Technologies for the Utility Industry

Des disjoncteurs d’alternateur au SF6 pour couper des courants de court-circuit jusqu’à 200 kA Lukas Zehnder, Jochen Kiefer, Dieter Braun, Thomas Schoenemann

Dans la famille des disjoncteurs, je demande le plus « costaud » : le disjoncteur d’alternateur. Un défaut atteignant 200 kA en un point quelconque du réseau est déjà catastrophique, mais lorsqu’il se produit à proximité d’un alternateur, il peut littéralement provoquer un séisme. En effet, le courant de défaut peut être tel que les champs magnétiques induits font se plier jusqu’à se rompre les arbres en acier massif. Les disjoncteurs au SF6 HEC 7/8 d’ABB sont conçus pour ces conditions, voire couper les courants que les plus grosses centrales électriques sont susceptibles de leur imposer. Mais comment interrompre des courants aussi élevés à proximité immédiate d’un alternateur ? Et comment l’appareil peut-il efficacement éteindre l’arc électrique produit ?

C

es vingt dernières années ont vu une évolution rapide des disjoncteurs d’alternateur: depuis les premiers appareils à utiliser le SF6 comme milieu 34

d’extinction de l’arc, dans les années 80, jusqu’aux disjoncteurs les plus récents, objet de cet article, qui, avec des courants assignés de 24000 A (refroidissement par

convection naturelle) et 38000 A (refroidissement par ventilation forcée), sont aptes à couper des courants de courtcircuit jusqu’à 200 kA. Revue ABB 3/2002

Aujourd’hui, des disjoncteurs spéciaux au SF6 sont disponibles pour les alternateurs jusqu’à des puissances de 1500 MW. Le surveillant général

Un disjoncteur moderne doit assumer de nombreuses fonctions: n Synchroniser l’alternateur avec le réseau principal n Isoler l’alternateur du réseau principal n Couper des courants de charge (jusqu’au courant nominal de l’alternateur) n Couper des courants de court-circuit alimentés par le réseau ou par l’alternateur n Couper des courants en discordance de phase (jusqu’à 180°) Les performances d’un disjoncteur d’alternateur doivent être nettement supérieures à celles d’un disjoncteur MT. Son installation entre l’alternateur et le transformateur principal, où ses performances ont une incidence directe sur la production de la centrale, impose un niveau de fiabilité élevé. De plus, l’appareillage de sectionnement d’un alternateur peut intégrer, outre le disjoncteur, de nombreux autres dispositifs: sectionneur en série, interrupteurs de mise à la terre, court-circuiteurs, transformateurs de courant, transformateurs de tension unipolaires isolés, condensateurs de protection et parafoudres. Selon le type de centrale électrique, d’autres auxiliaires comme des interrupteurs de démarrage (centrales hydrauliques et à turbines à gaz) et des interrupteurs de freinage (centrales hydrauliques) peuvent également être inclus 1 .

Disponibilité maximale pour un

Bien évidemment, pour tous les exploitants de centrales électriques, la priorité absolue est d’obtenir la plus grande disponibilité possible au moindre coût. Dans ce contexte, les disjoncteurs d’alternateur au SF6 modernes ont un rôle à jouer: n Les zones de protection différentielle de l’alternateur, du transformateur principal et du transformateur de l’appareil peuvent être agencées pour assurer une sélectivité maximale. n Les courants de court-circuit alimentés par l’alternateur sont interrompus en quatre cycles maximum, alors qu’il faut plusieurs secondes en utilisant un équipement de désexcitation rapide. n La disponibilité globale des auxiliaires de la centrale électrique est accrue.

1

Plan d’ensemble de l’appareillage de sectionnement ABB pour alternateur

1

Disjoncteur

9–12

Transformateurs de tension

2

Sectionneur

13, 14

Transformateurs de courant

3, 4

Interrupteurs de mise à la terre

15

Parafoudre

5/6

Interrupteur de démarrage

16, 17

Condensateurs de protection

(SFC ou « dos-à-dos ») 7 8

contre les surtensions

Court-circuiteur/interrupteur

18

Bornes

de freinage

19

Enveloppe

Interrupteur de démarrage (« dos-à-dos ») 7 9

10

11

12

19

18

18

G

T

13

16 3

1 5/6

Revue ABB 3/2002

La synchronisation à basse tension avec un disjoncteur d’alternateur est beaucoup plus fiable que la synchronisation avec un disjoncteur haute tension [1]. n Le transfert rapide sur une source d’alimentation secondaire lors du démarrage ou de l’arrêt de l’alternateur est éliminé. On prévient ainsi les dommages éventuellement causés aux moteurs des pompes, ventilateurs, etc., par les courants d’appel élevés et les efforts électrodynamiques résultants. n L’utilisation de disjoncteurs d’alternateur permet de prélever, à tout moment directement sur le réseau de transport HT, les sources d’alimentation secondaires, surtout lors des phases critiques de démarrage et d’arrêt. Cette méthode est beaucoup plus fiable que l’utilisation d’autres sources. n

