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Cahier technique n° 101

Les disjoncteurs à autosoufflagede SF6 sous contraintes sévères

J.C. HenryG. PerrissinC. Rollier

Collection Technique

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n° 101Les disjoncteurs àautosoufflage de SF6 souscontraintes sévères

CT101 édition octobre 1978

J.C. HENRY

Ingénieur IEG.Chef du Service Technique branche Transport Haute Tension.

G. PERRISSIN

Ingénieur PST.Station d’Essais à Grande Puissance.

C. ROLLIER

Ingénieur ESE.Service Technique Très Haute Tension.

Cahiers Techniques Schneider Electric n° 101 / p.2


Les disjoncteurs à autosoufflage deSF6 sous contraintes sévères

Le développement des réseaux de transport et des réseaux industrielsplace les disjoncteurs haute tension dans des conditions defonctionnement beaucoup plus sévères que celles prévues par les normes.C’est le cas :c des lignes très longues (mises sous tension ou hors tension, coupure desréactances shunt) ;

c des transformateurs à forte puissance lorsqu’un défaut apparaîtimmédiatement en aval de l’appareil.

Le disjoncteur à autosoufflage de SF6 a un comportement satisfaisant et lerecours à l’utilisation de résistances auxiliaires n’est envisagé que pour lamise sous tension des longues lignes haute tension.

Sommaire

1 Introduction p. 4

2 Cas des lignes longues à très haute tension 2.1 L’enclenchement de lignes ouvertes à leur extrémité p. 5

2.2 Le déclenchement de lignes ouvertes à leur extrémité p. 6

2.3 Le déclenchement de réactances shunt p. 8

3.1 Contraintes p. 12

3.2 Résultats d’essais p. 12

3.3 Conclusions p. 13

Arrachement du courant p. 14

Réallumages successifs p. 15

p. 16

Annexe :Les surtensions lors de la coupure desfaibles courants inductifs

3 Cas du défaut alimenté à traversun transformateur

Bibliographie

Cahiers Techniques Schneider Electric n° 101 / p 4

1 Introduction

La connaissance du fonctionnement desréseaux de transport à haute tension et desphénomènes qui s’y déroulent lors de lamanœuvre des disjoncteurs qui les protègent, aprogressé de manière tres sensible au cours desvingt dernières années. L’examen théorique desconditions de fonctionnement, l’analyse desincidents et les travaux de la CIGRE(Conférence Internationale des Grands RéseauxElectriques), ont abouti à un recensement detoutes les conditions qui doivent être prises encompte pour la conception et la vérification desmatériels de coupure destinés aux réseauxhaute tension. En finale, ce processus s’estconcrétisé par la reconnaissance de cesconditions de coupure dans le cadre desNormes Internationales dont le volume et lacomplexité traduisent l’étendue du travailaccompli, certains points faisant encore l’objetde travaux importants.Cependant, de temps à autre, des situationsparticulières ne relevant pas directement desconditions de fonctionnement prévues par lesnormes peuvent apparaître. Par exemple,l’exploitation intense des ressources

hydroélectriques de certains pays, entraînantl’installation de lignes très longues justifie queles concepteurs de ces réseaux définissent desconditions non normalisées pour la vérificationdes disjoncteurs. Ces problèmes serontdéveloppés dans la première partie de cerapport.Des situations exceptionnelles concernentégalement certaines installations comportant destransformateurs de très forte puissance à faibletension de court-circuit. Ces installations d’untype particulier, engendrent pour les disjoncteursdes contraintes sévères qui n’ont pas été prisesen compte dans les normes, parce ques’éloignant trop des conditions de sévéritégénéralement rencontrées par les disjoncteursde réseaux. Ce deuxième problème fera l’objetde la deuxième partie du rapport.Dans chaque cas, on exposera les contraintessubies par le disjoncteur, et les méthodesd’essais utilisées pour s’assurer du boncomportement d’un disjoncteur à autosoufflagede SF6.


2 Cas des lignes longues à très haute tension

La technique de l’autosoufflage de gaz SF6,appliquée depuis longtemps aux appareils desréseaux de distribution à moyenne tension s’estétendue progressivement, du fait de sesavantages, aux appareils des réseaux hautetension [1].

