance at ambient temperature of
l'ordre du dixième d'ohm et qu'à une température comprise entre 100 et 110 C, leur résistance est brusquement multipliée par un facteur de l'ordre de 5000.35 Les caractéristiques de la résistance Ri sont les suivantes. on the order of a tenth of an ohm and at a temperature between 100 and 110 C, their resistance is suddenly multiplied by a factor of the order of 5000.35 The characteristics of the resistance Ri are as follows.
La résistance Ri peut supporter un courant permanent Resistor Ri can withstand a permanent current
inl égal à environ 15% de In pour un courant de court- inl equal to around 15% of In for a short-
circuit maximal Icc de 10.OOOA sur la ligne LL', In maximum circuit Icc of 10.OOOA on line LL ', In
désignant la valeur nominale du courant de la ligne. designating the nominal value of the line current.
Par exemple, si In est égal à 2.000 A, la valeur de inl sera de 300 A. For example, if In is equal to 2,000 A, the value of inl will be 300 A.
La résistance initiale de Ri est de l'ordre de 0,1 ohm, pour une tension de réseau de 100 kV. The initial resistance of Ri is of the order of 0.1 ohm, for a network voltage of 100 kV.
Si le courant de court-circuit maximal Icc est de 20.000 A, le courant permanent inl sera choisi égal à 30% de In, soit inl = 600 A. If the maximum short-circuit current Icc is 20,000 A, the permanent current inl will be chosen equal to 30% of In, i.e. inl = 600 A.
Plus généralement, on fixe Icc/inl au moins égal à 35. More generally, we fix Icc / inl at least equal to 35.
Les caractéristiques de la résistance R2 sont les suivantes. The characteristics of the resistance R2 are as follows.
La résistance R2 peut supporter un courant permanent in2 égal environ à 1% de In, soit 20 A si In est égal à Resistor R2 can support a permanent current in2 equal to approximately 1% of In, i.e. 20 A if In is equal to
2.000 A.2,000 A.
Si inl = 600 A, in2 sera égal à 40 A. Plus généralement on choisit les résistances Ri et R2 If inl = 600 A, in2 will be equal to 40 A. More generally we choose the resistances Ri and R2
pour que le rapport inl/in2 soit voisin de 15. so that the ratio inl / in2 is close to 15.
La résistance initiale de R2 est de l'ordre de 1,5 ohm pour une tension de réseau de 100 kV. The initial resistance of R2 is around 1.5 ohm for a network voltage of 100 kV.
Les disques 13 de la résistance Ri ont par exemple une secion de 220 cm2; les diques 13 de la résistance R2 auront The disks 13 of the resistance Ri have for example a section of 220 cm2; the diques 13 of resistance R2 will have
alors une section de 15 cm2.then a section of 15 cm2.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant. The operation of the device is as follows.
En fonctionnement normal, les disjoncteurs Dl et D2 et le sectionneur S sont fermés. Le courant traverse les disjoncteurs, dont la valeur ohmique des résistances de30 contact est faible devant la valeur ohmique des résistances Ri et R2. Le courant traverse également le sectionneur S. En cas de défaut, par exemple en T (Fig. 1), le détecteur de courant DD donne au disjoncteur Dl, sur une sortie 3, un ordre d'ouverture.35 L'ouverture du disjoncteur Dl, qui s'accompagne d'un grand soufflage de gaz entre ses contacts, force le courant de défaut à traverser la résistance Ri, étant donnée la faible tension à ses bornes. En effet, cette tension est par exemple égale à 10.OOOA x 0, 1 Q = 1.000 V, si le courant de défaut est de 10.000 A. Selon la valeur du courant de défaut, la résistance Ri changera de valeur ohmique par effet Joule plus ou moins vite, par exemple en 15 millisecondes si le courant de défaut est de 10.000 A, en 60 millisecondes si le courant de défaut est de 5.000 A.10 Le changement brusque de valeur ohmique de la résistance Ri provoque une brusque diminution du courant; cette diminution est détectée par le détecteur DD qui, lorsque la valeur du courant atteint par valeur inférieure un premier seuil prédéterminé, donne sur une sortie 4, un15 ordre d'ouverture au disjoncteur D2. Ce seuil est par exemple compris entre 2inl et inl, soit entre deux In normal operation, the circuit breakers Dl and D2 and the disconnector S are closed. The current flows through the circuit breakers, the ohmic value of the contact resistances is low compared to the ohmic value of the resistors Ri and R2. The current also flows through the disconnector S. In the event of a fault, for example at T (Fig. 1), the current detector DD gives the circuit-breaker Dl, on an output 3, an opening order. 35 The opening of the circuit-breaker Dl, which is accompanied by a large blowing of gas between its contacts, forces the fault current to pass through the resistor Ri, given the low voltage across its terminals. Indeed, this voltage is for example equal to 10.OOOA x 0, 1 Q = 1,000 V, if the fault current is 10,000 A. According to the value of the fault current, the resistance Ri will change in ohmic value by Joule effect more or less quickly, for example in 15 milliseconds if the fault current is 10,000 A, in 60 milliseconds if the fault current is 5,000 A.10 The sudden change in resistance value of the resistance Ri causes a sudden decrease in the current ; this reduction is detected by the detector DD which, when the value of the current reaches by a lower value a first predetermined threshold, gives on an output 4, an order of opening to the circuit breaker D2. This threshold is for example between 2inl and inl, or between two
trentecinquièmes et un trentecinquième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-circuit de la ligne. thirty-fifths and one-thirty-fifth of the maximum value (Icc) of the line short-circuit current.
