Commutateurs haute tension: classification, appareil, principe de fonctionnement
Les exigences pour les commutateurs sont les suivantes :
1) fiabilité au travail et sécurité pour les autres ;
2) réponse rapide — temps d'arrêt éventuellement court ;
3) facilité d'entretien ;
4) facilité d'installation ;
5) fonctionnement silencieux ;
6) coût relativement faible.
Les disjoncteurs actuellement utilisés répondent plus ou moins aux exigences énumérées. Cependant, les concepteurs de disjoncteurs s'efforcent de mieux faire correspondre les caractéristiques des disjoncteurs avec les exigences ci-dessus.
Commutateurs d'huile
Il existe deux types d'interrupteurs d'huile - réservoir et bas niveau d'huile. Les méthodes de déionisation de l'espace d'arc dans ces clés sont les mêmes. La seule différence réside dans l'isolation du système de contact de la base au sol et dans la quantité d'huile.
Jusqu'à récemment, les réservoirs pour réservoirs des types suivants fonctionnaient: VM-35, S-35, ainsi que des interrupteurs de la série U avec des tensions de 35 à 220 kV. Les interrupteurs de réservoir sont conçus pour un montage externe, pas actuellement en production.
Les principaux inconvénients des interrupteurs de réservoir: explosion et incendie; la nécessité d'une surveillance périodique de l'état et du niveau d'huile dans le réservoir et les entrées ; un grand volume de pétrole, ce qui entraîne un investissement de temps important pour son remplacement, la nécessité de grandes réserves de pétrole ; ne convient pas pour une installation en intérieur.
Interrupteurs à faible niveau d'huile
Les interrupteurs à faible niveau d'huile (type pot) sont largement utilisés en appareillage fermé et ouvert toutes les tensions. L'huile dans ces interrupteurs sert principalement de milieu d'arc et seulement partiellement d'isolant entre les contacts ouverts.
L'isolation des pièces sous tension les unes des autres et des structures mises à la terre se fait avec de la porcelaine ou d'autres matériaux isolants solides. Les contacts des interrupteurs pour montage interne sont situés dans un réservoir en acier (pot), c'est pourquoi le nom d'interrupteurs "de type pot" est conservé.
Les disjoncteurs à faible niveau d'huile de tension de 35 kV et plus ont un corps en porcelaine. Les plus utilisés sont les pendentifs de type 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). Dans ces disjoncteurs, le corps est fixé sur des isolateurs en porcelaine à un châssis commun pour les trois pôles. Chaque pôle a une rupture de contact et une chambre de coupure.
Schémas de conception des interrupteurs à faible niveau d'huile 1 - contact mobile ; 2 - goulotte à arc; 3 — contact fixe ; 4 — contacts de travail
Aux courants nominaux élevés, il est difficile de fonctionner avec une paire de contacts (agissant comme contacts de fonctionnement et d'arc), par conséquent, les contacts de fonctionnement sont prévus à l'extérieur du disjoncteur et les contacts d'arc sont dans un réservoir métallique. Aux courants de coupure élevés, il y a deux coupures d'arc pour chaque pôle. Selon ce schéma, les commutateurs des séries MGG et MG sont conçus pour des tensions allant jusqu'à 20 kV inclus.Des contacts de manœuvre externes massifs 4 permettent de concevoir le disjoncteur pour des courants nominaux élevés (jusqu'à 9500 A). Pour les tensions de 35 kV et plus, le corps de l'interrupteur est en porcelaine, la série VMK est un interrupteur à colonne à faible teneur en huile). Dans les disjoncteurs automatiques 35, 110 kV, une interruption par pôle est fournie, à haute tension - deux interruptions ou plus.
Inconvénients des interrupteurs à bas niveau d'huile : risque d'explosion et d'incendie, bien que bien inférieur à celui des interrupteurs à réservoir ; incapacité à mettre en œuvre une fermeture automatique à grande vitesse ; la nécessité d'un contrôle périodique, d'un appoint, d'une vidange d'huile relativement fréquente dans les réservoirs d'arc ; la difficulté d'installer des transformateurs de courant intégrés ; pouvoir de coupure relativement faible.
Le domaine d'application des disjoncteurs à faible niveau d'huile est les tableaux fermés des centrales électriques et des sous-stations 6, 10, 20, 35 et 110 kV, les tableaux complets 6, 10 et 35 kV et les tableaux ouverts 35 et 110 kV.
