DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne un dispositif de commande à ressort d'un appareillage de commutation haute ou moyenne tension. Elle est notamment utilisable dans le cadre de disjoncteurs de stations isolées au gaz .

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Le domaine de l'invention est celui des mécanismes déclencheurs pouvant être utilisés dans la commande de disjoncteurs haute ou moyenne tension. Un disjoncteur haute ou moyenne tension dans une station isolée au gaz est adapté à une commande, qui fournit une énergie et un couple suffisants pour fermer et ouvrir ses contacts mobiles. Il peut utiliser des commandes hydrauliques, pneumatiques ou à ressort. L'invention concerne les commandes à ressort. Un mécanisme de déclenchement est alors utilisé pour permettre à une commande à ressort de fonctionner mécaniquement. Lorsqu'une commande à ressort fonctionne, elle ouvre et ferme les contacts mobiles du disjoncteur. Un mécanisme de déclenchement classique comprend une bobine d' actionneur qui pilote cet actionneur magnétique lorsqu'un courant la traverse. L' actionneur magnétique est connecté à un dispositif d' encliquetage . La bobine, l' actionneur et ce dispositif d' encliquetage permettent de débloquer le fonctionnement mécanique de la commande à ressort.

Une solution connue comprend une bobine de 1103 tours qui véhicule un courant permettant le mouvement de l'actionneur et du dispositif d' encliquetage . Le nombre élevé de tours et le fait, que la bobine est enroulée sur un cœur magnétique ont pour conséquence une inductance L élevée. Etant donné que la constante de temps τ d'une bobine est proportionnelle à son inductance L, le délai de déclenchement atteint donc des valeurs aussi élevées que 5,5 ms, qui contribue de manière significative à la durée de coupure nominale du disjoncteur. Dans le cas d'un disjoncteur haute tension de réseau électrique 60 Mz, qui est souvent nécessaire pour éliminer un défaut en moins de 2 cycles, la durée de coupure est limitée à 33,3 ms . Il faut donc limiter le délai de déclenchement du mécanisme de déclenchement à une valeur minimale absolue .

Un problème technique que se propose de résoudre l'invention est donc de réaliser un mécanisme de déclenchement pour un dispositif de commande à ressort avec un délai de coupure nominal minimal.

Un autre problème technique que se propose de résoudre l'invention est lié à la durée de vie espérée d'un circuit électronique pilotant un actionneur qui est inférieure à celle du disjoncteur. En effet, un disjoncteur haute ou moyenne tension est typiquement en service pendant 25 à 40 ans. Par contre des composants électroniques (semi-conducteurs) tels que des transistors, des diodes, des éléments PTC (« Positive Thermal Coefficient ») typiquement ne durent pas aussi longtemps. Il est donc nécessaire de mettre en œuvre une redondance. C'est-à-dire, que si un composant électronique du circuit électronique qui pilote l'actionneur tombe en panne, le mécanisme de déclenchement doit toujours pouvoir débloquer la commande de ressort.

En outre, un mécanisme de déclenchement doit permettre de fermer ou d'ouvrir le disjoncteur en moins de 300 millisecondes après n'importe quelle opération préalable de fermeture ou d'ouverture. En d'autres termes, le temps mort du mécanisme de déclenchement doit être inférieur à 300 millisecondes, ce qui correspond à un cycle de fonctionnement nominal détaillé dans la norme IEC 62271-100, clause 4. 104.

Les limitations des interrupteurs secondaires doivent être également considérées. La clause 5.4.4.5.4 de la norme IEC 622271.1 détaille les capacités maximales de coupure des interrupteurs secondaires pour des disjoncteurs haute tension. Un courant maximal typique qui peut encore être interrompu est de 4 Ampères (DC) . Cette valeur introduit une limite supérieure de courant qui doit être interrompue par un interrupteur secondaire à la fin de n' importe quelle opération de fermeture ou d'ouverture. En d'autres termes le courant qui traverse un mécanisme de déclenchement à la fin de n' importe quelle opération doit être inférieur à 4 Ampères (DC) .

Un document de l'art connu, le brevet US 5,889,645, décrit un mécanisme de préservation et de transfert d'énergie. Ce brevet, comme illustré sur la figure 1, décrit un agencement dans lequel un microprocesseur 10 pilote des bobines d' actionneur 11 et 12 qui entraînent des relais de valve de gaz. Ces deux bobines d' actionneur 11 et 12 diffèrent en impédance. Afin de piloter ces bobines, la sortie 13 du microprocesseur envoie des impulsions DC vers la base d'un transitor de commutation NPN 14. Lorsque ce transistor 14 est fermé (« switch on ») , un courant traverse la première bobine 11. Si ce courant, dont la valeur moyenne dépend du taux d'impulsion émis par le microprocesseur 10, atteint un seuil de fermeture, le relais de la valve de gaz connecté à la première bobine 11 fonctionne. Le fonctionnement de la valve de gaz connecté à la première bobine 11 dépend ainsi du taux d'impulsion émis par la sortie 13 du microprocesseur 10. Lorsque le transistor 14 est ouvert, la première bobine 11 continue à fournir un courant à travers une diode de redressement 15 et charge ainsi un condensateur 16. Ce condensateur 16, qui est connecté à la seconde bobine 12 à travers un dispositif à résistance négative 17, provoque un courant à travers cette seconde bobine 12. Ainsi le seuil des deux bobines d' actionneur 11 et 12 et le taux d'impulsion émis par le microprocesseur 10 sont des paramètres ajustables du circuit illustré sur la figure 1. On peut piloter l'une des bobines 11 et 12 en faisant varier ces paramètres. Mais ce brevet, décrit un mécanisme de préservation d'énergie, à utiliser dans une commande de four. Il ne décrit pas un dispositif de commande de ressort. Les deux bobines d' actionneur 11 et 12 sont connectées directement ou indirectement au même transistor de commutation NPN 14. Ce transistor 14 est fermé ou ouvert en fonction du signal de sortie 13 du microprocesseur 10. Si le transistor 14 ou le microprocesseur 10 tombe en panne, aucune des deux bobines d' actionneur 11 et 12 ne peut être fermée ou ouverte. Il n'est pas nécessaire que le microprocesseur 10 entier tombe en panne pour que le circuit tombe en panne. Si la sortie 13 du microprocesseur 10 est défectueuse, le circuit entier cesse de fonctionner, ce qui peut arriver, par exemple, lorque le microprocesseur 10 ne peut pas fournir un courant en sortie suffisamment élevé pour piloter le transistor 14.