Le courant qui, à l'ouverture du disjoncteur Dl, traversait la résistance Ri et le disjoncteur D2, traverse, à l'ouverture du disjoncteur D2, la résistance R2. Ce courant ayant une valeur supérieure à la valeur in2 définie plus haut, provoque l'échauffement rapide de la résistance R2 dont la valeur ohmique croît, provoquant une nouvelle25 diminution du courant dans la ligne. Cette diminution est plus ou moins rapide selon la valeur du courant traversant la résistance R2. Après le fonctionnement de la résistance R2, le courant résiduel est coupé par le sectionneur, dès détection par le détecteur DD du passage par valeur inférieure d'un second seuil prédéterminé. Cet ordre est transmis par une The current which, at the opening of the circuit breaker Dl, crossed the resistance Ri and the circuit breaker D2, crosses, at the opening of the circuit breaker D2, the resistance R2. This current having a value greater than the value in2 defined above, causes rapid heating of the resistor R2 whose ohmic value increases, causing a further reduction of the current in the line. This decrease is more or less rapid depending on the value of the current passing through the resistor R2. After the resistor R2 has operated, the residual current is cut by the disconnector, upon detection by the detector DD of the passage by a lower value of a second predetermined threshold. This order is transmitted by a
liaison 5. Le seuil précité est par exemple compris entre in2 et 0,5 in2, soit environ entre un cinqcentième et un millième de la valeur maximale (Icc) du courant de court-35 circuit de la ligne. link 5. The aforementioned threshold is for example between in2 and 0.5 in2, or approximately between one five hundredth and one thousandth of the maximum value (Icc) of the line short-circuit current.
On notera que la résistance R2 est avantageusement équipée d'un dispositif de chauffage rapide C qui est mis en route dès l'ouverture du disjoncteur Dl, soit par un ordre émis par le détecteur de défaut DD (liaison 3'), soit par une commande non représentée liée au déplacement des contacts du disjoncteur D1. Ce dispositif de chauffage, en It will be noted that the resistor R2 is advantageously equipped with a rapid heating device C which is started as soon as the circuit breaker Dl is opened, either by an order issued by the fault detector DD (link 3 '), or by a command not shown linked to movement of the contacts of circuit breaker D1. This heating device, in
chauffant rapidement la résistance R2 à une température de 100 C environ, permet d'accélérer la transition de la résistance R2. rapidly heating the resistor R2 to a temperature of approximately 100 ° C., makes it possible to accelerate the transition from the resistor R2.
La coupure sans défaut du courant nominal In, ou d'un courant de valeur inférieure à In, est effectuée selon le même processus que celui qui vient d'être décrit, mais en commandant l'ouverture du disjoncteur D1 directement, sans faire intervenir à ce stade le détecteur de défaut.15 En variante, pour la coupure intentionnelle d'un courant de valeur inférieure à la valeur nominale In, on peut n'ouvrir que le disjoncteur D2, en inhibant le premier seuil du détecteur de courant. Pour la coupure d'un courant inférieur ou égal à 0,01 In, si le sectionneur ne peut pas couper ce courant, on utilisera le dispositif de chauffage C pour chauffer la résistance R2 avant d'ouvrir le sectionneur S. Les disjoncteurs D1 et D2 sont choisis pour avoir un "temps d'ouverture" de l'ordre de 20 millisecondes; le The fault-free disconnection of the nominal current In, or of a current with a value less than In, is carried out according to the same process as that which has just been described, but by controlling the opening of the circuit breaker D1 directly, without involving any this stage the fault detector. 15 As a variant, for the intentional breaking of a current of value lower than the nominal value In, it is possible to open only the circuit breaker D2, by inhibiting the first threshold of the current detector. For breaking a current less than or equal to 0.01 In, if the disconnector cannot cut this current, use the heating device C to heat the resistor R2 before opening the disconnector S. The circuit breakers D1 and D2 are chosen to have an "opening time" of the order of 20 milliseconds; the
sectionneur a un temps d'ouverture de quelques secondes. disconnector has an opening time of a few seconds.
Pour une tension nominale du réseau plus élevée, par exemple 200kV au lieu de 100 kV, on pourra constituer l'ensemble 1 avec deux groupes Rl- Dl en série et deux groupes R2-D2 en série, les disjoncteurs dans chaque groupe30 étant commandés simultanément et avec les mêmes séries de seuils que celles indiquées plus haut. Le sectionneur S devra avoir une tenue en tension double et un bon pouvoir de coupure. L'invention trouve application dans l'équipement des For a higher nominal network voltage, for example 200 kV instead of 100 kV, assembly 1 can be made up with two Rl-Dl groups in series and two R2-D2 groups in series, the circuit breakers in each group30 being controlled simultaneously and with the same series of thresholds as those indicated above. The disconnector S must have a double voltage withstand and a good breaking capacity. The invention finds application in the equipment of
réseaux à haute tension à courant continu. high voltage direct current networks.
Claims (6)
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- 1996-06-10 EP EP96401236A patent/EP0749140B1/en not_active Expired - Lifetime
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