Voir ici pour plus de détails : Types d'interrupteurs à huile
Interrupteurs pneumatiques
Les disjoncteurs à air pour des tensions de 35 kV et plus sont conçus pour couper les courants de court-circuit importants. L'air est mis sous tension 15 kV est utilisé dans les centrales électriques comme générateur. Leurs avantages: réponse rapide, pouvoir de coupure élevé, combustion insignifiante des contacts, absence de traversées coûteuses et insuffisamment fiables, sécurité incendie, poids réduit par rapport aux interrupteurs à huile dans le réservoir. Inconvénients: présence d'une économie d'air encombrante, danger d'explosion, absence de transformateurs de courant intégrés, complexité de l'appareil et de son fonctionnement.
Dans les interrupteurs à air, l'arc est éteint avec de l'air comprimé à une pression de 2 à 4 MPa, et l'isolation des pièces sous tension et du dispositif d'extinction d'arc est réalisée avec de la porcelaine ou d'autres matériaux isolants solides. Les schémas de conception des interrupteurs à air sont différents et dépendent de leur tension nominale, de la méthode de création d'un espace isolant entre les contacts en position d'arrêt et de la méthode d'alimentation en air comprimé du dispositif d'extinction d'arc.
Les disjoncteurs à puissance nominale élevée ont un circuit principal et un circuit d'arc similaires aux disjoncteurs à faible niveau d'huile MG et MGG. L'essentiel du courant en position fermée de l'interrupteur passe par les contacts principaux 4, qui sont situés ouverts. Lorsque l'interrupteur est éteint, les contacts principaux s'ouvrent d'abord, puis tout le courant passe à travers les contacts d'arc fermés dans la chambre 2. Pendant que ces contacts s'ouvrent, l'air comprimé du réservoir 1 est introduit dans la chambre, un souffle puissant est créé, s'éteignant l'arc. Le soufflage peut être longitudinal ou transversal.
L'espace d'isolation nécessaire entre les contacts en position ouverte est créé dans la chambre de coupure en séparant les contacts d'une distance suffisante. Les interrupteurs réalisés selon le projet avec un séparateur ouvert sont produits pour une installation intérieure pour des tensions de 15 et 20 kV et des courants jusqu'à 20 000 A (série VVG). Avec ce type d'interrupteurs, après déconnexion du séparateur 5, l'alimentation en air comprimé des chambres est arrêtée et les contacts d'arc sont fermés.
Schémas de construction des interrupteurs pneumatiques 1 — réservoir d'air comprimé ; 2 - goulotte à arc; 3 — résistance shunt ; 4 — contacts principaux ; 5 - séparateur ; 6 — diviseur de tension capacitif pour 110 kV — deux coupures par phase (d)
Dans les disjoncteurs ouverts pour installation ouverte pour tension 35 kV (VV-35), il suffit d'avoir une interruption par phase.
Dans les interrupteurs avec une tension de 110 kV et plus, après l'extinction de l'arc, les contacts du séparateur 5 s'ouvrent et la chambre du séparateur reste pleine d'air comprimé tout le temps en position d'arrêt. Dans ce cas, l'air comprimé n'est pas fourni à la chambre de coupure et les contacts qu'elle contient sont fermés.
Les disjoncteurs de la série VV pour des tensions jusqu'à 500 kV sont créés selon ce schéma de conception. Plus la tension nominale est élevée et plus la puissance de limitation est élevée, plus il doit y avoir d'interruptions dans la chambre de coupure et dans le séparateur.
Les disjoncteurs à air de la série VVB sont fabriqués selon le schéma de conception de la Fig., D. La tension du module VVB est de 110 kV à une pression d'air comprimé dans la chambre d'extinction d'incendie de 2 MPa. La tension nominale du module disjoncteur VVBK (grand module) est de 220 kV et la pression d'air dans la chambre d'extinction est de 4 MPa. Les disjoncteurs de la série VNV ont un schéma de conception similaire: un module avec une tension de 220 kV à une pression de 4 MPa.
Pour les disjoncteurs de la série VVB, le nombre de chambres d'arc (modules) dépend de la tension (110 kV - un ; 220 kV - deux ; 330 kV - quatre ; 500 kV - six ; 750 kV - huit), et pour les grandes modules de disjoncteur (VVBK, VNV), modules avec des numéros deux fois inférieurs, respectivement.
