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Disjoncteur 800 kV au Venezuela
Selon la définition donnée par la Commission électrotechnique internationale, un disjoncteur à haute tension est destiné à établir, supporter et interrompre des courants sous sa tension assignée (la tension maximale du réseau électrique qu'il protège) à la fois :
- dans des conditions normales de service, par exemple pour connecter ou déconnecter une ligne dans un réseau électrique
- dans des conditions anormales spécifiées, en particulier pour éliminer un court-circuit, ou les conséquences de la foudre
De par ses caractéristiques, un disjoncteur est l’appareil de protection essentiel d’un réseau à haute tension, car il est seul capable d'interrompre un courant de court-circuit et donc d'éviter que le matériel soit endommagé par ce court-circuit
1. Principe de fonctionnementLa coupure d’un courant électrique par un disjoncteur à haute tension est obtenue en séparant des contacts dans un gaz (air, SF6 ou hexafluorure de soufre...) ou dans un milieu isolant (par exemple le vide). Après séparation des contacts, le courant continue de circuler dans le circuit à travers un arc électrique qui s’est établi entre les contacts du disjoncteur
Arc entre les contacts d'un disjoncteur à haute tension
À ce jour, tous les disjoncteurs à haute tension (52 kV à 800 kV) utilisent le gaz pour l'isolement et la coupure. La technique de coupure dans le vide est limitée aux applications en moyenne tension
Dans les disjoncteurs à gaz, le courant est coupé lorsqu’un soufflage suffisant est exercé sur l’arc électrique pour le refroidir et l’interrompre
À l'état normal, le gaz contenu dans le disjoncteur est isolant, il permet de supporter la tension du réseau connecté à ses bornes. Lorsque les contacts du disjoncteurs se séparent, l'intervalle entre les contacts est soumis à un fort champ électrique et la température du milieu devient très élevée (elle peut atteindre 15 000°C ou plus), les molécules de gaz sont décomposées et le milieu est alors un plasma (ou gaz ionisé) avec circulation d'électrons et d'ions qui assurent le passage du courant. Sous l'action du soufflage exercé sur l'arc lors du fonctionnement du disjoncteur, la température de l'arc diminue, les électrons et les ions se re-combinent et le fluide retrouve ses propriétés isolantes. La coupure de courant est alors réussie
Pour les disjoncteurs à haute tension, le principe de coupure retenu est la coupure du courant lorsqu'il passe par zéro (ceci se produit toutes les dix millisecondes dans le cas d’un courant alternatif à 50 Hz). En effet, c'est à cet instant que la puissance qui est fournie à l’arc par le réseau est minimale (cette puissance fournie est même nulle à l’instant où la valeur instantanée du courant est nulle), on peut donc espérer, moyennant un soufflage suffisant, mettre à profit cet intervalle de temps pendant lequel le courant est de faible intensité pour refroidir suffisamment l’arc afin que sa température diminue et que l’espace entre les contacts redevienne isolant
2. Historique des techniques de coupure
Les premiers disjoncteurs à haute tension introduits à la fin des années 1890 et au début du vingtième siècle, ont utilisé l’huile ou l’eau pour la coupure, puis c’est la coupure dans l’air atmosphérique qui a longtemps prévalu, l’idée étant alors d’allonger suffisamment l’arc dans l’air afin de provoquer son refroidissement, son extinction et ensuite assurer la tenue de la tension du réseau
2.1. Disjoncteur à huile
Brevet de disjoncteur à eau et huile, déposé en 1923
La coupure dans l’huile s’est ensuite imposée en haute tension après avoir été utilisée en moyenne tension. Sous l’action de l’arc électrique, l’huile est décomposée, plusieurs type de gaz sont produits (essentiellement de l’hydrogène et de l’acétylène) lors de cette décomposition. L’énergie de l’arc est utilisée pour décomposer et évaporer l’huile, ceci permet de refroidir le milieu entre les contacts et par suite d’interrompre le courant à son passage par zéro