La très bonne expérience d’exploitation obtenuejusque-là a conduit les exploitants de réseaux àchercher à étendre les nombreux avantages deces appareils aux réseaux de tension plusélevée, en particulier aux réseaux 525 kV quiconstituent l’ossature des réseaux de transportde très nombreux pays du continent américainoù l’importance des puissances à transporter etl’éloignement des centres de consommation ontfavorisé le choix de ce niveau de tension élevé.II faut rappeler que le choix d’un niveau detension élevé n’est réellement avantageux que si

l’on a prévu la limitation des surtensionstemporaires et des surtensions de manœuvrequi peuvent se manifester sur un réseau hautetension. Sans cela, le coût supplémentaire del’isolation à prévoir pour le réseau qui devraitsupporter de fortes surtensions, réduit à zérol’économie réalisée par la réduction des pertes.

Le développement des réseaux de tensionsupérieure ou égale à 525 kV a donc nécessitéen particulier la prise en compte de troisconditions de manœuvres qui sont de nature àengendrer les surtensions les plus fortes :

c l’enclenchement et le réenclenchement delignes ouvertes à leur extrémité ;

c la coupure de lignes à vide sous tensionexceptionnellement élevée ;

c la coupure de réactances shunt.

Fig. 1 : coupe d’un élément de pôle de disjoncteur525 kV, équipé de résistances de fermeture.1. Intervalle de coupure2. Condensateur de répartition3. Résistance de fermeture4. Isolement support

2.1 L’enclenchement de lignes ouvertes à leur extrémité

Un disjoncteur protégeant une ligne peut êtreappelé à mettre sous tension cette ligne ouverteà son extrémité.

Les surtensions dues à la réflexion se produisantà l’extrémité ouverte doivent absolument êtremaîtrisées. Les niveaux de surtension àrespecter ne font pas l’objet de normesinternationales pour l’instant et leur spécificationreste du ressort du concepteur de réseau. Parmitoutes les méthodes qui ont été proposées pourla limitation des surtensions d’enclenchement, laplus simple consiste à mettre sous tension laligne par l’intermédiaire d’une résistance choisieen fonction des caractéristiques et de lalongueur de la ligne.

Les disjoncteurs aptes à protéger les réseaux525 kV et 765 kV doivent donc être munis dechambres auxiliaires permettant l’insertion desrésistances pendant un temps déterminé.Cette sujétion, bien acceptée par lesdisjoncteurs à air comprimé, l’est également parles disjoncteurs à autosoufflage de SF6. II a étépossible en effet, d’adjoindre au mécanisme trèssimple de ces appareils, une liaison mécaniqueentraînant les contacts d’insertion desrésistances lors d’une manœuvre de fermeture(cf. fig. 1 ).

Ces contacts reviennent automatiquement enposition d’ouverture immédiatement aprèsI’enclenchement des contacts principaux. Unetelle liaison mécanique assure une excellenteprécision des temps d’insertion des résistancesdans le circuit au moment de la fermeture.


Fig. 3 : pôle d’un disjoncteur à autosoufflage de SF 6 à4 intervalles de coupure, équipé de résistances defermeture.Un = 525 kV ; Ic = 50 kA ; In = 3 150 AFig. 2

Le choix de la valeur de la résistance peut êtreeffectué à partir de mesures sur modèles deréseaux ou par le calcul. En particulier, desmesures effectuées sur analyseur transitoire ontpermis de déterminer les valeurs maximales desrésistances et les temps d’insertion minimaux àprévoir pour la limitation des surtensions deréenclenchement sur une ligne 525 kV de400 km de longueur, à une valeur de 2,2 p.u.lorsque la ligne n’est pas compensée, et à unevaleur de 2 p.u. lorsqu’elle est compensée(cf. fig. 2 ).

Les disjoncteurs à autosoufflage de SF6 équipésd’un jeu de chambres auxiliaires (cf. fig. 3 )comportant des résistances, sont donc en

2.2 Le déclenchement de lignes ouvertes à leur extrémité

Contraintes

La sévérité des conditions imposées à undisjoncteur lors de l’ouverture d’une ligneouverte à son extrémité peut être telle que cesoient ces conditions de coupure qui imposent ledimensionnement du disjoncteur, et enparticulier, le choix du nombre d’intervalles decoupure. Le fait principal est que, un demi cycleaprès la coupure, le disjoncteur doit accepterentre ses bornes une tension au moins égale audouble de la valeur de crête de la tension phase-terre du réseau avant la coupure.Malheureusement, au moment dudéclenchement, il peut se faire que la tensionentre phase et terre du pôle qui doit déclencherait atteint des valeurs très supérieures auxvaleurs spécifiées dans les normes pour l’essaidu disjoncteur dans un tel cas de coupure.