Disjoncteurs SF6
Le gaz SF6 (SF6 — hexafluorure de soufre) est un gaz inerte dont la densité est 5 fois supérieure à celle de l'air. La résistance électrique du gaz SF6 est 2 à 3 fois supérieure à la résistance de l'air ; à une pression de 0,2 MPa, la rigidité diélectrique du gaz SF6 est comparable à celle du pétrole.
Dans le gaz SF6 à pression atmosphérique, un arc peut s'éteindre avec un courant 100 fois supérieur au courant interrompu dans l'air dans les mêmes conditions. La capacité exceptionnelle du gaz SF6 à éteindre l'arc s'explique par le fait que ses molécules captent les électrons de la colonne d'arc et forment des ions négatifs relativement immobiles. La perte d'électrons rend l'arc instable et facilement éteint. Dans un flux de gaz SF6, c'est-à-dire lors d'un jet de gaz, l'absorption des électrons de la colonne d'arc est encore plus intense.
Les disjoncteurs SF6 utilisent des dispositifs d'extinction d'arc auto-pneumatiques (auto-compression) où le gaz est comprimé par un dispositif à piston pendant le déclenchement et dirigé dans la zone d'arc. Le disjoncteur SF6 est un système fermé sans émission de gaz vers l'extérieur.
Actuellement, les disjoncteurs SF6 sont utilisés pour toutes les classes de tension (6-750 kV) à une pression de 0,15 à 0,6 MPa. Une pression accrue est utilisée pour les interrupteurs avec des classes de tension plus élevées. Les disjoncteurs SF6 des sociétés étrangères suivantes ont fait leurs preuves : ALSTOM ; SIEMENS ; Merlin Guérin et autres. La production de disjoncteurs SF6 modernes de PO «Uralelectrotyazmash» est maîtrisée: disjoncteurs à réservoir des séries VEB, VGB et interrupteurs de colonne des séries VGT, VGU.
A titre d'exemple, considérons la conception d'un disjoncteur BF 6-10 kV par Merlin Gerin.
Le modèle de disjoncteur de base se compose des éléments suivants :
— le corps du disjoncteur, dans lequel sont situés les trois pôles, représentant un "réservoir sous pression", rempli de gaz SF6 à faible surpression (0,15 MPa ou 1,5 atm) ;
— type d'entraînement mécanique RI ;
— panneau avant de l'actionneur avec poignée de chargement manuel des ressorts et voyants d'état des ressorts et du disjoncteur ;
plots de contact pour alimentation haute tension ;
— connecteur multibroche pour connecter les circuits de commutation secondaires.
Disjoncteurs à vide
La rigidité diélectrique du vide est nettement supérieure à celle des autres fluides utilisés dans les disjoncteurs. Cela s'explique par l'augmentation du libre parcours moyen des électrons, des atomes, des ions et des molécules avec une diminution de la pression. Dans le vide, le libre parcours moyen des particules dépasse les dimensions de la chambre à vide.
Rigidité diélectrique de récupération d'entrefer de 1/4" après coupure de courant de 1600 A dans le vide et divers gaz à pression atmosphérique
Dans ces conditions, les impacts de particules sur les parois de la chambre se produisent beaucoup plus souvent que les collisions de particules à particules. La figure montre la dépendance de la tension de claquage du vide et de l'air sur la distance entre les électrodes d'un diamètre de 3/8 " de tungstène. Avec une rigidité diélectrique aussi élevée, la distance entre les contacts peut être très faible (2 — 2,5 cm ), de sorte que les dimensions de la chambre peuvent également être relativement petites...
Le processus de restauration de la rigidité électrique de l'espace entre les contacts lorsque le courant est coupé se produit dans le vide beaucoup plus rapidement que dans les gaz.Le niveau de vide (pression de gaz résiduelle) dans les conduits d'arc industriels modernes est généralement Pa. Conformément à la théorie de la rigidité électrique des gaz, les propriétés isolantes requises de l'entrefer sont également atteintes à des niveaux de vide inférieurs (de l'ordre de Pa), mais pour le niveau actuel de la technologie du vide, la création et le maintien de la Le niveau de Pa tout au long de la durée de vie de la chambre à vide n'est pas un problème.Cela fournit aux chambres à vide des réserves de résistance électrique pour toute la durée de vie (20-30 ans).
Une conception typique de disjoncteur à vide est illustrée sur la figure.