Les premiers disjoncteurs à huile avaient des contacts de coupure qui étaient plongés dans de l’huile contenue dans une cuve métallique. Ils sont appelés « disjoncteurs à gros volume d’huile ». Certains sont toujours en service actuellement, par exemple aux États-Unis
Par la suite, dans les années 1950, les « disjoncteurs à faible volume d’huile » ont été conçus pour réduire la quantité d’huile nécessaire et surtout limiter le risque d’incendie inhérent aux disjoncteurs à gros volume d’huile. L’arc se développe dans un cylindre isolant afin de limiter sa longueur et de contrôler autant que possible l’énergie contenue dans l’arc. Cette énergie est utilisée pour générer le soufflage par vaporisation de l’huile comme expliqué précédemment. Cette technique que l’on appelle par « auto-soufflage » sera reprise plus tard pour les disjoncteurs à SF6. Elle a été appliquée pour des tensions assignées atteignant 765 kV et des courants de défaut très élevés, pouvant atteindre 50 kA
Ces disjoncteurs avaient pour principaux inconvénients de nécessiter de nombreux éléments de coupure en série (pour tenir la tension), et de nécessiter un entretien important et délicat (remplacement de l’huile usagée). Ils ont été supplantés par les disjoncteurs à SF6 qui nécessitent peu de maintenance et ont une longue durée de vie
2.2. Disjoncteur à air comprimé
Disjoncteur à air comprimé
Le gaz contenu dans les disjoncteurs à air comprimé est maintenu sous haute pression (30 à 35 bar) à l’aide d’un compresseur. Cette haute pression permet d’assurer la tenue diélectrique et de provoquer le soufflage de l’arc pour la coupure
Le soufflage intense exercé dans ces disjoncteurs a permis d’obtenir de très hautes performances (courant coupé jusqu’à 100 kA sous haute tension) et avec une durée d’élimination du défaut très courte permettant d’assurer une bonne stabilité des réseaux en cas de défaut
Ils ont eu longtemps le monopole des très hautes performances et furent pendant les années 1960 et 1970 utilisés de préférence dans les réseaux à très haute tension, en particulier en Amérique du Nord
Ils nécessitent cependant un entretien périodique, en particulier de leurs compresseurs, ceci explique qu’ils ont été progressivement supplantés par une autre génération de disjoncteurs, celle des disjoncteurs à SF6 (ou hexafluorure de soufre)
A noter que la technique à air comprimé est la seule qui permette encore aujourd’hui d’atteindre les pouvoirs de coupure les plus élevés (275 kA sous 36 kV) qui sont exigés pour certaines applications (disjoncteurs de générateurs)
3. Disjoncteur à haute tension au SF6 (Hexafluorure de soufre)
3.1. Historique
L'utilisation du SF6 pour l'isolation a été brevetée aux États-Unis par Franklin Cooper de General Electric en 1938, et son utilisation pour l’interruption d’un courant a été revendiquée aussi en 1938 dans un brevet allemand par Vitaly Grosse de AEG (Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft)
La première application industrielle du SF6 pour la coupure date de 1953, elle a été faite par Westinghouse pour des interrupteurs en charge à haute tension 15 kV à 161 kV avec un pouvoir de coupure de 600 A
La première réalisation d'un disjoncteur SF6 haute tension a été faite en 1956 par Westinghouse mais le pouvoir de coupure était alors limité à 5 kA sous 115 kV (1000 MVA) et cet appareil devait avoir de nombreux éléments de coupure en série par pôle pour assurer les performances (six chambres de coupure en série)
Dans le même temps, en 1957, les Ateliers de Constructions Electriques de Delle ont réalisé un disjoncteur 23 kV 250 MVA pour cellules de distribution, puis un disjoncteur "Dead Tank" pour locomotive 25 kV 200 MVA