Cette surélévation dynamique de tension peutelle-même être le résultat de plusieurs causes.En particulier, l’ouverture du disjoncteur situé àl’extrémité réceptrice d’une ligne transitant uneforte charge va laisser cette ligne ouverte à sonextrémité.

La tension de celle-ci augmente du fait de lasuppression brusque de la charge qui n’est pasimmédiatement compensée par la régulation detension et du fait de la charge capacitive queconstitue la ligne. Par conséquent, le disjoncteursitué à I’extrémité émettrice peut être appelé àdéclencher la ligne alors que la tension phase-terre à l’extrémité émettrice a largement dépasséla valeur normale.

Les conditions particulières de certains réseauxont fait apparaître la possibilité de surtensionsdynamiques élevées, de l’ordre de 1,5 p.u.,

Ligne non Lignecompensée compensée

à 40 % à 70 %

Valeur de la 360 360 1 000résistance (Ohms)

Temps d’insertion 10 8,4 10(ms)

Niveau de surtension 2,2 2 2(probabilité cumuléeà 98 %) p.u.

mesure de répondre à l’exigence de limitationdes surtensions de réenclenchement, exigencemajeure pour le dimensionnement de l’isolationdes réseaux très haute tension.


Fig. 4 : schéma du circuit synthétique pour coupure decourant de lignes à vide.- Dp : disjoncteur de protection- Db : disjoncteur de blocage- De : disjoncteur en essais- T : transformateur à 2 enroulements secondaires- G : générateur- S1: circuit « courant »- S2 : circuit « tension »- C1: batterie de condensateur du circuit « courant »- C2 : batterie de condensateur du circuit « tension »- U : tension de rétablissement aux bornes de De- I : courant coupé par DeI = I1 + I2 ; U = U2 - UC2

malgré l’effet favorable que produisent lesréactances de compensation sur la limitation dessurtensions dynamiques. Par exemple, latension entre phases d’un réseau 525 kV peuts’élever temporairement jusqu’à 750 kV et celled’un réseau 765 kV, jusqu’à 1 100 kV.Ces conditions sont exceptionnelles et il est biennormal que de telles situations soient excluesdes conditions de vérification précisées par lesnormes pour les coupures de lignes à vide.Néanmoins, le fait que de tels cas concrets seposent a nécessité la vérification de l’aptitudedes disjoncteurs à supporter de telles tensions.Même si l’on peut admettre que de tellesvérifications soient faites sur le lieu mêmed’exploitation du réseau, il est absolumentnécessaire que le constructeur démontre apriori, I’aptitude de son matériel.

Méthodes d’essaisPour des tensions de réseau ne dépassant pas245 kV, il est généralement possible de fairel’essai direct en station d’essais et en utilisantune ligne réelle. Dès que la tension du réseauatteint 420 kV, l’essai direct devient plus difficilepar suite des conditions d’exploitation rendantsouvent impossible la disponibilité d’une ligne àvide de longueur suffisante.

Un autre processus d’essai consiste à simuler laligne à vide au moyen d’une batterie decondensateurs. Là encore, les limites deslaboratoires sont assez rapidement atteintes sil’on tient compte du dimensionnement de labatterie nécessaire à l’obtention des courantsimportants simulant des lignes de grandeslongueurs avec les fortes tensions envisagéesprécédemment. Le constructeur est donc amenéà faire des essais non plus sur un pôle complet,mais seulement sur une fraction de pôle, voirmême sur un seul intervalle de coupure. Cesessais peuvent s’effectuer soit sur un circuitdirect comprenant des batteries decondensateurs de forte capacité, soit à l’aided’un circuit synthétique. C’est cette dernièreméthode que nous avons utilisée ; le schéma estcelui de la figure 4. L’avantage d’un tel circuitest de ne mettre en œuvre que des batteries decondensateurs de faibles dimensions. En effet,sur le circuit « courant » où une forte valeur decapacité est nécessaire, il suffit d’une tensionrelativement basse, et sur le circuit « tension »,une capacité de faible valeur isolée pour lapleine tension convient.