coût minimal

2

4

17 15

14

8

35

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1

5 2 Vue en coupe de la chambre de coupure avec les contacts fermés

2

6

7

8

3

10 9

4

12

13

11

n La coupure rapide des courants de court-circuit alimentés par l’alternateur diminue les dommages causés par les défauts et réduit les temps de réparation.

La disponibilité accrue de la centrale et les bénéfices supplémentaires pour l’exploitant font du disjoncteur d’alternateur moderne un excellent investissement,

3 Mouvement des contacts et courant/temps 1

Mouvement du contact d’arc

2

Mouvement du contact principal

t1

Déclenchement de l’organe de

3

Courant

t2

Séparation des contacts principaux

4

Tension dans le disjoncteur

t3

Séparation des contacts d’arc

5

Phase d’élévation de la pression

t4

Extinction de l’arc lors du passage

6

Extinction de l’arc lors du passage

commande

par zéro du courant

par zéro du courant

3 4

1 2

t1 36

t2

t3

1

Enveloppe

2

Système de contacts principaux

3

Système de contacts d’arc (partie segmentée)

4

Système de contacts d’arc (tige)

5

Isolateur

6

Piston(s)

7

Mécanisme de transmission

8

Organe de commande

9

Ouverture du volume d’échauffement

10

Volume d’échauffement

11

Canaux de retour du gaz

12

Soupape de sécurité

13

Clapets anti-retour

avec un temps de retour généralement très court. Conception du disjoncteur

En plus de conduire et d’interrompre les courants de fonctionnement, le disjoncteur (chambre remplie de SF6 sous pression) doit couper les courants de défaut c.a., notamment des courants de courtcircuit cinq ou dix fois supérieurs au courant assigné, ceci dans un délai très court (50 millisecondes environ). La chambre sous pression dans laquelle intervient la coupure du courant se compose principalement de deux enveloppes métalliques, servant également de conducteurs électriques, et d’un isolateur. Les deux systèmes de contacts (contacts principaux et contacts d’arc), de même que leurs pistons de soufflage coaxiaux, sont couplés à un mécanisme de transmission interne qui est connecté à un organe de commande très rapide situé hors de la chambre. Le mécanisme de transmission est Revue ABB 3/2002

4

Vue en coupe de la chambre d’arc montrant l’écoulement du gaz chaud (flèches)

pendant la phase d’élévation de pression (gauche) et le passage par zéro du courant (droite)

conçu pour que, lors de la coupure, les contacts principaux se séparent quelques millisecondes avant les contacts d’arc, assurant la coupure de la totalité du courant par ces derniers. L’arc produit par l’ouverture des contacts d’arc s’éteint lors du passage suivant du courant alternatif par zéro 3 . Pour la fermeture, le processus est inversé: la tension croissante produit un arc dans le système de contacts d’arc qui se ferme, juste avant la mise en contact; le système de contacts principaux se ferme alors pour conduire la totalité du courant. Principe d’extinction de l’arc

Tout comme les modèles de calibres inférieurs de la gamme (Tableau), le HEC 7/8 éteint l’arc selon le principe de l’auto-soufflage: l’énergie nécessaire à l’extinction de l’arc provient de l’arc luimême. L’énergie dégagée par la production de l’arc entraîne très rapidement une importante élévation de la température et de la pression. La convection et la radiation de la chaleur de l’arc provoquent une élévation soudaine de la pression dans le volume «d’échauffement» situé entre le système de contacts d’arc et le piston 4 . C’est à partir de ce volume que le gaz chaud est soufflé pour éteindre l’arc lors du passage par zéro suivant du courant alternatif. L’élévation de la pression résulte également de l’effet de pincement du champ magnétique à l’intérieur de l’arc qui agit comme une force orientée vers le centre de la trajectoire de l’arc. Cette force magnétique générée par le courant provoque, à son tour, un fort écoulement axial à partir de l’arc, fondamentalement Revue ABB 3/2002

