9

Circuit d'essais synthetique de I'lREQ

Par G. S t -Jean , V. ZajJC et Y. LatOUr, Institut de recherche de VHydro-Quebec, Varennes, Quebec.

Ce rapport presente certaines caracteristiques particulieres du circuit synthetique de la station a grande puissance de I'lREQ (Hydro-Quebec). Ce circuit permettra de multiplier la puissance d'essai de la station lors d'essais sur disjoncteurs et sur parafoudres.

This report gives some particular characteristics of the synthetic test circuit of the High-Power Laboratory of IREQ (Hydro-Quebec). This circuit will make possible a multiplication of the testing power of the station when applied to circuit breakers and surge diverters.

Introduction

Cest un fait reconnu que, a l'heure actuelle, la demande d'energie electrique double a tous les 10 ans au Quebec. Ce phenomene impose de graves exigences sur l'appareillage de protection d'un reseau elec­trique dont la vie peut facilement atteindre 20 ans. En effet, dans 20 ans le reseau de 1'Hydro-Quebec aura quatre fois sa puissance actuelle et lors d'un court-circuit accidentel, les disioncteurs de protection devront pouvoir isoler le point en defaut du reste du reseau contre cette puissance accrue.

Ce pouvoir d'interruption des disjoncteurs doit done etre vefifie des maintenant dans des laboratoires de grande puissance. Toutefois, les sources de puissance requises sont tres onereuses et ne permettent pas des essais sur disjoncteurs complets. Ainsi, les disjoncteurs sont faits de plusieurs elements identiques de puissance reduite, qui sont bran­ches en serie pour former l'appareil.

L' augmentation des puissances prevues pour les grands reseaux a fait un bond en avant dans les dernieres annees de sorte que nous trouvons deja des disjoncteurs de 100,000 MVA, soit 7 fois la puis­sance actuelle du reseau de 1'Hydro-Quebec. Afin de ne pas augmen-ter le nombre des elements constituant un disjoncteur au-dela d'une limite acceptable du point de vue fiabilite, les elements ont atteint des puissances qu'aucune station grande puissance ne possede a l'heure actuelle.

Au lieu d'augmenter la puissance de leurs laboratoires a des couts exorbitants qui sont superieurs a $2,000.00 par MVA, les stations d'essais utilisent des methodes synthetiques qui permettent de multi­plier la puissance installee par un facteur de 6 ou plus par 1'addition d'un circuit appele "circuit Haute Tension".

Le cout de ce circuit est fonction de l'energie de sa batterie de condensateurs qui en est le composant majeur, et la puissance equiva-lente est fonction de cette energie et de la performance du circuit. Sur ce dernier point, le circuit propose pour I'lREQ est de beaucoup superieur aux solutions classiques et coute moins de $100. par MVA.

Les caracteristiques particulieres de ce circuit seront maintenant presentees.

Principe de l'essai synthetique

Le circuit propose ici utilise la methode d'essais synthetiques connue generalement sour le nom " a injection de courant". Ce type etant le plus accepte, il est actuellement utilise dans les deux plus grands circuits synthetiques existants, situes aux Renardieres (France) etauC.E.S.I. en Italic

La methode consiste a produire les deux contraintes (courant et tension) sollicitant la puissance d'interruption d'un disjoncteur par deux circuits, l'un appele Fort Courant (F.C.) et 1'autre Haute Ten­sion (H.T.).

La source (F.C.) est constituee de la source de puissance de 4,300 MVA monophasee du laboratoire Grande Puissance, qui sera even-tuellement de 5,400 MVA monophasee et 7,200 MVA triphasee a l'aide des 6 transformateurs de 1,200 MVA. Elle fait passer dans le disjoncteur essaye, le courant nominal de court-circuit a une tension egale a une fraction 1/n de la tension nominale. Suite a 1'interruption de ce courant, le circuit H.T. constitue principalement d'une batterie de condensateurs precharges, produit aux bornes du disjoncteur une tension appelee Tension Transitoire de Retablissement (T.T.R.) asso-ciee a la tension nominale du disjoncteur. Selon cette technique, le disjoncteur est essaye avec ces contraintes nominates de courant et tension comme si la tension de la source F.C. etait egale a n fois sa tension veritable. La puissance d'essai du laboratoire devient done multiplied par un facteur n qui peut etre au dela de 6. Ainsi, avec 4,300 MVA de puissance d'essai veritable monophasee, nous pour-rons essayer un pole d'un disjoncteur triphase dont la puissance nomi­nale est de 60,000 MVA et de 75,000 MVA plus tard lorsque nous disposerons d'une source de 5,400 MVA (voir tableau I).