Les essais par éléments séparés pour lacoupure de courants de lignes à vide ne sontpas explicitement prévus dans les normes et leurutilisation demande certaines précautions. Pourles disjoncteurs à durée d’arc minimale faible

(c’est le cas des disjoncteurs à autosoufflage deSF6 le défaut de synchronisme entre intervallesde coupure d’un même pôle, ne doit pasdépasser la valeur de 2 ms environ. II faut eneffet que la surcharge en tension sur le premierintervalle qui ouvre soit négligeable. Un calculrapide montre que, dans le cas d’une duréed’arc minimale de 1 ms, un défaut desynchronisme de 2 ms entraîne une surchargede tension de 7 % sur le premier intervalle quiouvre dans le cas d’un disjoncteur à 4chambres, et de 12 % pour un disjoncteur de 6chambres. Par conséquent, cette méthodes’applique bien au disjoncteur essayé dont lesynchronisme des chambres est bien assuré etqui ne comporte qu’un faible nombred’intervalles de coupure.

Résultats d’essais

Les essais ont été effectués sur un intervalle decoupure du disjoncteur à autosoufflage de SF6,représenté à la figure 2. Les essais représententla contrainte subie par un intervalle de coupured’un disjoncteur qui en comporte 4, dans le casoù la tension entre phases du réseau 525 kVs’élèverait à 750 kV.


2.3 Le déclenchement de réactances shunt

Fig. 5 : oscillogramme relevé lors de la coupuredu courant capacitif sur le circuit représenté à lafigure 3.

N° U2 U I ta(kV) (kV crête) (A) (ms)

1 128 345 815 2

2 128 340 815 9

3 128 353 815 8

4 128 340 815 6

5 128 352 815 5

6 128 352 815 3

7 128 353 815 2

8 128 355 815 1

9 128 332 815 9

10 128 340 815 8

11 128 332 815 7

12 128 340 815 5

Fig. 6 : résultats des essais de coupure de courant delignes à vide.

Fig. 7 : schéma de branchement des réactancesshunt.

L’utilisation de réactances de compensationbranchées en parallèle sur les lignes est presquetoujours nécessaire dans les réseaux à trèshaute tension. Elles permettent en effet d’éviterde trop fortes surélévations de tension le long dela ligne, dans le cas où celle-ci est à vide oufaiblement chargée. On connaît également l’effettrès favorable qu’exercent les réactances decompensation sur les surtensions dynamiquesen cas de rupture de charge à l’extrémité d’unelongue ligne. Enfin, les réactances exercentaussi un effet favorable sur la limitation dessurtensions de manœuvre d’enclenchement oude réenclenchement de lignes à vide.

Plusieurs possibilités s’offrent alors pourbénéficier des avantages des réactances shunt :

c brancher en permanence, en parallèle surchaque phase de la ligne, une inductance dontla valeur est choisie pour être acceptable danstous les cas de fonctionnement du réseau ;

c ou bien connecter I’inductance à la ligne parl’intermédiaire d’un disjoncteur dontl’enclenchement ou le déclenchementcommandé permet une plus grande souplesse

dans I’utilisation de la réactance selon la chargetransmise par la ligne (cf. fig. 7 ).

Ces disjoncteurs fonctionnent dans desconditions particulières puisqu’ils ont àinterrompre un courant faible (quelquescentaines d’ampères) et qu’ils manœuvrent trèsfréquemment.

Ils doivent donc posséder une très grandefiabilité mécanique, et ne pas provoquer des

La figure 5 représente un oscillogramme d’unetelle coupure.La tension d’essai est déterminée d’après larelation suivante :

U x x kV2 1 2750

3

14

, =

Les essais ont été effectués conformément à lanorme en ce qui concerne l’instant de séparationdes contacts. Les résultats en sont indiquésdans le tableau de la figure 6.

Ces résultats ne donnant lieu à aucunréamorcage, démontrent bien I’aptitude dudisjoncteur à couper les lignes à vide dans lesconditions sévères décrites précédemment.


Fig. 8 : schéma du circuit d’essais de coupure decourant inductif.

surtensions anormales lors de la coupure de cecourant.L’excellente fiabilité des disjoncteurs àautosoufflage de SF6 a déjà fait l’objet depublications [1], elle est principalement due à lasimplicité de leur conception.

En revanche, le comportement des disjoncteurslors de la coupure des faibles courants inductifsest assez mal connu et l’établissement desnormes d’essais correspondantes s’avèredifficile du fait du grand nombre de paramètressusceptibles d’intervenir et du caractère aléatoiredes résultats généralement obtenus. D’autrepart, il est rarement possible de représentercorrectement en laboratoire, les conditionsréelles de fonctionnement des disjoncteursprévus pour des tensions très élevées.

On rencontre généralement deux difficultés :

c tension d’essai trop faible ;

c capacités propres du circuit d’essai tropélevées.