un jet de plasma dirigé vers l’extérieur et partiellement dévié vers le volume d’échauffement 5 . Si des courants très élevés circulent pendant la coupure, l’élévation de pression peut être considérable. Une soupape de sécurité spéciale évite les dommages mécaniques en réduisant la pression. Cette soupape a été conçue en collaboration avec ABB Corporate Research dans

le cadre d’un programme expérimental pour mesurer l’élévation de pression dans le volume d’échauffement, dans la trajectoire de retour des gaz et dans le jet de plasma lui-même. L’énergie relativement modérée de l’arc aux faibles courants est incapable de créer une pression suffisante pour un effet d’auto-soufflage important. C’est ici qu’interviennent les pistons de soufflage

5

Géométrie

(haut), photo (centre) et simulation de l’écoulement (bas) d’un jet de plasma avec les zones de choc. Le jet de plasma prend naissance dans la zone d’amorçage de l’arc (bord gauche) et frappe la soupape de sécurité (bord droit).

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coaxiaux: en appuyant l’élévation de pression dans le volume d’échauffement, ils contribuent à un meilleur soufflage et, donc, à l’extinction de l’arc.

vie de l’appareil et des caractéristiques extrêmes du plasma à supporter. n Erosion du métal aussi faible que possible pour minimiser la contamination du gaz isolant et sa dégradation. n Stabilité mécanique en présence des efforts électrodynamiques et des manœuvres. n Force optimale des contacts sur la totalité de la plage de courant en équilibrant soigneusement les passages de courants de répulsion et d’attraction. n Garantie d’une résistance électrique faible et d’une conductivité thermique élevée.

1

2

Passage par zéro

Peu de temps avant le passage par zéro du courant alternatif, la section de l’arc, la pression dans la zone d’arc et les effets d’échauffement local diminuent de façon significative. Si les contacts se séparent juste avant le passage par zéro du courant, l’élévation de pression dans le volume d’échauffement peut être insuffisante pour éteindre l’arc. Dans ce cas, le disjoncteur attend un demi-cycle (jusqu’au passage par zéro suivant) pour que la pression soit suffisante.

3

4

6

Doigt du système segmenté de

contacts d’arc 1

Bride

2

Doigt du contact

3

Raccord

4

Pointe d’extinction de l’arc

Une mission délicate

Le système de contacts d’arc est littéralement au centre de l’action. Devant supporter des valeurs crêtes de courant pouvant atteindre 600 kA, sa conception doit

répondre à des critères pour le moins implacables: n Réserve de matériau suffisante pour tenir compte de l’érosion sur la durée de

Le contact lui-même comprend une tige centrale maintenue par des doigts segmentés. La figure 6 illustre la structure d’un doigt. Le matériau du socle (1, 2) est un alliage de cuivre élastique (CuCrZr), alors que pour la pointe d’extinction de l’arc (4) on utilise un composite wolframcuivre (5). La liaison entre le socle et la pointe est également en cuivre (3).