Schéma fonctionnel d'un casse-vide
La conception de la chambre à vide se compose d'une paire de contacts (4 ; 5), dont l'un est mobile (5), enfermés dans une coque étanche au vide soudée par des isolants en céramique ou en verre (3 ; 7), supérieur et inférieur en métal capots (2 ; 8) ) et blindage métallique (6). Le déplacement du contact mobile par rapport au contact fixe est assuré au moyen d'un manchon (9). Les câbles de la caméra (1 ; 10) sont utilisés pour la connecter au circuit de l'interrupteur principal.
Il convient de noter que seuls des métaux spéciaux résistants au vide, purifiés des gaz dissous, du cuivre et des alliages spéciaux, ainsi que des céramiques spéciales sont utilisés pour la fabrication du boîtier de la chambre à vide. Les contacts de la chambre à vide sont constitués d'une composition métal-céramique (en règle générale, il s'agit de cuivre-chrome dans un rapport de 50%-50% ou 70%-30%), qui offre un pouvoir de coupure élevé, une résistance à l'usure et prévient l'apparition de points de soudure sur la surface de contact. Les isolateurs cylindriques en céramique, ainsi qu'un vide au niveau des contacts ouverts, assurent l'isolation entre les bornes de la chambre lorsque l'interrupteur est éteint.
Tavrida-electric a publié un nouveau disjoncteur à vide de conception avec un verrou magnétique. Sa conception est basée sur le principe de l'alignement de l'électro-aimant d'entraînement et du casse-vide dans chaque pôle du rupteur.
L'interrupteur se ferme dans l'ordre suivant.
Dans l'état initial, les contacts de la chambre de l'interrupteur à vide sont ouverts en raison de l'action du ressort de fermeture 7 sur eux à travers l'isolateur de traction 5. Lorsqu'une tension de polarité positive est appliquée à la bobine 9 de l'électroaimant, le flux magnétique s'accumule dans l'entrefer du système magnétique.
Au moment où la force de compression de l'armature créée par le flux magnétique dépasse la force du ressort d'arrêt 7, l'armature 11 de l'électroaimant, ainsi que l'isolateur de traction 5 et le contact mobile 3 de la chambre à vide, commencent à se déplacer vers le haut, en comprimant le ressort d'arrêt. Dans ce cas, un moteur-EMF se produit dans l'enroulement, ce qui empêche une nouvelle augmentation du courant et même le réduit quelque peu.
En cours de mouvement, l'armature gagne une vitesse d'environ 1 m / s, ce qui évite les dommages préliminaires lors de la mise sous tension et élimine le rebond des contacts VDK. Lorsque les contacts de la chambre à vide sont fermés, un espace de compression supplémentaire de 2 mm reste dans le système magnétique. La vitesse de l'induit chute fortement, car elle doit également vaincre la force élastique de la précontrainte supplémentaire du contact 6. Cependant, sous l'influence de la force créée par le flux magnétique et l'inertie, l'induit 11 continue de monter, comprimant le ressort de butée 7 et un ressort supplémentaire de précontrainte des contacts 6.
Au moment de la fermeture du système magnétique, l'armature entre en contact avec le couvercle supérieur de l'entraînement 8 et s'arrête. Après le processus de fermeture, le courant vers la bobine d'entraînement est coupé. L'interrupteur reste en position fermée en raison de l'induction résiduelle créée par le anneau aimant permanent 10, qui maintient l'armature 11 dans une position tirée vers le couvercle supérieur 8 sans apport de courant supplémentaire.
Pour ouvrir l'interrupteur, une tension négative doit être appliquée aux bornes de la bobine.
Actuellement, les disjoncteurs à vide sont devenus les dispositifs dominants pour les réseaux électriques avec une tension de 6-36 kV. Ainsi, la part des disjoncteurs à vide dans le nombre total d'appareils fabriqués en Europe et aux États-Unis atteint 70%, au Japon - 100%. En Russie, ces dernières années, cette part a connu une tendance constante à la hausse et, en 1997, elle a dépassé la barre des 50 %. Les principaux avantages des explosifs (par rapport aux commutateurs pétroliers et gaziers) qui déterminent la croissance de leur part de marché sont :
— une plus grande fiabilité ;
— réduction des coûts d'entretien.
Voir également: Disjoncteurs à vide haute tension — Conception et principe de fonctionnement