II est donc très souhaitable de pouvoirprédéterminer les surtensions susceptibles de seproduire dans n’importe quelles conditions defonctionnement, en se basant sur les résultatsd’essais effectués dans des conditions précises,si possible avec un nombre réduit d’intervallesde coupure en série. Des auteurs ont déjà misen évidence certaines lois de variation ducourant arraché, générateur de surtensions [2].On verra que les résultats obtenus en stationd’essais sur un disjoncteur à autosoufflage deSF6 du type représenté à la figure 3 vérifientbien ces lois et qu’ainsi, une évaluation dessurtensions maximales que peut engendrer untel disjoncteur, est possible.

Conditions d’essais

Deux séries d’essais différentes totalisant plusde 100 coupures ont été effectuées sur plusieurséléments du disjoncteur. Dans les deux cas, lescircuits d’essais sont monophasés ; leurscaractéristiques essentielles sont les suivantes(cf. fig. 8 ) :

c Série N° 1U = 235 kVf = 50 HzI = 245 - 517 - 1 100 AC1 = 1 µFC2 = 46 - 127 nFNombre d’intervalles de coupure en série = 3

c Série N° 2U = 20 - 40 kVf = 50 HzI = 250 - 500 AC1 = 17nFC2 = 1,9 à12 nFNombre d’intervalles de coupure en série = 1ou 2.

La série N° 1, effectuée sur un disjoncteur à 3chambres est représentative du fonctionnementd’un appareil à 4 chambres sur un réseau525 kV. La tension du circuit d’essai de 235 kVétait la plus haute valeur de tension disponibleau laboratoire. Au cours de cette série, il n’a pasété possible de réduire la capacité du circuit avalà une valeur suffisamment faible pour êtrereprésentative de la capacité propre d’uneréactance shunt. C’est pourquoi, des essais ontété effectués à tension réduite, avec descapacités aval de faible valeur, afin d’étudierl’influence du nombre d’intervalles de coupure etde la capacité sur la valeur du courant arraché.

Résultats d’essais

Deux phénomènes sont susceptibles de seproduire à l’occasion de la coupure des faiblescourants inductifs : l’arrachement de courant etles réallumages successifs (voir annexe 1).A l’occasion des deux séries d’essais,l’arrachement de courant a été observé de façonpresque systématique, mais aucune coupure n’adonné lieu à des réallumages successifs. Cerésultat est très important car il signifie que lessurtensions produites par le disjoncteur peuventêtre prédéterminées de façon sûre si on peutconnaître la loi de variation du courant arrachéen fonction des paramètres du circuit. Desrésultats qui ont été obtenus antérieurement parles auteurs à l’occasion d’essais de disjoncteur àautosoufflage de SF6 aussi bien que certainesétudes théoriques et expérimentales publiéesmontrent que le courant arraché serait déterminépar la relation suivante :

I0 3 '= λ n C (6)

où I0 est le courant arraché, λ est un coefficientpropre au disjoncteur exprimé enAmpères (Farad)-1/2, n est le nombred’intervalles de coupure en série par pôle, C’3est la capacité en parallèle sur le pole.

Pour déterminer le coefficient λ, grâce auxrésultats d’essais, seuls sont pris en compte lesrésultats obtenus pour des durées d’arcsupérieures ou égales a 5 ms. Les durées d’arcplus courtes donnent lieu à des courants


arrachés qu’il n’est pas intéressant d’étudier dufait de leurs faibles valeurs et de leur dispersionainsi que de l’imprécision de leur mesure.

Le tableau de la figure 9 indique les valeursmoyennes de λ obtenues sur les différentscircuits d’essais, chaque moyenne étantgénéralement calculée sur 5 essais. On constateque les valeurs ainsi obtenues sont très voisinesalors que les conditions d’essais couvrent unegamme très étendue des valeurs desparamètres n et C’3 ; ceci démontre que larelation (6) s’applique bien à ce type dedisjoncteur.

Le coefficient λ étant indépendant du circuitd’essai, il est intéressant d’analyser sadistribution statistique pour l’ensemble desessais considérés. La figure 10 représenteI’histogramme des valeurs de λ qui faitapparaître une distribution gaussienne :

la valeur moyenne λ , /= −88 5 103 1 2x A F

l’écart type σ /= −14 103 1 2x A F .

La courbe de fréquence cumulée de λ estreprésentée sur la figure 11 sur laquelle esttracée également la loi normale correspondant àλ et σ. On constate que la distribution de λ suitbien une loi normale en particulier pour lesvaleurs supérieures à la valeur moyenne. Cecipermet de calculer la probabilité d’existence desfortes valeurs de courant arraché.