Cette multiplication de la puissance d'essai est la meme pour tous les circuits F.C. en autant que la source H.T. puisse produire avec exactitude les caracteristiques de la Tension Transitoire de Retablis­sement (T.T.R.) prescrite par les normes.

Pour les essais sur disjoncteurs a T.H.T. , ce dernier critere est determinant 1 , 5 et la performance du circuit devient souvent celle du circuit H.T. tel qu'il sera demontre au tableau I. Nous definissons la performance par le rapport de la puissance d'essai du circuit H.T. a son cout. Dans lanalyse physique, nous considerons plutot le rapport de la puissance d'essai a l'energie capacitive du circuit H.T. En effet, la batterie de condensateurs represente pres de 25% du cout total du circuit et en constitue l'element majeur.

Conception d'un circuit d'essai synthetique pour PIREQ

Le circuit synthetique de ITREQ sera constitue principalement d'une batterie de condensateurs de 4 MJ en Phase 1 et 6.5 MJ en Phase II.

II est d'une conception totalement originale, tant du point de vue electrique que physique, et presente une performance plusieurs fois superieure a celle des grands circuits existants. II est protege par deux brevets d ' invention 2 ' 3 et les nouveautes de sa conception ont ete decrites, entre autre, dans quatre publications scientif iques 4 ' 5 ' 6 ' 7 ou les specialistes dans le domaineles ont discutees et approuvees.

Nous allons donner une liste des caracteristiques majeures influen-cant la performance du circuit de meme qu'une explication de la performance dans chaque cas:

• Circuit multi-etage • Circuit a deux frequences

10 CAN. ELEC. ENG. J. VOL 2, NO 4, 1977

• Circuit a exploitation par ordinateur • Circuit a composants amovibles

Circuit multi-etage

Une caracteristique. majeure du circuit qui est brevete 2 est la construction par etage (modulaire) (figure 1). Chacun des deux cir­cuits constituant le circuit complet est forme de 4 etages superposes.

Figure 1: Schema d'un circuit synthetique multi-etage

Ces etages peuvent etre branches Tun a l'autre selon plusieurs combinaisons (voir figure 1). En plus d'offrir des avantages technolo-giques tels que l'usage de composants et d'un chargeur a faible ten­sion pour produire de tres hautes tensions, il donne une solution tres compacte reduisant de beaucoup le volume du hall qui le contient. En effet, nous prevoyons installer une energie totale de 6.5 MJ et une energie maximale de 8.13 MJ dans un hall de 32 x 58 x 20m donnant 219 joules d'energie capacitive par metre cube, comparativement a 10 MJ dans un hall de 100 x 30 x 27m donnant 125 joules par metre cube aux Renardieres (France).

Circuit a deux frequences

Le circuit est compose de deux circuits en serie de frequences differentes (figures 2 et 5) au lieu d'un circuit simple frequence utilise dans les autres laboratoires. Les figures 3 et 4 montrent les TTR produites par le circuit de la figure 2 et respectant respectivement les normes internationales CEI a 4 parametres et a 2 parametres. Les normes sont representees par les secteurs droits identifiant l'enveloppe minimum requise. La figure 6 montre la TTR produite par le circuit de la figure 5 et respectant la norme americaine (ANSI) representee par une enveloppe dont Failure exponentielle et cosinusoidale (EX-COS) est presentee en pointilles.

(msec) Figure 3: Norme CEI a 4 parametres et T.T.R. correspondante

Ces solutions qui etaient jadis cornpliquees a exploiter, sont deve-nues tres accessibles a l'aide d'une methode mathematique que nous avons developpee 5. Le circuit est brevete 3 et il est demontre 6 que la meme puissance d'essai est produite avec lh de 1'energie capacitive requise dans les circuits classiques. En figure 4, nous voyons que, pour l'essai sur un disjoncteur a 420 kV d'une puissance de 10,000 MVA, le rapport de Lenergie capacitive est de 1.19 MJ/3.36 MJ.

