HECI GCB for Generators – Disjoncteur rapide SF₆
1.Définition et fonction
1.1 Rôle de l'interrupteur de circuit de générateur
L'interrupteur de circuit de générateur (GCB) est un point de déconnexion contrôlable situé entre le générateur et le transformateur d'élévation de tension, servant d'interface entre le générateur et le réseau électrique. Ses principales fonctions comprennent l'isolement des défauts du côté du générateur et la facilitation du contrôle opérationnel lors de la synchronisation du générateur et de sa connexion au réseau. Le principe de fonctionnement d'un GCB n'est pas significativement différent de celui d'un interrupteur de circuit standard ; cependant, en raison de la forte composante continue présente dans les courants de défaut du générateur, les GCB doivent fonctionner extrêmement rapidement pour isoler rapidement les défauts.
1.2 Comparaison entre les systèmes avec et sans interrupteur de circuit de générateur
La figure 1 illustre le scénario d'interruption du courant de défaut du générateur dans un système sans interrupteur de circuit de générateur.
La figure 2 montre le scénario d'interruption du courant de défaut du générateur dans un système équipé d'un interrupteur de circuit de générateur (GCB).
Comme illustré dans la comparaison ci-dessus, les avantages de l'installation d'un interrupteur de circuit de générateur (GCB) peuvent être résumés comme suit :
Lors du démarrage et de l'arrêt normaux de l'unité de production, il n'est pas nécessaire de basculer l'alimentation auxiliaire—seule l'opération de l'interrupteur de circuit de générateur est requise, améliorant considérablement la fiabilité de l'alimentation de service de la station.
En cas de défaut interne au générateur (c'est-à-dire du côté du générateur du GCB), seul l'interrupteur de circuit de générateur doit être déclenché, réduisant considérablement la complexité opérationnelle en cas de défaut de l'unité.
Il offre une meilleure protection au transformateur principal et au transformateur de service haute tension. Lorsqu'un défaut interne se produit dans l'un de ces transformateurs, le générateur continue d'alimenter le courant de défaut pendant la période de décroissance de son courant d'excitation—même après l'ouverture de l'interrupteur de circuit haute tension du transformateur principal par la relève de protection. Avec un GCB installé, le générateur peut être rapidement déconnecté, minimisant ainsi les dommages au transformateur principal—un avantage crucial pour les grandes unités de production.
Un autre avantage significatif est l'atténuation ou l'élimination des dommages causés au générateur par une opération non simultanée (disaccord de pôles) de l'interrupteur de circuit haute tension. Dans les connexions unitaires générateur-transformateur, l'interrupteur de circuit haute tension fonctionne à une tension nominale élevée, et dans les équipements de commutation à air, l'espacement important entre les phases empêche l'interverrouillage mécanique triphasé. Par conséquent, une opération non simultanée peut survenir même lors de la commutation normale. Ces conditions induisent des courants négatifs séquentiels dans le stator du générateur, et le rotor a une tolérance très limitée aux champs magnétiques négatifs séquentiels—ce qui peut entraîner des dommages graves au rotor. Cependant, les GCB modernes sont conçus et fabriqués avec un interverrouillage mécanique triphasé, prévenant efficacement l'opération non simultanée.
Pour les défauts se produisant du côté du générateur du GCB, seul l'interrupteur de circuit de générateur doit être déclenché—sans ouvrir l'interrupteur de circuit haute tension du transformateur principal—minimisant l'impact sur la structure globale du réseau et bénéficiant à la stabilité du système.
La disposition de la centrale devient plus simple et plus économique, réduisant le temps d'installation et de mise en service, ainsi que les coûts. Le transformateur de service et ses équipements de commutation moyenne et haute tension associés peuvent être éliminés. Avec la mise en œuvre d'un GCB, la disponibilité moyenne de la centrale augmente de 0,3 % à 0,6 %, et une plus grande disponibilité du générateur se traduit directement par un accroissement des revenus énergétiques.
2. Structure et fonction
2.1 Structure globale
Le système d'interrupteur de circuit comprend essentiellement les composants et équipements suivants, tous montés sur un support commun. Selon les spécifications de la commande, certains composants listés peuvent être exclus.
La conception standard de l'armoire HEC/HECI comprend :
Interrupteur de circuit SF₆
Déconnecteur (interrupteur de sectionnement)
Interrupteur de terre (interrupteur de mise à la terre)
Condensateurs
Transformateurs de courant (TC)
Transformateurs de tension (TT)
Les parafoudres, les liaisons courtes et l'interrupteur de démarrage (pour le convertisseur statique de fréquence, SFC) sont disponibles en option.
1 – Interrupteur de circuit 2 – Déconnecteur (interrupteur de sectionnement) 3a – Interrupteur de terre 3b – Interrupteur de terre 4 – Liaison courte 5 – Interrupteur de démarrage (SFC) 6 – Condensateur
7 – Transformateur de courant 8 – Transformateur de tension 9 – Parafoudre 10 – Enceinte
Le disjoncteur est rempli de gaz SF₆ en tant que milieu d'extinction d'arc. Les contacts principaux et les contacts d'arc sont séparés. Les contacts sont actionnés par un mécanisme à ressort. Les trois pôles du disjoncteur sont mécaniquement interconnectés.