Calcul des surtensionsDans le cas général où la capacité amont estgrande devant les autres capacités du circuit, lefacteur de surtension est donné par la relationsuivante, établie dans l’annexe 1 :

kn L

Um = +1

22

2λ

(10)

où L2 est la self aval et Um est I’amplitude de latension phase-terre.

Le coefficient λ étant connu de facon statistique,il est possible de calculer la probabilitéd’apparition des surtensions dans le cas dudisjoncteur à 4 intervalles de coupure, utilisépour la manœuvre des réactances shunt sur unréseau 525 kV. A titre d’exemple, considérons3 valeurs de réactances correspondantrespectivement à des puissances monophaséesde 37, 75 et 150 MVA. En appliquant à λ la loinormale définie au paragraphe précédent, onobtient les résultats consignés dans le tableau dela figure 12.

Ces valeurs de surtension prédéterminées, bienque reposant sur un échantillonnagerelativement restreint (environ 100 essais)montrent néanmoins que le disjoncteur essayéne produira pas de surtension anormalementélevée en utilisation sur le réseau.

A titre de comparaison, des essais effectués surun disjoncteur à air comprimé ont permis de

Fig. 10 : histogramme des valeurs du coefficient λ.

Nombre de chambres 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3

Tension (kV) 20 20 20 20 40 20 20 20 40 235 235 235

Courant coupé (A) 250 250 250 250 500 250 250 250 500 245 517 1 100

C’3 (nF) 4,2 5,2 9,2 9,5 9,2 3,9 7,9 8,3 7,9 110 45 47

λ x 10-3 94 89 95 90 92 81 84 96 96 81 74 92

Fig. 9 : valeur moyenne du coefficient λ pour les durées d’arc inférieure à 5 ms.

Fig. 11 : fréquence cumulée des valeurs du coefficient λ.résultats expérimentauxloi normale : λ = 88,5 x 103; σ = 14 x 103


déterminer pour le coefficient X une valeurmoyenne de 230 A F-1/2 soit une valeur trois foisplus élevée que celle correspondant audisjoncteur à autosoufflage de SF6. L’applicationde la méthode de prédétermination dessurtensions de coupure de courant inductif à undisjoncteur à air comprimé comportant sixintervalles de coupure et pour les valeurs deréactances considérées précédemment, indiqueque les niveaux de surtension dépasseraientlargement les niveaux admissibles. Enconséquence, la limitation des surtensions pardes résistances s’imposerait. On dispose

k

P 150 MVA 75 MVA 37 MVA

10-2 1,27 1,5 1,87

10-3 1,32 1,57 2

10-4 1,35 1,62 2,07

Fig. 12 : probabilité calculée des niveaux de surtension.

d’ailleurs de résultats d’essais comparatifseffectués sur le réseau de Hydro-Québecmontrant que la coupure de réactances par desdisjoncteurs à air comprimé non munis derésistances d’ouverture est accompagnée desurtensions inacceptables.

II est donc probant que cet important avantagedu disjoncteur à autosoufflage de SF6 considéré,sera apprécié puisqu’il permet d’utiliser pour lamanœuvre des réactances, un appareil nonmuni de résistances sans aucun risque pour lesisolations des réactances.


Fig. 13 : oscillogramme de la TTR relevé lors de lacoupure d’un défaut en aval d’un transformateur220/60 kV.P= 150 MVA ; Ucc = 10,3 %.

3 Cas du défaut alimenté à travers un transformateur

3.1 Contraintes

La sévérité que présentent, pour un disjoncteur,les conditions crées au moment de la coupured’un court-circuit situé en aval d’untransformateur, ont déjà été décrites [3] [4]. II aété mis en évidence que la coupure d’un telcourt-circuit, quoique d’intensité largementinférieure à la pleine capacité de coupure d’unappareil, pouvait mettre en difficulté certainstypes de disjoncteurs. En particulier, unecertaine sensibilité des disjoncteurs à faiblevolume d’huile est expliquée par le fait que pourles courants de défaut relativement faibles, lapuissance de déionisation, fonction de l’intensitédu courant coupé, était insuffisante compte tenude la rapidité avec laquelle se rétablit la tensiondans un circuit oscillant à fréquence très élevée.II a également été remarqué des conditionsd’installation de disjoncteurs à air comprimédans lesquelles le disjoncteur n’était pas enmesure de couper un courant de court-circuitreprésentant 40 % de son pouvoir de coupure dufait de la valeur de la fréquence de la tension derétablissement composée principalement del’oscillation à 20 kHz d’un transformateur de150 MVA (cf. fig. 13 ).De tels cas se rencontrent de plus en plusfréquemment dans les installations alimentées àdes tensions de 72 à 170 kV, et leur sévérités’accroît, compte tenu de la puissance destransformateurs installés. La sévérité desconditions de coupure s’accroît, également