Caractéristiques techniques des disjoncteurs ABB au SF6 pour alternateurs Type

HGC 3

HEC 3/4

HEC 5/6

HEC 7/8

Tension assignée

21 kV

25 kV

25 kV

30/25 kV

50/60 Hz

50/60 Hz

50/60 Hz

50/60 Hz

Jusqu’à 7 700 A

Jusqu’à 13 000 A

Jusqu’à 13 000 A

Jusqu’à 24 000 A

–

Jusqu’à 24 000 A

Jusqu’à 24 000 A

Jusqu’à 38 000 A

63 kA

100 kA

120 kA

160/200 kA

IEEE C37.013

IEEE C37.013

IEEE C37.013

IEEE C37.013

maximale Fréquence nominale Courant continu assigné : n refroidissement par

convection naturelle n refroidissement par

ventilation forcée Courant assigné de coupure de court-circuit Norme

38

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Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques du disjoncteur supposent la circulation continue du courant assigné avec une température ambiante de 40°C. La température maximale admissible du point le plus chaud des contacts argentés est de 105°C. Les parties extérieures susceptibles d’être touchées ne peuvent pas dépasser 70°C (dans certains cas 80°C). La conception encapsulée présente l’avantage d’inclure à la fois le courant dans le conducteur interne et le courant de retour dans la gaine externe. Comme ces courants sont déphasés de 180°, l’intensité du champ magnétique externe, et donc la production de chaleur externe, s’en trouvent considérablement réduites. L’analyse par la méthode des éléments finis bidimensionnels de la répartition du courant dans certains composants a permis de localiser des zones de courants forts et de pertes élevées, et de comprendre à quel point l’effet de peau entrave la circulation du courant à différentes fréquences. Des contrôles mécaniques itératifs ont été réalisés pour accroître la précision du modèle, optimiser la section du conducteur et agencer de manière idéale la structure thermique du système. Des ailettes de forme spéciale sur le pourtour de l’enveloppe de la chambre de coupure 7 augmentent sa surface pour maximiser la dissipation thermique. Le refroidissement par ventilation forcée, en améliorant le transfert de chaleur par convection, permet de faire passer le courant assigné de 24 kA à 38 kA par rapport au modèle avec refroidissement par convection naturelle.

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7

Enveloppe de la chambre de coupure

Matériau isolant

Un projet commun entre ABB Corporate Research et la société suisse Vantico a permis de développer une résine époxyde capable de supporter 105°C pendant 30 ans [2]. D’un diamètre de 1 mètre, les dimensions de l’isolateur sont assez imposantes 7 . Essais

Fabriquer un disjoncteur pour supporter des centaines de kiloampères est une chose, mais le tester en est une autre. Heureusement, ABB dispose de ses propres laboratoires en Suisse où des courants d’essai de court-circuit jusqu’à 450 kA peuvent être générés. Le HEC 7/8 étant spécifié pour des valeurs de crête de 600 kA, d’autres essais furent réalisés au laboratoire d’électrotechnique de grande

puissance KEMA 8 d’Arnhem, aux PaysBas. Ses installations fournissent les puissances d’essai les plus élevées au monde. Pour saisir l’importance des essais menés au sein du laboratoire KEMA d’Arnhem, il faut savoir qu’ABB y a envoyé huit personnes pendant trois mois, avec cinq camions remplis de matériel. Les essais de pouvoir de coupure de 160 kA sous 30 kV se sont achevés en mai 2000. S’intéressant à des valeurs de courant supérieures, les chercheurs ont mené d’intenses travaux d’analyse et de simulation qui ont débouché, à l’automne 2001, sur une autre campagne d’essais au laboratoire KEMA, cette fois pour des courants de court-circuit de 190 kA sous 27,5 kV et 200 kA sous 25 kV. Ces valeurs s’apparentent à celles du disjoncteur 39

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de fiabilité les plus élevés possible. ABB a, par la suite, appliqué ces mêmes règles à ses usines de production de disjoncteurs. Champion du monde toutes catégories

La conception de disjoncteurs pour les plus gros alternateurs au monde ne souffre aucun compromis. Une coopération efficace entre de nombreuses équipes de recherche et de développement différentes, y compris des partenaires extérieurs, a créé le climat indispensable à l’innovation technologique et favorisé les principales avancées. Le disjoncteur HEC 7/8 atteint, voire dépasse, les performances attendues sur ce marché de pointe, prouvant ainsi qu’il n’est pas seulement le plus gros disjoncteur au SF6 au monde, ayant subi les essais les plus sévères, mais également le plus performant. Parallèlement, il établit de nouveaux standards économiques qui garantiront sa compétitivité sur le marché. 8 Essais de type au laboratoire d’électrotechnique haute puissance KEMA Auteurs

d’alternateur à air comprimé DR qui, jusqu’à ce jour, a dominé cette application, mais qui n’est plus fabriqué. Sur la base de ces essais, on peut affirmer que le HEC est non seulement le plus gros disjoncteur au SF6 du monde, mais également celui qui a subi les essais les plus complets et les plus probants.

Fiabilité

La fiabilité est évidemment un aspect hautement prioritaire sur ce marché des alternateurs de grande puissance. Dans cette optique, une méthodologie d’analyse des défaillances, mise au point dans les années 60 pour l’aérospatiale, a servi à définir les règles garantissant les niveaux

Dr. Lukas Zehnder Dr. Jochen Kiefer Dieter Braun Dr. Thomas Schoenemann ABB Switzerland Ltd High Current Systems PTHG CH-8050 Zurich Suisse [email protected]

Bibliographie [1] I. M. Canay, D. Braun. G. S. Köppl: Delayed current zeros due to out-of-phase synchronizing. IEEE Transactions on Energy Conversion, 13 (1998) 2, 124–132. [2] K. Guzek, M. Claessens, S. Förster: Starker Schalter. ‘akzent’, ABB Switzerland journal, December 2000.

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