Les rangees 1,2, et 3 du tableau I indiquent, pour le cas des normes CEI specifiees pour 100% du court-circuit maximal, que les puissan­ces d'essai equivalentes du nouveau circuit sont limitees respective­ment a 54,34 et 16 GVA, par 1'energie capacitive de 6.5 MJ devant produire la tension (TTR).

Rappelons que selon la figure 4, les puissances equivalentes des circuits classiques ne seraient que le ^ de celles-ci. Les rangees 4, 5 et 6 du tableau I concernant les essais a 60% du court-circuit maximal indiquent une limitation de la puissance equivalente a 60 GVA par le

ST-JEAN/ZAJIC/LATOUR: CIRCUIT D'ESSAIS SYNTHETIQUE 11

700h

E C=3.36MJ

(msec) Figure 4: Norme CEI a 2 parametres. Comparaison de Venergie capacitive Ec requise pour les circuits a 1 frequence et a 2 frequences. Vn = 420 kV et P = 10,000 MVA

"1

\T .B.

C P 2 T ^ V 0 2

Figure 5: Circuit a 2 frequences pour T.T.R.

circuit fort courant actuel de 4,300 MVA. Pour la puissance future de 5,400 MVA, la puissance equivalente augmentera a 75 GVA pour les tensions de 420 et 525 kV et sera limitee a 64 GVA a 765 kV par 1'energie de 6.5 MJ.

Circuit a exploitation par ordinateur

En plus de prevoir la performance du circuit, la methode mathema-tique a ete appliquee a 1'exploitation du circuit et permet de determi­ner systematiquement, a l'aide d'un ordinateur tres simple, les composants specifiques requis a chaque essai. Cette procedure rem-place l'approche classique d'essais et corrections successifs sur le veritable circuit qui est tres longue et couteuse en plus de provoquer une usure acceleree des composants.

Circuit a composants amovibles

Une autre caracteristique dominante et originale est 1'usage de composants amovibles qui peuvent etre deplaces sur coussins d'air dans le hall.

Dans la figure 7A, nous voyons les deux circuits de construction identique situes cote-a-cote. II s'agit des deux circuits simple fre­quence qui sont electriquement branches en serie (figure 2 et figure 5). Chacun des blocs 1, 2, 3 , 4 et 5 est une tour pouvant se deplacer sur le plancher a l'aide de coussins d'air. En figure 7B, nous voyons en elevation certaines de ces tours qui ont 4 etag-es et pourraient en avoir 5 eventuellement pour des besoins speciaux. Cette possibilite offre deux avantages majeurs: 1. Elle permet de distribuer les composants dans la proportion desiree

entre les deux circuits de fagon a toujours utiliser la totalite des composantes existantes, ce qui en cree une economie optimale.

2. Elle permet de produire avec les memes composants d'autres gen­res de circuits destines a essayer des appareils autres que les dis-joncteurs. Cet aspect est unique a notre circuit et lui offre des possibilites d'application illimitees, dont les essais de para-foudres 8. II s'agit d'essais sur des elements complets de para-foudres destines aux reseaux T.H.T. , qui pourront etre effectues pour la premiere fois dans l'histoire des stations d'essai. Dans cette application, la source H.T. seule est requise et la demande de ces essais pourrait fortement rivaliser avec la demande d'essais sur disjoncteurs. Une etude detaillee de cette application est presentee dans l'appendice I.

TABLEAU I Puissance equivalente triphase (P) du

circuit d'essai synthetique, en fonction de la puissance directe disponible et de la forme de la TTR requise

No. Pourcent. du court-circuit maximal prevu par la CEI

100%

100%

100%

60%

60%

60%

Tension nominale V ( k V )

420

525

765

4 2 0

525

765

Pente de la TTR telle que def inie par la CEI S(kV// is )

1

1

1

Energie requise par GVA de puissance equiv. E/p (MJ/GVA)

Puissance equiv. Frequence pour energie d'injection capacitive de 6.5 MJ fi (Hz) P ( G V A )