lorsqu’il s’agit de transformateurs à faible tensionde court-circuit, utilisés pour l’alimentation decertaines installations industrielles.Les conclusions tirées d’études menées sur detels réseaux montrent que les TTR relevéesdans le cas de défaut alimenté à travers letransformateur, sont largement plus sévères quecelles spécifiées par les normes pour lescourants de court-circuit correspondant à10 et 30 % du pouvoir de coupure. II était doncimportant de s’assurer que le disjoncteur àautosoufflage de SF6 ne serait pas mis endifficulté dans des cas semblables.

3.2 Résultats d’essais

L’appareil essayé est un disjoncteur àautosoufflage de SF6 comportant un seulintervalle de coupure (cf. fig. 14 ) utilisable surles réseaux de tension allant de 72 à 170 kV.L’utilisation d’une réactance dans l’air, située enaval du disjoncteur (cf. fig. 15 ) a permis deréaliser les essais pour les valeurs de courantfaible (1 et 2,5 kA). Les possibilités de réglagede la valeur du courant sur ce circuit étantlimitées, on a utilisé par la suite un circuit d’essaissynthétiques à injection de courant pour unegamme de courants coupés allant de 5 à 20 kA.

Le tableau de la figure 16 résume les conditionsd’essais et les résultats obtenus.

Les essais effectués présentent des conditionsde sévérité qui se situent très largement au-delàde celles requises par les normes. Les résultatsobtenus démontrent bien l’aptitude de cedisjoncteur à surmonter les contraintes les plussévères qui peuvent apparaître dans le cas où

Fig. 14 : disjoncteur à autosoufflage de SF 6 à1 intervalle de coupure pour les tensions de 72 à 170 kV.


des défauts sont alimentés par destransformateurs puissants, tels qu’on enrencontre dans certains types d’installations.

3.3 Conclusions

Fig. 15 : circuit d’essais comportant une réactanceélevée en aval du disjoncteur.

Fig. 16 : résultats d’essais de coupure à fréquence élevée.

Essais Courant Nombre 1ère crête Fréquence T1 ou T3 VATRcoupé d’essais de tension F (kHz) (µµµµµs) (kV/µµµµµs)I (kA) U1 ou Uc

(kV)

Essais avec 1,1 5 140 17 26 5,4self aval 2,5 6 85 28 15 5,7

Essais 5 10 126 33 13,5 9,3synthétiques 10 3 126 22 20 6,3

10 2 126 50 9 1415 3 139 22 20 7

5 3 250 18 24,5 10,210 5 250 18 24,5 10,215 3 250 19 23 10,920 2 250 21 21 11,9

II a été mis en évidence qu’il peut apparaîtrepour les disjoncteurs des réseaux ou desinstallations industrielles, des conditions defonctionnement exceptionnelles s’écartantlargement ou n’entrant pas encore dans le cadredes conditions normalisées.

Elles concernent tout spécialement :

c la coupure et l’enclenchement des courants delignes à vide sous des tensions exceptionnel-lement élevées ;

c la coupure de courants de réactances shunt delignes haute tension ;

c la coupure de courants de court-circuitalimentés à travers un transformateur.

Dans chaque cas, il a été possible de démontrerpar des essais effectués en laboratoire, que lesdisjoncteurs à autosoufflage de SF6 essayés,sont capables de faire face à des conditionsparticulièrement sévères pour lesquelles lesdisjoncteurs de technique plus anciennepouvaient être mis en difficulté.


Annexe :Les surtensions lors de la coupure des faibles courants inductifs

Fig. 17 : schéma représentatif de la coupure d’uncourant inductif.

Fig. 18 : coupure avec arrachement de courant :id : courant dans le disjoncteuri2 : courant dans le self avalu2 : tension aval

Les phénomènes susceptibles d’engendrer dessurtensions à la coupure des faibles courantsinductifs sont bien connus. Ils sont de deux types :c l’interruption anticipée du courant,communément appelée « arrachement decourant »,c les réallumages successifs.Ces deux phénomènes peuvent d’ailleursapparaître successivement à l’occasion d’unemême manœuvre (cf. fig. 17 ).

