Augmentation de tension lors du commutage des réactances shunt dans les disjoncteurs

Commutation de réacteurs shunt : une pratique courante dans la commutation de charges inductives

La commutation de réacteurs shunt est l'une des pratiques les plus courantes dans la commutation de charges inductives. Les réacteurs shunt sont installés pour compenser la capacitance des lignes aériennes et sont mis en service ou hors service en fonction de la charge instantanée de la ligne. Puisqu'un réacteur shunt peut être traité comme un élément de circuit groupé avec une capacité parasite, le circuit de charge équivalent peut être simplifié en un circuit LC (inducteur-capacité) simple.

Oscillations de tension à l'interruption

Au moment de l'interruption, qui implique souvent un coupure de courant, le circuit LC produit des oscillations de tension. La tension maximale, Ump, atteint un pic qui est de 1 unité per unit (p.u.) de la tension du système augmentée par la contribution supplémentaire de la coupure de courant. Généralement, la tension de récupération transitoire (TRV) oscillatoire à fréquence unique est de haute fréquence, normalisée par la norme IEC 62271-110 à des valeurs comprises entre 6,8 kHz pour une tension nominale de 72,5 kV et 1,5 kHz pour 800 kV.

Temps d'arc court et risque de re-allumage

De manière similaire à la commutation de courants capacitifs, le courant du réacteur est suffisamment faible pour que l'interruption puisse se produire après un très court temps d'arc. Cette courte durée signifie que l'écart du disjoncteur n'a peut-être pas atteint un espacement suffisant au point zéro du courant pour résister à la TRV. Si cela se produit, une rupture se produit, entraînant un re-allumage. Dans ce cas, le re-allumage est appelé un re-allumage car la TRV de haute fréquence le provoque dans un quart de période de la fréquence de réseau après l'interruption.

Décharge à faible énergie lors du re-allumage inductif

Contrairement à un restrike dans les circuits capacitifs, l'énergie délivrée au re-allumage inductif est relativement faible, provenant principalement de la décharge de la capacité parasite. Un bref courant de re-allumage de haute fréquence circulera, et l'écart peut ou non se remettre de l'événement. Pendant le flux de courant de re-allumage, l'écart ouvert ne atteint qu'une tension de rupture légèrement plus élevée. Après l'interruption du courant de re-allumage, la TRV subséquente plus élevée peut à nouveau conduire à un re-allumage. Cela est plus susceptible de se produire car, pendant la courte période de conduction, le courant de fréquence de réseau dans le réacteur augmente légèrement, rendant la deuxième TRV plus raide et potentiellement plus élevée que la précédente.

Re-allumages multiples et escalade de tension

La séquence de re-allumages est appelée re-allumages multiples, et l'augmentation progressive de la valeur de la tension de re-allumage est désignée par (inductive) escalade de tension. Les re-allumages multiples peuvent être particulièrement difficiles pour les disjoncteurs à gaz et à huile, c'est pourquoi la commutation de réacteurs shunt est parfois qualifiée de "cauchemar des disjoncteurs". Cela est particulièrement vrai car la commutation de réacteurs shunt est une opération quotidienne, en faisant une source fréquente de stress pour ces appareils.

Analyse de l'essai d'un disjoncteur SF6 avec des re-allumages multiples

Dans la figure donnée pour l'essai d'un disjoncteur SF6, on peut observer sept re-allumages avant que la récupération ne soit atteinte. Immédiatement après chaque re-allumage, un courant de re-allumage de très haute fréquence maintient l'écart conducteur pendant environ 100 μs. La tension maximale atteinte sur le réacteur de charge est de 2,3 p.u.. Sans les re-allumages, la tension maximale aurait été de 1,08 p.u. en raison du très petit courant de coupure. La valeur maximale de la tension de récupération transitoire (TRV) est de 3,3 p.u..

Observations clés :

• Re-allumages multiples : Malgré le très faible courant de coupure, la tension de charge s'élève considérablement après plusieurs re-allumages. Cela met en évidence l'impact critique des re-allumages sur les niveaux de tension du système.

• Courant de re-allumage de haute fréquence : Le courant de re-allumage est caractérisé par sa très haute fréquence, qui maintient l'écart conducteur pendant une courte période (environ 100 μs). Cette courte durée de conduction permet à la tension de monter rapidement, conduisant à des re-allumages subséquents.

• Escalade de tension : La tension maximale sur le réacteur de charge atteint 2,3 p.u., ce qui est plus du double de la tension attendue sans re-allumages (1,08 p.u.). La valeur maximale de la TRV de 3,3 p.u. souligne davantage la gravité de l'escalade de tension causée par les re-allumages multiples.

Prévention des re-allumages multiples lors de la commutation de réacteurs shunt

Les re-allumages multiples lors de la commutation de réacteurs shunt peuvent être efficacement évités grâce à des techniques de commutation contrôlée. Au lieu de compter sur une séparation aléatoire des contacts, la commutation contrôlée garantit que les contacts se séparent bien avant le point zéro du courant. Cette approche offre plusieurs avantages :

• Éviter les temps d'arc courts : En séparant les contacts à l'avance, le temps d'arc est prolongé, permettant à l'écart d'atteindre un espacement suffisant avant que le courant n'atteigne naturellement zéro. Cela réduit le risque de re-allumage, car l'écart est mieux préparé pour résister à la tension de récupération transitoire (TRV).

• Interruption opportune : La commutation contrôlée garantit que l'interruption se produit lorsque l'écart a déjà atteint un espacement suffisant. Ce timing minimise la probabilité de re-allumage et aide à maintenir une performance stable du système.

• Réduction de l'escalade de tension : En empêchant les re-allumages, la commutation contrôlée atténue également le risque d'escalade de tension. La tension du système reste plus proche des valeurs attendues, réduisant le stress sur l'isolation et autres composants.

Avantages de la commutation contrôlée

• Fiabilité améliorée : La commutation contrôlée améliore la fiabilité globale du disjoncteur, en particulier dans les applications impliquant des réacteurs shunt. Elle réduit la survenue de re-allumages multiples, qui peuvent autrement conduire à des dommages aux équipements ou à une instabilité du système.

• Performance améliorée : En évitant les re-allumages, la commutation contrôlée garantit que le disjoncteur fonctionne dans ses paramètres de conception, maintenant une performance optimale et prolongeant la durée de vie de l'équipement.

• Économies de coûts : Réduire la fréquence des re-allumages peut conduire à des économies de coûts en minimisant les besoins en maintenance et en prévenant les éventuelles pannes d'équipement.