0.12

0.19

0.40

0.03

0.05

0.10

54

34

16

( 2 1 6 ) 6 0 / 7 5 *

( 1 3 6 ) 6 0 / 7 5 *

( 6 4 ) 6 0 / 6 4 *

260

208

142

520

416

284

* La puissance equivalente triphase est limitee par la puissance directe disponible qui est actuellement de 4300 MVA monophasee

et sera eventuellement de 5400 MVA monophase donnant respectivement les valeurs P = 4,300 ^ 3

3 ^ 6 6 0 G V A e t P = 5 . 4 l 1 ' 3 j 6 ; 75 GVA

1

2

3

4

5

6

puissanc

2

2

2

19

12 CAN. ELEC. ENG. J. VOL 2, NO 4 , 1977

700

(msec.) Figure 6: Norme ANSI (EX-COS) et T.T.R. correspondante. Vn = 420 kV.

Applications du circuit

Ce circuit constitue la derniere partie du laboratoire Grande Puis­sance de 1TREQ.

En plus de permettre une multiplication accrue de la puissance de ce laboratoire lors d'essais sur disjoncteurs, sa conception permet de realiser d'autres circuits d'essais qui sont a l'etude dans le cadre d'un programme de recherche intitule "Techniques d'essais syntheti­ques"

Ce programme a produit a date deux nouveaux circuits permettant d'utiliser les memes composants pour simuler un veritable reseau lors d'essais de parafoudres T.H.T. et de reactances de compensation a T.H.T. Dans le cas des essais de parafoudres, le circuit appele "re-sonnant" peut simuler un reseau de 500 kV ayant un courant de court-circuit de 60 kA, soit une puissance triphasee de 52,000 MVA.

Des recherches sur l'application de ce circuit aux essais de puis­sance de tout 1'appareillage de production et de transport de l'energie electrique se poursuivcnt.

En plus, la batterie de condensateurs de 4 MJ (et eventuellement de 6.5 MJ) pourra etre utilisee dans la recherche fondamentale en physi­que. II y a en effet deux applications majeures possibles; une est la production de la fusion nucleaire par confinement de plasma tel qu'ef-fectuee par un reacteur Tokomak et 1'autre est 1'alimentation de la­sers, tels les lasers a excitation transversale.

" A - A " ( B )

Figure 7: Disposition du hall du circuit synthetique. 1 - tour de condensateurs principaux; 2 - tour de condensateurs de reglage de T.T.R.; 3 - tour de reactances; 4 - tour de resistances; 5 - tour d' eclateurs; 6 - traversee 765 kV; 7 -chargeur 180 kV; 8 - traverse 315 kV; 9 - cloture; 10 - salles de commande; 11- laser; en pointille: extension.

References

1. M. Magnien et M. Pouard "The New High Power Laboratories at Les Renardieres". Proceedings of the American Power Conference, Vol. 35, 1973, pp. 1050-1064

2. Brevet U .S.A. No. 3,604,976 (06.05.1969) V. Zajic. Brevet Canadien No. 930,461 (12.04.1969) V. Zajic.

3. Brevet U .S.A. No. 3,867,686 (12.11.1973) G. St-Jean.

4. V. Zajic, G. St-Jean, "Multi-Stage Synthetic Circuit for Extra-High-Voltage Circuit Breaker Testing", IEEE Trans. Vol. PAS-91, No. 3 May/June 1972, pp. 782-790.

5. G. St-Jean. "'A Method for Calculating Directly the Components of a Synthetic Circuit for the Testing of A.C. Circuit Breakers". IEEE Trans. Vol. PAS-93, No. 1, Ja­nuary/February 1974, pp. 429-435.

6. G. St-Jean, V. Zajic "A Two Frequency Circuit for Producing a Two Parameter TRV". IEEE No. C 74 463-6 presente a la reunion d'ete IEEE Juillet 1974.

7. G. St-Jean, V. Zajic, "A Synthetic Circuit for Meeting the ANSI EX-COS TRV Standards. IEEE No. 75 472-1 presente a la reunion d'ete IEEE Juillet 1975.

8. G. St-Jean, Y. Latour, "Circuit resonnant pour essais sur parafoudres limiteurs de courant". Conference Canadienne sur les Communications et l'Energie. Cat. No. 76 CH 1126-2 REG 7. pp. 505-508, Montreal Octobre 1976.