Technologies for the Utility Industry

34 Revue ABB 3/2002

es vingt dernières années ont vu

une évolution rapide des disjonc-

teurs d’alternateur: depuis les premiers

appareils à utiliser le SF6 comme milieu

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 (refroi-

dissement par ventilation forcée), sont

aptes à couper des courants de court-

circuit jusqu’à 200 kA.

Des disjoncteursd’alternateur au SF6 pourcouper des courants decourt-circuit jusqu’à 200 kALukas Zehnder, Jochen Kiefer, Dieter Braun, Thomas Schoenemann

Dans la famille des disjonc-

teurs, je demande le plus

«costaud»: le disjoncteur

d’alternateur.

Un défaut atteignant

200 kA en un point quel-

conque du réseau est déjà

catastrophique, mais lorsqu’il

se produit à proximité d’un

alternateur, il peut littérale-

ment 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 alter-

nateur? Et comment l’appareil peut-il efficacement éteindre l’arc électrique produit?

C

Revue ABB 3/2002 35

Aujourd’hui, des disjoncteurs spéciaux

au SF6 sont disponibles pour les alterna-

teurs 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’alter-

nateur)

n Couper des courants de court-circuit

alimentés par le réseau ou par l’alter-

nateur

n Couper des courants en discordance

de phase (jusqu’à 180°)

Les performances d’un disjoncteur d’alter-

nateur doivent être nettement supérieures

à celles d’un disjoncteur MT. Son installa-

tion entre l’alternateur et le transforma-

teur 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 sectionne-

ment d’un alternateur peut intégrer, outre

le disjoncteur, de nombreux autres dispo-

sitifs : sectionneur en série, interrupteurs

de mise à la terre, court-circuiteurs, trans-

formateurs de courant, transformateurs de

tension unipolaires isolés, condensateurs

de protection et parafoudres.

Selon le type de centrale électrique,

d’autres auxiliaires comme des interrup-

teurs de démarrage (centrales hydrau-

liques et à turbines à gaz) et des interrup-

teurs de freinage (centrales hydrauliques)

peuvent également être inclus .1

Disponibilité maximale pour un

coût minimal

Bien évidemment, pour tous les exploi-

tants de centrales électriques, la priorité

absolue est d’obtenir la plus grande

disponibilité possible au moindre coût.

Dans ce contexte, les disjoncteurs d’alter-

nateur au SF6 modernes ont un rôle à

jouer:

n Les zones de protection différentielle

de l’alternateur, du transformateur princi-

pal 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 qua-

tre cycles maximum, alors qu’il faut plu-

sieurs secondes en utilisant un équipe-

ment de désexcitation rapide.

n La disponibilité globale des auxiliaires

de la centrale électrique est accrue.

n La synchronisation à basse tension

avec un disjoncteur d’alternateur est

beaucoup plus fiable que la synchro-

nisation avec un disjoncteur haute

tension [1].

n Le transfert rapide sur une source

d’alimentation secondaire lors du démar-

rage 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’alterna-

teur 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.

79 10 11 12 19

18

14151742131613

5/6 8

TG

18

Plan d’ensemble de l’appareillage de sectionnement ABB pour alternateur 1

1 Disjoncteur

2 Sectionneur

3, 4 Interrupteurs de mise à la terre

5/6 Interrupteur de démarrage

(SFC ou «dos-à-dos»)

7 Court-circuiteur/interrupteur

de freinage

8 Interrupteur de démarrage

(«dos-à-dos»)

9–12 Transformateurs de tension

13, 14 Transformateurs de courant

15 Parafoudre

16, 17 Condensateurs de protection

contre les surtensions

18 Bornes

19 Enveloppe

Technologies for the Utility Industry

36 Revue ABB 3/2002

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’alterna-

teur moderne un excellent investissement,

avec un temps de retour généralement

très court.

Conception du disjoncteur

En plus de conduire et d’interrompre les

courants de fonctionnement, le disjonc-

teur (chambre remplie de SF6 sous pres-

sion) doit couper les courants de défaut

c.a., notamment des courants de court-

circuit cinq ou dix fois supérieurs au

courant assigné, ceci dans un délai très

court (50 millisecondes environ).

La chambre sous pression dans la-

quelle intervient la coupure du courant se

compose principalement de deux enve-

loppes 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

87

4

1 5

6

2

310

9

13 12

11

Vue en coupe de la chambre de

coupure avec les contacts fermés

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

2

3

4

12

t3t2t1

Mouvement des contacts et courant/temps3

1 Mouvement du contact d’arc

2 Mouvement du contact principal

3 Courant

4 Tension dans le disjoncteur

5 Phase d’élévation de la pression

6 Extinction de l’arc lors du passage

par zéro du courant

t1 Déclenchement de l’organe de

commande

t2 Séparation des contacts principaux

t3 Séparation des contacts d’arc

t4 Extinction de l’arc lors du passage

par zéro du courant

Revue ABB 3/2002 37

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 .

