Les disjoncteurs de génératrices sont essentiellement adaptés à une large gamme de centrales de production d'électricité, y compris les centrales thermiques, nucléaires, à turbines à gaz, à cycle combiné, hydroélectriques et de pompage-turbinage. Ils sont également idéaux pour la rénovation des centrales existantes qui manquent de disjoncteurs de génératrices.
Dans le passé, les disjoncteurs de génératrices étaient couramment utilisés dans les stations multi-unités où plusieurs générateurs relativement petits étaient connectés à un bus commun. Cependant, avec la croissance rapide de la taille des générateurs et l'augmentation des niveaux de courants de défaut du système, les capacités d'interruption de ce type d'appareillage ont rapidement été dépassées. Par la suite, le concept unitaire a été adopté, où chaque générateur avait un système auxiliaire d'alimentation en vapeur indépendant directement connecté à un transformateur élévateur et à un ou plusieurs disjoncteurs côté haute tension.
Comparativement à la connexion unitaire, l'utilisation de disjoncteurs de génératrices pour commuter les générateurs à leur tension nominale offre de nombreux avantages :
Simplification des opérations : Elle simplifie les procédures opérationnelles, réduisant la complexité et le risque d'erreur humaine lors des tâches de commutation liées aux générateurs.
Protection améliorée : Elle offre une meilleure protection pour le générateur, ainsi que pour les transformateurs principaux et unitaires, protégeant ces composants critiques des défauts électriques et des surtensions.
Fiabilité accrue : Elle renforce la sécurité du système de production d'électricité et améliore considérablement la disponibilité globale de la centrale, minimisant les temps d'arrêt et maximisant la production d'électricité.
Avantages économiques : Elle apporte également des avantages économiques, tels que la réduction des coûts de maintenance et l'amélioration de l'efficacité opérationnelle à long terme.
Les exigences clés pour la disposition électrique des centrales peuvent être résumées comme suit :
Transfert efficace de l'énergie : Transférer l'énergie électrique générée du générateur au système de transport à haute tension (HT), en tenant compte des besoins opérationnels, ainsi que des facteurs liés à la disponibilité, la fiabilité et la viabilité économique.
Fourniture fiable d'énergie auxiliaire : Assurer l'alimentation en électricité des systèmes auxiliaires et de service de la station, ce qui est crucial pour maintenir un fonctionnement sûr et fiable de la centrale.
La figure 1 illustre des exemples de dispositions de centrales qui utilisent un disjoncteur de génératrice pour connecter le générateur au transformateur principal, montrant comment ces disjoncteurs sont intégrés dans la configuration électrique globale de la centrale.
Les disjoncteurs de génératrices jouent un rôle crucial et multifacette dans les systèmes de puissance, remplissant diverses fonctions opérationnelles essentielles :
Synchronisation avec le système HT : Ils sont responsables de la synchronisation du générateur avec la tension du système à niveau HT. Ceci assure une connexion fluide entre la sortie du générateur et le réseau, facilitant le transfert efficace de l'énergie électrique.
Déconnexion du système HT : Ils permettent la séparation des générateurs du système HT, ce qui est particulièrement utile lors de la coupure de générateurs non chargés ou légèrement chargés. Cette opération aide à maintenir la stabilité et la sécurité du réseau électrique.
Interruption de courants de charge : Ces disjoncteurs sont capables d'interrompre les courants de charge, avec la capacité de gérer jusqu'au courant nominal des générateurs. Cette fonctionnalité est vitale pour le fonctionnement normal et la gestion de la charge au sein de la centrale.
Interruption de courts-circuits alimentés par le système : Ils peuvent interrompre les courts-circuits alimentés par le système, protégeant le générateur et d'autres composants des effets potentiellement dommageables d'un flux de courant excessif causé par des défauts dans le système.