Il faut attendre 1959 pour voir la production par Westinghouse du premier disjoncteur SF6 à grand pouvoir de coupure : 41,8 kA sous 138 kV (10 000 MVA) et 37,6 kA sous 230 kV (15 000 MVA). Ce disjoncteur tripolaire comprenait trois chambres de coupure en série par pôle. Il fonctionnait avec une pression SF6 de 13,5 bar relatifs (au dessus de la pression atmosphérique) pour le soufflage et de 3 bar relatifs pour assurer la tenue diélectrique. Des performances intéressantes étaient certes obtenues grâce aux hautes pressions utilisées, cependant ces appareils présentaient le risque de liquéfaction du SF6 pour des températures inférieures à 5°C, il fallait donc prévoir un maintien en température du réservoir haute pression
Les très bonnes propriétés du SF6 ont entraîné l'extension de la technique SF6 au cours des années 1960 et son utilisation pour le développement de disjoncteurs à fort pouvoir de coupure sous des tensions de plus en plus élevées allant jusqu'à 800 kV
Le développement des réseaux haute tension et la nécessité de faire pénétrer ces réseaux à l'intérieur des agglomérations et des zones industrielles ont entraîné la conception de nouveaux types de postes à haute-tension à encombrement réduit du type "blindé" ou "sous enveloppe métallique". Pour assurer l’isolement, l’air atmosphérique a été remplacé par du SF6, qui possède de très bonnes propriétés diélectriques, ce qui a permis de réduire fortement l’encombrement de l’appareillage à haute-tension
L'application de cette technique en haute tension a permis de réaliser dès 1966 le premier poste prototype expérimental blindé 220 kV installé au Plessis-Gassot (près de Paris), et le premier disjoncteur sous enveloppe métallique en 1967 à Levallois-Perret puis en 1969 au poste de Vaise (Lyon, France)
3.2. Disjoncteur auto-pneumatique
Principe des disjoncteurs auto-pneumatiques
Le principe du soufflage auto-pneumatique s’est développé au cours des années 1970 et au début des années 1980 pour répondre aux spécifications les plus exigeantes et développer des appareils de plus en plus performants
La figure ci-dessus rappelle de manière schématique le principe de fonctionnement de ces appareils
Lorsque le disjoncteur est en position "fermé", le courant transite par des contacts dits "permanents" qui sont situés sur le diamètre extérieur de la partie active. Lors d'un déclenchement du disjoncteur, la partie mobile se déplace vers le bas, entraînant la séparation des contacts permanents. Le courant passe alors par une autre série de contacts, appelés "contacts d'arc". Quand la partie mobile a fait une course suffisante, les contacts d'arc se séparent, ce qui provoque l'amorçage d'un arc entre ces contacts. Les contacts d'arc sont réalisés avec des matériaux à base de tungstène de manière à pouvoir supporter sans dommage les effets de l'arc électrique
Pendant la manœuvre d'ouverture, le disjoncteur produit lui-même la compression du gaz nécessaire au soufflage de l'arc. Le déplacement relatif du cylindre de soufflage par rapport au piston fixe crée une surpression dans le cylindre qui s’évacue à l’intérieur de la buse et refroidit l’arc, permettant ainsi son extinction
La mise au point de nouvelles générations de disjoncteurs SF6 très performantes a entraîné dans les années 1970 la suprématie des appareils SF6 dans la gamme 7,2 kV à 245 kV
A partir de 1983, la réalisation des disjoncteurs 245 kV mono-coupure (avec un élément de coupure par pôle), et des appareils correspondants 420 kV, 550 kV et 800 kV, a conduit à la domination de la technique SF6 dans l'ensemble de la gamme haute tension
Disjoncteur 115 kV au Canada
Sur le plan technique, plusieurs caractéristiques des disjoncteurs SF6 peuvent expliquer leur succès :
- la simplicité de la chambre de coupure qui ne nécessite pas de chambre auxiliaire pour la coupure (contrairement aux appareils plus anciens à air comprimé)
- l'autonomie des appareils apportée par la technique auto-pneumatique (sans compresseur de gaz)
- la possibilité d'obtenir les performances les plus élevées, jusqu’à 63 kA, avec un nombre réduit de chambres de coupure : une seule chambre est nécessaire en 245 kV, deux en 420 kV, trois pour les disjoncteurs de ligne 550 kV et quatre en 800 kV