1 – Connexion flexible 2 – Disjoncteur (interrupteur de sectionnement) 3 – Chambre d'extinction d'arc 4 – Isolation 5 – Enceinte 6 – Interrupteur de mise à la terre (de terre) 7 – Connexion de barre de bus isolée par phase
8 – Transformateur de courant
Les composants internes à l'intérieur de l'enceinte du GCB sont montrés dans la figure ci-dessous.
2.2 Composition et fonction des composants
1) Mécanisme d'exploitation
Le disjoncteur de type HECI5 utilise le mécanisme AHMA 4. La photo physique de ce mécanisme d'exploitation est la suivante :
1 – Moteur combiné (moteur de pompe à huile) 2 – Contacts auxiliaires de la vanne de commande 3 – Contacts auxiliaires
① Module d'exploitation :
Le module adopte une structure de différence de pression constante, où l'huile sous haute pression agit continuellement sur l'extrémité supérieure de la tige de piston. Les vitesses d'ouverture et de fermeture peuvent être ajustées séparément via des vis de réglage correspondantes.
② Module de stockage d'énergie :
Sous l'action de l'huile hydraulique, le piston de l'accumulateur comprime les ressorts disques et stocke l'énergie hydraulique de manière prolongée dans le cylindre de piston de stockage d'énergie, fournissant la réserve d'énergie nécessaire pour les opérations d'ouverture et de fermeture.
③ Module de contrôle :
Les signaux électriques de commande provenant de la salle de contrôle principale activent les électrovannes d'ouverture/fermeture, qui déplacent ensuite la vanne de commande directionnelle pour réaliser l'ouverture ou la fermeture du disjoncteur.
④ Module d'adaptation (liaison) :
Lors du déplacement de la tige de piston, un bras de manivelle de liaison entraîne la rotation de l'interrupteur auxiliaire, permettant ainsi de basculer les signaux de position d'ouverture/fermeture.
⑤ Module de pompe hydraulique :
Un moteur électrique entraîne la pompe hydraulique pour injecter de l'huile dans l'accumulateur, convertissant l'énergie électrique en énergie hydraulique.
⑥ Module de surveillance :
La compression des ressorts disques entraîne un came sur un interrupteur de fin de course, qui tourne pour ouvrir ou fermer les contacts d'un micro-interrupteur. Cela fournit des signaux d'alarme et des fonctions d'interverrouillage automatiques pour la salle de contrôle principale. (Lorsque la pression dépasse la valeur spécifiée, la soupape de sécurité s'ouvre automatiquement pour assurer la protection contre la surpression.)
2) Disjoncteur
Le disjoncteur est le composant principal du GCB. Son principe de structure n'est pas complexe, et son schéma fonctionnel est montré ci-dessous :
S1 – Interrupteur de fin de course de ressort S0 – Interrupteur auxiliaire SA – Indicateur de position Y1 – Bobine de fermeture Y2, Y3 – Bobines d'ouverture 1 et 2 M0 – Moteur de stockage d'énergie R10 – Chauffage DI – Indicateur de densité
F6 – Moniteur de densité
3) Système de gaz SF₆
Dans le GCB, le gaz SF₆ n'est présent que dans le disjoncteur, le relais de densité, le manomètre de densité et les tuyauteries de gaz interconnectées.
Le moniteur de densité est un dispositif de surveillance de pression compensée en température utilisé pour surveiller la densité du gaz SF₆ dans le disjoncteur tri-polaire (tri-phasé). La pression du gaz peut être observée directement via le manomètre. Lorsque la pression descend en dessous d'un seuil spécifié, le moniteur de densité envoie un signal "RECHARGER LE GAZ". Si la pression de SF₆ continue à diminuer, deux micro-interrupteurs indépendants activeront des interverrouillages empêchant toute opération de commutation — le disjoncteur est alors verrouillé mécaniquement et électriquement.
Les points de consigne du moniteur de densité sont spécifiés dans les diagrammes de commande pertinents et les courbes caractéristiques de densité du gaz SF₆.
Le panneau de commande de l'armoire de commande se compose principalement de quatre parties :
Interrupteur d'interverrouillage
Compteur d'opérations
Indicateurs d'opération et d'alarme
Boutons de mode d'opération locale
4) Armoire de commande
Toutes les fonctions du mécanisme d'exploitation de l'interrupteur sont intégrées dans l'armoire de commande. La configuration finale et la disposition fonctionnelle sont détaillées dans les schémas de commande pertinents. Les composants de commande suivants sont tous logés à l'intérieur de l'armoire de commande :
S2 – Sélecteur Local/Distance : Le mode d'opération est sélectionné via le sélecteur S2.
En position Distance, les commandes ne peuvent être émises que depuis la salle de contrôle principale.
En position Local, les commandes ne peuvent être initiées que depuis l'armoire de commande de l'interrupteur.
Lorsqu'il est en position Local, la clé du sélecteur S2 ne peut pas être retirée. Il est recommandé de conserver la clé dans la salle de contrôle.
S11/S12 – Boutons poussoirs lumineux pour l'exploitation de l'interrupteur.
5) Système de dépressurisation (Protection contre les explosions)
Disque de rupture : En cas de défaut d'arc interne (causé par un courant de court-circuit prolongé), si la pression du gaz à l'intérieur de l'enveloppe atteint le seuil d'activation, le disque de rupture se rompt pour libérer instantanément la surpression. Cette ventilation rapide empêche une défaillance catastrophique de l'enveloppe en évacuant de manière sûre le gaz SF₆ surpressurisé.
