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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.
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18
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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
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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
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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
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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.
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
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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
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