- une durée d’élimination de défaut courte, de 2 à 2,5 cycles en très haute tension
- une grande endurance électrique qui permet de garantir une durée de vie d'au moins 25 ans
- une réduction de l'encombrement possible avec les postes sous enveloppe métallique
- la possibilité d'équiper les chambres de résistances de fermeture ou d’effectuer des manœuvres synchronisées afin de limiter les surtensions pendant les manœuvres en très haute-tension
- la sécurité de fonctionnement
- un faible niveau de bruit
Au début des années 1980, une nouvelle génération de disjoncteurs SF6 à très haute-tension a été développée, avec une géométrie simplifiée qui intègre un inséreur de résistance de fermeture dans la chambre de coupure. Dans ce cas, la résistance est située à l'extrémité de la chambre, à l'intérieur d'une enveloppe métallique mais isolée de celle ci par le SF6 contenu dans le pôle. Cette résistance sert à limiter les surtensions sur le réseau pendant l'enclenchement ou le ré-enclenchement de longues lignes à très haute tension
La réduction du nombre de chambres de coupure a entraîné une grande simplification des appareils par la diminution du nombre de pièces en mouvement, du nombre de joints d'étanchéité... Il en a donc résulté une amélioration de la fiabilité des appareils qui est venue s'ajouter à l'augmentation du pouvoir de coupure
Principe des disjoncteurs à auto-soufflage
La période 1984–2000 a été marquée par le fort développement des moyens de calcul et de modélisation des disjoncteurs SF6. Grâce à l'utilisation de ces moyens, de nouveaux appareils à faible énergie de manœuvre ont été développés
Les disjoncteurs à auto-soufflage sont caractérisés par l'utilisation importante de l'énergie d'arc pour la coupure : le soufflage par auto-soufflage s'est substitué en grande partie au soufflage auto-pneumatique pour la coupure des forts courants. La coupure des courants faibles est toujours obtenue par un soufflage auto-pneumatique, l'énergie de l'arc n'étant pas suffisante pour contribuer au soufflage
La figure ci-dessus montre que pendant la phase de fort courant, l'arc amorcé entre les contacts (7) et (8) transmet une grande partie de son énergie au volume d'expansion thermique Vt. Au passage par zéro du courant la surpression ainsi crée se vidange à travers la buse isolante (9) et à l'intérieur du contact mobile (7). Ce double soufflage permet de refroidir et d'interrompre efficacement l'arc. Pour la coupure des courants faibles un soufflage auto-pneumatique d'appoint est effectué dans le volume Vp, le gaz comprimé venant souffler l'arc par l'intermédiaire du volume Vt
Une évolution des chambres de coupure à auto-soufflage a consisté à introduire un clapet (V) entre le volume d'expansion et le volume de compression. Ce principe est illustré par la figure ci-dessous
Principe des disjoncteurs à auto-soufflage et double volume
En coupure de faibles courants le clapet s'ouvre sous l'effet de la surpression générée dans le volume de compression. Le soufflage de l'arc s'effectue comme dans un disjoncteur auto-pneumatique grâce à la compression de gaz
Dans le cas d'une coupure de forts courants, l'énergie d'arc produit une forte surpression dans le volume d'expansion, ce qui entraîne la fermeture du clapet (V) et isole le volume d'expansion par rapport au volume de compression. La surpression nécessaire à la coupure est obtenue par une utilisation optimale de l'effet thermique et de « l'effet bouchon » qui se produit lorsque la section de l'arc réduit de manière significative l'échappement du gaz dans la buse
Pour éviter une consommation excessive d’énergie par compression de gaz, une soupape limite la surpression dans le volume de compression à la valeur nécessaire pour la coupure des faibles courants de court-circuit