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 lui-

même.

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 radia-

tion 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 . C’est à partir de ce volume

que le gaz chaud est soufflé pour étein-

dre 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

4

3

un jet de plasma dirigé vers l’extérieur et

partiellement dévié vers le volume

d’échauffement .

Si des courants très élevés circulent

pendant la coupure, l’élévation de pres-

sion peut être considérable. Une soupape

de sécurité spéciale évite les dommages

mécaniques en réduisant la pression.

Cette soupape a été conçue en collabora-

tion avec ABB Corporate Research dans

5

le cadre d’un programme expérimental

pour mesurer l’élévation de pression dans

le volume d’échauffement, dans la trajec-

toire 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

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)

4

Géométrie

(haut), photo

(centre) et simula-

tion de l’écoule-

ment (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).

5

Technologies for the Utility Industry

38 Revue ABB 3/2002

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.

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’éléva-

tion de pression dans le volume d’échauf-

fement peut être insuffisante pour étein-

dre l’arc. Dans ce cas, le disjoncteur

attend un demi-cycle (jusqu’au passage

par zéro suivant) pour que la pression

soit suffisante.

Une mission délicate

Le système de contacts d’arc est littérale-

ment au centre de l’action. Devant sup-

porter des valeurs crêtes de courant pou-

vant 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

vie de l’appareil et des caractéristiques

extrêmes du plasma à supporter.

n Erosion du métal aussi faible que pos-

sible 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 équili-

brant soigneusement les passages de

courants de répulsion et d’attraction.

n Garantie d’une résistance électrique

faible et d’une conductivité thermique

élevée.

Le contact lui-même comprend une tige

centrale maintenue par des doigts seg-

mentés. La figure 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 wolfram-

cuivre (5). La liaison entre le socle et la

pointe est également en cuivre (3).

6

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

maximale

Fréquence nominale 50/60 Hz 50/60 Hz 50/60 Hz 50/60 Hz

Courant continu assigné :

n refroidissement par Jusqu’à 7 700 A Jusqu’à 13 000 A Jusqu’à 13 000 A Jusqu’à 24 000 A

convection naturelle

n refroidissement par – Jusqu’à 24 000 A Jusqu’à 24 000 A Jusqu’à 38 000 A

ventilation forcée

Courant assigné de 63 kA 100 kA 120 kA 160/200 kA

coupure de court-circuit

Norme IEEE C37.013 IEEE C37.013 IEEE C37.013 IEEE C37.013

Doigt du système segmenté de

contacts d’arc

1 Bride

2 Doigt du contact

3 Raccord

4 Pointe d’extinction de l’arc

6

1

2

3

4

Revue ABB 3/2002 39

Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques du disjoncteur

supposent la circulation continue du

courant assigné avec une température

ambiante de 40°C. La température maxi-

male 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 élé-

ments finis bidimensionnels de la réparti-

tion 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 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.

7

Matériau isolant

Un projet commun entre ABB Corporate

Research et la société suisse Vantico a

permis de développer une résine épo-

xyde capable de supporter 105°C pen-

dant 30 ans [2]. D’un diamètre de 1 mètre,

les dimensions de l’isolateur sont assez

imposantes .

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 pro-

pres 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

7

puissance KEMA d’Arnhem, aux Pays-

Bas. Ses installations fournissent les puis-

sances 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

8

Enveloppe de la chambre de coupure7

Technologies for the Utility Industry

40 Revue ABB 3/2002

d’alternateur à air comprimé DR qui, jus-

qu’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’ana-

lyse des défaillances, mise au point dans

les années 60 pour l’aérospatiale, a servi à

définir les règles garantissant les niveaux

de fiabilité les plus élevés possible. ABB

a, par la suite, appliqué ces mêmes règles

à ses usines de production de disjonc-

teurs.

Champion du monde toutes

catégories

La conception de disjoncteurs pour les

plus gros alternateurs au monde ne souf-

fre 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 écono-

miques qui garantiront sa compétitivité

sur le marché.

Essais de type au laboratoire d’électrotechnique haute puissance KEMA 8

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.

Auteurs

Dr. Lukas ZehnderDr. Jochen KieferDieter BraunDr. Thomas SchoenemannABB Switzerland LtdHigh Current Systems PTHGCH-8050 ZurichSuissethomas.schoenenann@ch.abb.com