Disjoncteur à courant continu de haute tension
Disjoncteurs HVDC : Fonctionnalité, Défis et Solutions
Un disjoncteur HVDC (Courant Continu à Haute Tension) est un dispositif de commutation spécialisé conçu pour interrompre le flux de courant continu anormal dans un circuit électrique. Lorsqu'une panne se produit dans le système, les contacts mécaniques du disjoncteur s'écartent, ouvrant effectivement le circuit. Cependant, l'interruption du circuit dans un système HVDC est une tâche plus difficile que son homologue en courant alternatif (CA). Ceci est principalement dû au fait que le courant dans un circuit HVDC circule dans une seule direction et ne passe pas naturellement par des valeurs nulles de courant, qui sont cruciales pour l'extinction d'arc dans les disjoncteurs CA.
La fonction principale d'un disjoncteur HVDC est d'interrompre les flux de courant continu à haute tension dans le réseau électrique. En revanche, les disjoncteurs CA peuvent facilement interrompre l'arc lorsque le courant atteint son point naturel de zéro courant dans la forme d'onde CA. À cet instant de zéro courant, l'énergie qui doit être interrompue est également nulle, permettant à l'ouverture des contacts de récupérer sa résistance diélectrique et de résister à la tension de rétablissement transitoire naturelle.
Dans les disjoncteurs HVDC, la situation est bien plus complexe. Étant donné que la forme d'onde CC manque de zéros de courant naturels, l'interruption forcée de l'arc peut conduire à la génération de tensions de rétablissement transitoires extrêmement élevées. Sans une interruption d'arc appropriée, il y a un risque de réamorçage, ce qui peut finalement entraîner la destruction des contacts du disjoncteur. Lors de la conception de disjoncteurs HVDC, les ingénieurs doivent relever trois défis clés :
Création d'un Zéro de Courant Artificiel : Cela est essentiel pour l'extinction d'arc, car l'absence de zéros de courant naturels en CC rend difficile l'interruption de l'arc.
Prévention des Arcs de Réamorçage : Une fois l'arc interrompu, des mesures doivent être prises pour empêcher qu'il ne se rallume, ce qui pourrait endommager le disjoncteur et perturber le système.
Dissipation de l'Énergie Stockée : L'énergie stockée dans les composants du système doit être dissipée en toute sécurité pour éviter des dangers potentiels.
Pour surmonter l'absence de zéros de courant naturels, les disjoncteurs HVDC utilisent le principe de création de zéros de courant artificiels pour l'extinction d'arc. Une approche courante consiste à introduire un circuit parallèle L - C (inductance - condensateur). Lorsque ce circuit est activé, il provoque l'oscillation du courant d'arc. Ces oscillations sont intenses et génèrent plusieurs zéros de courant artificiels. Le disjoncteur éteint alors l'arc à l'un de ces points de zéro courant artificiel. Pour que cette méthode soit efficace, le courant de crête de l'oscillation doit dépasser le courant continu qui doit être interrompu.
Une mise en œuvre plus détaillée implique la connexion d'un circuit résonnant en série composé d'une inductance (L) et d'un condensateur (C) à travers le contact principal (M) d'un disjoncteur CC conventionnel via un contact auxiliaire (S1). De plus, une résistance (R) est connectée par le contact (S2). Dans des conditions normales de fonctionnement, le contact principal (M) et le contact de charge (S2) restent fermés. Le condensateur (C) est chargé à la tension de ligne par la résistance élevée (R). Pendant ce temps, le contact (S1) reste ouvert, avec la tension de ligne à travers lui. Cette configuration pose les bases pour créer les conditions nécessaires pour interrompre le courant CC lors d'un scénario de panne en générant des zéros de courant artificiels et en gérant les processus électriques associés.
Lorsqu'il s'agit d'interrompre le courant principal Id, le mécanisme d'exploitation initie une séquence d'actions. D'abord, il ouvre le contact S2 et ferme simultanément le contact S1. Cette configuration déclenche la décharge du condensateur C à travers l'inductance L, le contact principal M et le contact auxiliaire S1. En conséquence, un courant oscillatoire est établi, comme illustré dans la figure ci-dessous. Ce courant oscillatoire génère des zéros de courant artificiels, qui sont cruciaux pour le bon fonctionnement du disjoncteur. Le contact principal M du disjoncteur est ensuite ouvert précisément à l'un de ces points de zéro courant artificiel. Une fois que le contact principal M a réussi à interrompre le courant, le contact S1 est ouvert et le contact S2 est fermé, réinitialisant le système pour des opérations futures potentielles et assurant l'intégrité du processus d'interruption de circuit HVDC.
Méthode Alternative pour Interrompre le Courant Principal Continu
Une approche alternative pour interrompre le courant principal continu dans un système de courant continu à haute tension (HVDC) consiste à dévier le courant vers un condensateur, ce qui réduit effectivement la magnitude du courant que les disjoncteurs doivent interrompre. Cette méthode est illustrée dans la figure ci-dessous, et elle commence avec un condensateur C qui est initialement non chargé.
Lorsque le contact principal M du disjoncteur commence à s'ouvrir, un événement crucial se produit : le courant principal du circuit, qui circulait précédemment à travers le contact principal M, est redirigé et commence à circuler dans le condensateur C. En raison de cette redirection, la charge de courant que les contacts principaux M doivent gérer pendant le processus d'interruption est considérablement réduite. Cette réduction de la magnitude du courant allège la charge sur le disjoncteur, rendant le processus d'interruption plus gérable et moins susceptible de causer des dommages ou des défaillances.
En plus du rôle du condensateur pour dévier le courant, une résistance non linéaire R est également un composant essentiel de ce système. La résistance non linéaire R joue un rôle vital dans l'absorption de l'énergie associée au flux de courant sans provoquer une augmentation substantielle de la tension à travers le contact principal M. En dissipant efficacement l'énergie, la résistance non linéaire aide à maintenir l'intégrité du disjoncteur et du système électrique global, garantissant que les niveaux de tension restent dans des limites acceptables pendant le processus d'interruption du courant. Cette opération coordonnée du condensateur C et de la résistance non linéaire R fournit une méthode efficace et fiable pour interrompre le courant principal continu dans un système HVDC.
Le taux de montée de la tension de rétablissement à travers M est exprimé par
Dans les disjoncteurs CC qui s'appuient sur des courants oscillants pour interrompre le flux, le défi de prévenir les réamorçages est particulièrement ardu. Cela est dû à la durée extrêmement courte pendant laquelle le courant est interrompu ou "coupé". Lorsque le courant est rapidement interrompu en si peu de temps, cela génère une montée soudaine et abrupte de la tension de réamorçage à travers les bornes du disjoncteur. Cette tension de grande magnitude, en montée rapide, représente une menace significative pour l'intégrité du disjoncteur. Pour assurer un fonctionnement fiable, le disjoncteur doit être conçu avec une résistance diélectrique suffisante et des capacités de résistance à la tension pour supporter cette intense tension de réamorçage sans succomber aux réamorçages, qui pourraient entraîner des dommages, des arcs électriques et des pannes de système.