Interruption de courts-circuits alimentés par le générateur : De même, ils sont conçus pour interrompre les courts-circuits alimentés par le générateur, protégeant le générateur lui-même des défauts internes et assurant son fonctionnement continu en toute sécurité.
Interruption de courants hors phase : Les disjoncteurs de génératrices peuvent gérer l'interruption de courants sous des conditions hors phase, avec la capacité de gérer jusqu'à un angle hors phase de 180°. Cette fonctionnalité est cruciale pour maintenir la stabilité du système dans des conditions de fonctionnement anormales.
Synchronisation dans les centrales de pompage-turbinage (mode moteur) : Dans les centrales de pompage-turbinage, lorsque le générateur-moteur est démarré en mode moteur, le disjoncteur est utilisé pour synchroniser la machine avec le système HT. Il existe différentes méthodes de synchronisation, telles que l'utilisation d'un convertisseur de fréquence statique (SFC) ou un démarrage en parallèle.
Gestion des courants de démarrage dans les centrales de pompage-turbinage (mode moteur) : Lorsque le générateur-moteur est démarré en mode moteur avec un démarrage asynchrone dans les centrales de pompage-turbinage, le disjoncteur ferme et interrompt le courant de démarrage, assurant un processus de démarrage fluide et contrôlé.
Interruption de courants de court-circuit à basse fréquence : Dans les centrales à turbines à gaz, à cycle combiné et de pompage-turbinage, en fonction de l'alimentation de démarrage, le disjoncteur peut interrompre les courants de court-circuit alimentés par le générateur à des fréquences inférieures à 50/60 Hz, s'adaptant aux exigences spécifiques de ces systèmes de production d'électricité.
Il existe plusieurs approches de synchronisation dans les centrales de pompage-turbinage.
Schéma de démarrage par convertisseur de fréquence statique (SFC) : Ce schéma comprend principalement un convertisseur thyristor connecté à un transformateur unitaire côté HT et un inverseur lié au générateur. L'inverseur initie le fonctionnement du générateur à partir d'une faible fréquence de puissance et l'augmente progressivement jusqu'à la fréquence nominale. Une fois que le générateur est excité pour produire de l'énergie, il peut y avoir un déphasage entre sa sortie et celle du réseau. Au moment où le déphasage entre le générateur et le réseau HT est minimisé, le générateur est synchronisé avec le réseau HT en utilisant soit un disjoncteur de génératrice, soit un disjoncteur HT.
Schéma de démarrage en parallèle : Dans une centrale avec plusieurs générateurs, un schéma de démarrage en parallèle peut être employé. La puissance générée par un générateur fonctionnant dans des conditions nominales est utilisée pour démarrer un générateur arrêté jusqu'à la fréquence nominale. Ensuite, le générateur est synchronisé avec le réseau HT en utilisant soit un disjoncteur de génératrice, soit un disjoncteur HT.
Selon la norme IEC/IEEE 62271-37-13, le cycle de service de court-circuit nominal d'un disjoncteur de génératrice est spécifié comme consistant en deux opérations, avec un intervalle de 30 minutes entre chaque opération. Le cycle de service est représenté par "CO – 30 minutes – CO", ce qui signifie deux interruptions complètes de court-circuit, avec un intervalle de 30 minutes entre chaque événement de fermeture de court-circuit.Cette conception est spécifiquement destinée à protéger les centrales et les générateurs. Effectuer deux opérations consécutives de fermeture-ouverture pendant un court-circuit complet pourrait potentiellement endommager le générateur et les transformateurs élévateurs.
Ce type de court-circuit est très improbable, et il est également très peu probable qu'un responsable de centrale tente de refermer le circuit juste 30 minutes après un événement de court-circuit complet.
L'intervalle de 30 minutes entre deux opérations est essentiel pour restaurer les conditions initiales du disjoncteur et prévenir un chauffage excessif de ses composants. Il convient de noter que cet intervalle de temps peut varier en fonction du type spécifique d'opération et des caractéristiques du disjoncteur de génératrice.