Dans les deux cas, le courant id est interrompualors que le courant i2 n’est pas nul, par suited’oscillations à haute fréquence qui sesuperposent à la composante du courant àfréquence industrielle, dans le disjoncteur.

Arrachement du courant

Le courant id s’interrompt alors que le courant i2est égal à io et que la tension u2 a pour valeur U0(cf. fig. 18 ).

Si on peut négliger l’amortissement du circuitaval pendant 1/4 de période de son oscillationpropre, le calcul de la surtension est évident :

U ULCc

'= +0

2 2

20

2I (1)

où C’2 est la capacité en parallèle sur la self L2,après la coupure :

C CC C

C C'

2 21 3

1 3= +

+ (2)

Si Um est l’amplitude de la tension aval avant lacoupure :Uo ≈ Um (3)le coefficient de surtension

kUU

c

m = s’écrit alors :

k = +1 2ε (4)

où

ε '

=I0 2

2ULCm

(5)

II est intéressant d’étudier le terme ε lorsque lavaleur du courant arraché vérifie la loi :

I0 3 '= λ n C (6)


où n est le nombre d’intervalles de coupure ensérie sur un pôle et C’3 est la capacité enparallèle sur un pôle :

C CC C

C C'

3 31 2

1 2= +

+ (7)

La relation (4) devient :

ε λ

=

++

nL

U

C C

C Cm

2 1 3

1 2(8)

En règle générale, les valeurs des capacitéssont telles que :C1 >> C2 and C1 >> C3

La relation (8) devient donc :

ε λ =

nL

Um

2(9)

d’où kU

nLm

= +12

2 2λ

(10)

II existe toutefois une limite supérieure de lavaleur de L2 au-delà de laquelle cette relation nes’applique plus. Cette limite est atteinte lorsquele courant arraché est égal à I’amplitude ducourant coupé.

En définitive, s’il se produit un arrachement decourant sans réallumage, le niveau desurtension peut être prédéterminé. De plus, si lacapacité amont est grande par rapport auxautres capacités, le niveau de surtension nedépend que du nombre d’intervalles de coupurepar pôle et de la valeur de la self aval, pour untype de disjoncteur et une tension donnés.

Réallumages successifs

Le phénomène des réallumages successifsillustré par la figure 19 a été décrit dans lalittérature [5]. II faut essentiellement retenir que,dans ce cas, la surtension est due au transfertdans la capacité aval de l’énergie qui estréinjectée dans le circuit aval à l’occasion dechaque réallumage. Le maximum de tensionn’est pas nécessairement atteint lors de lacoupure définitive, mais il peut se produire plustôt, en fonction des échanges d’énergie entre lecircuit amont et le circuit aval. Le niveau desurtension dépend de nombreux paramètres telsque :

c la fréquence propre du circuit aval ;

c l’instant d’ouverture des contacts par rapport àla phase du courant ;

c la vitesse de rétablissement de la rigiditédiélectrique entre contacts ;

c les caractéristiques de l’oscillation de courantà haute fréquence qui dépendent elles-même dela distance séparant les capacités amont et aval.

La nature de certains de ces paramètres confèreà ce phénomène un caractère très aléatoire et ilparaît très difficile de prédéterminer le niveau desurtension qui pourra être atteint sur un réseaudonné. Ceci est encore aggravé par l’interactionqui peut se produire entre les phases. Fig. 19 : coupure suivie de plusieurs réallumages

successifs.


Bibliographie

[1] Vers le disjoncteur sans entretienCIGRE 1974 – Rapport 13-06.R. Michaca, J. Verdon, J.C. Okerman, C. Rollier,J. Daillet, B. Trolliet.

[2] Coupure de réactances shunt - Comparaisonentre essais in situ et essais en laboratoireCIGRE 1976 - Rapport 13-04.S. Berneryd, C.E. Solver, L. Ahlgren, R. Erikson.

[3] Tension transitoire de rétablissement relativeà la coupure de courants de court-circuit limitéspar des transformateursCIGRE 1970 - Rapport 13-07.Comité d’études n° 13.

[4] Transient recovery voltages associated withpower system, three-phase transformersecondary faultsIEEE PAS 91 - September/October 1972 pages1887 à 1896.R. Harner and J. Rodriguez.

[5] Comparaison des surtensions de contacteursHT à coupures sous vide et dans l’airCahier Technique n° 66.J.L. Mircovich, G. Perrissin.

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