Une évolution plus récente des chambres de coupure à auto-soufflage a consisté à réduire l'énergie cinétique qui doit être fournie par l'organe de manœuvre pendant l'ouverture du disjoncteur. Ceci est obtenu en déplaçant les deux contacts d'arc en sens opposé, de sorte que la vitesse de chaque partie mobile est la moitié de celle d'un appareil classique. Dans cette configuration, la masse en mouvement est augmentée mais l'énergie de manœuvre est notablement réduite étant donné que l'énergie cinétique varie comme le carré de la vitesse. Ce principe est illustré par la figure ci-dessous
Disjoncteur à auto-soufflage à double mouvement des contacts
Le principe de coupure à auto-souffage a permis d’utiliser des commandes à ressorts de faible énergie pour la manœuvre des disjoncteurs haute tension. Les appareils à auto-soufflage ont remplacé les appareils auto-pneumatiques pendant les années 1990-2003, tout d'abord en 72,5 kV, puis de 145 kV à 800 kV
Disjoncteur de Générateur 17,5 kV 63 kA avec son organe de manoeuvre au premier plan
Ces disjoncteurs sont connectés entre un générateur de centrale électrique et le transformateur qui élève la tension avant transport de l'énergie électrique par le réseau
Les disjoncteurs de générateurs sont généralement utilisés à la sortie des générateurs de forte puissance (jusqu’à 1800 MVA, dans le cas de centrales nucléaires) pour les protéger de manière sûre, rapide et économique
Ces disjoncteurs ont une conception particulière car ils doivent pouvoir transiter des courants très élevés en service continu (6300 A à 40000 A), et être aussi dotés d’un très fort pouvoir de coupure
Les disjoncteurs à coupure dans le SF6 sont utilisés lorsque le pouvoir de coupure ne dépasse pas 120 kA, au-delà, les disjoncteurs à air comprimé fournissent les pouvoirs de coupure les plus élevés qui peuvent être requis, jusqu’à 275 kA
5. Performances d’un disjoncteur à haute tension
Les performances des disjoncteurs à haute tension sont définies dans les normes internationales CEI et ANSI/IEEE. Dans ce domaine, les normes CEI sont reconnues dans la plupart des pays au monde, alors que les normes ANSI/IEEE sont utilisées essentiellement en Amérique du Nord
La performance principale qui caractérise un disjoncteur est son pouvoir de coupure en court-circuit, c’est-à-dire le courant maximal qu’il est capable d’interrompre sous sa tension assignée (tension maximale du réseau où il est utilisé). Les valeurs du pouvoir de coupure sont comprises typiquement entre 25 kA et 63 kA (exception faite des disjoncteurs de générateurs)
Suivant son utilisation, des performances spécifiques peuvent être exigées par l’utilisateur, par exemple la capacité de manœuvrer des lignes à haute tension sans provoquer de surtensions sur le Réseau électrique
Ces performances sont vérifiées par des essais effectués en vraie grandeur, suivant les normes CEI 62271 ou IEEE, dans des laboratoires spécialisés
6. Évolution des disjoncteurs à haute tension
L'évolution actuelle des disjoncteurs à haute tension est marquée par
- la banalisation de forts pouvoirs de coupure(50 kA et 63 kA)
- la réduction des énergies de manœuvre
- la réduction du nombre de chambres de coupure par pôle
- l'introduction de l'électronique pour des fonctions d'autodiagnostic
7. Liens externes
8. Bibliographie
- Disjoncteurs SF6 - evolution de 1959 à 1994 - Denis Dufournet, Revue Générale de l'Électricité - Mai 1994, n°5
- Un nouvel agent d'extinction pour l'appareillage d'interruption - Browne Jr (T.E.), Leeds (W.M.) - CIGRE Session 1960, Rapport n°111
- Contribution au développement de l'appareillage à hexafluorure de soufre - Jacques Vigreux - Bulletin de la société Française des Electriciens, octobre 1962
- Interrupteurs à haute tension à hexafluorure de soufre - Leeds (W.M.), Friedrich (R.E.), Wagner (C.L.) - CIGRE Session 1966, rapport n°117
- Évolution des disjoncteurs des réseaux de transport, Eugène Maury - Revue Générale de l'Électricité, Septembre 1971
- Conception et évolution des disjoncteurs haute et moyenne tension - Edmond Thuries, Denis Dufournet - Revue Générale de l'Électricité, N°11, décembre 199