Un autre document de l'art connu, la demande de brevet JP20010353337 décrit un contacteur électromagnétique comprenant deux éléments PTC connectés en série avec une bobine. Le courant, qui traverse la bobine afin de fermer le contact principal du contacteur, chauffe les deux éléments PTC. La résistance électrique de ces deux éléments PTC augmente d'environ quatre fois lorsque la température passe de 20°C à 300°C. Lorsque la température de ces deux éléments PTC atteint 200°C, ceux-ci commencent à limiter le courant à travers la bobine. Ainsi la mise en série d'une bobine et de deux éléments PTC permet de limiter le courant à travers la bobine. Il faut typiquement 300 millisecondes, pendant lesquelles aucun courant ne traverse la bobine, pour que les deux éléments PTC reviennent à leur état conducteur à température ambiente après toute opération du contacteur. Aussi le contacteur ne peut pas se refermer en moins de 300 millisecondes à partir de la dernière opération fermeture-ouverture.

L'invention a pour objet de proposer une solution avantageuse permettant de résoudre les problèmes techniques énumérés ci-dessus.

EXPOSÉ DE L' INVENTION

L'invention concerne un dispositif de commande à ressort d'un appareillage de commutation, par exemple un disjoncteur, haute ou moyenne tension comprenant un circuit actionneur et au moins un interrupteur secondaire, caractérisé en ce que ce circuit actionneur comporte, entre une borne de masse et une borne d'alimentation, un élément PTC en série avec une première bobine d' actionneur, un élément d' actionneur, par exemple une seconde bobine d' actionneur, étant disposé en parallèle avec cet élément PTC, l'impédance de cet élément d' actionneur étant supérieure à celle de la première bobine d' actionneur .

Avantageusement le circuit actionneur comprend une diode en série avec la seconde bobine d' actionneur, en parallèle avec l'élément PTC.

Le dispositif de l'invention est utilisable dans une station isolée au gaz (GIS) mais il est également utilisable dans d'autres types de station. La commande à ressort de l'invention peut aussi être utilisée dans un dispositif de commutation isolé à l'air tel qu'un disjoncteur à bain d'huile, ou un disjoncteur à faible volume d'huile. De plus il peut être utilisé dans des applications à l'intérieur ou à 1 ' extérieur . Dans le brevet US 5, 889, 645 les deux bobines d' actionneur 11 et 12 sont commandées en ajustant le taux d'impulsion en sortie du microprocesseur 10. Afin de fonctionner ainsi le microprocesseur doit être programmé pour envoyer des impulsions à travers l'une des ses bornes de sortie. Le circuit décrit dans ce brevet tombe en panne si un transistor tombe en panne. Par contre, le dispositif de l'invention ne nécessite pas un microprocesseur, et ne nécessite aucune programmation. Il ne comprend aucun élément semi-conducteur critique pour le fonctionnement du circuit entier.

Contrairement à la solution décrite dans la demande de brevet JP20016353337 , le dispositif de l'invention est capable d'une séquence 0-300 millisecondes-CO . La seconde bobine d' activateur, qui est parallèle à l'élément PTC permet une refermeture et une ouverture (CO) en seulement 300 millisecondes après une opération d'ouverture (0) . Ainsi tandis que l'élément PTC transmet un courant pendant la première opération d'ouverture, la seconde bobine d' actionneur facilite la seconde opération d'ouverture.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 illustre un dispositif de l'art antérieur .

La figure 2 illustre le dispositif de

1 ' invention

La figure 3 illustre le fonctionnement du dispositif de l'invention EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Comme illustré sur la figure 2, le dispositif de l'invention comprend un élément PTC 20 connecté en série avec une première bobine d' actionneur 21, un élément d' actionneur 22, par exemple une seconde bobine d' actionneur, d'impédance supérieure à celle de la première bobine 21 étant connecté en parallèle à l'élément PTC. Un tel élément PTC (« Positive température coefficient » ou coefficient de température positif) est une thermistance dont la résistance augmente fortement avec la température dans une plage de température limitée, mais diminue en dehors de cette plage .

L'élément PTC permet à la première bobine 21 de supporter un courant élevé au commencement, lorsqu'elle est mise sous tension. Il permet également de limiter le courant à travers cette première bobine 21 à une valeur plus faible, pour éviter à la première bobine 21 et à l'interrupteur secondaire d'être endommagés par des courants excessifs. La seconde bobine 22 permet de faciliter la refermeture du disjoncteur après seulement 300 millisecondes. Etant donné que la température de l'élément PTC n'est pas revenue à la température ambiante après 300 millisecondes, la seconde bobine 22 est nécessaire pour éviter tout temps mort. Sinon le mécanisme de déclenchement tomberait en panne, parce que le courant ainsi limité par l'élément PTC est trop faible pour que le mécanisme puisse fonctionner. La seconde bobine 22 permet également d'assurer une redondance. Si la première bobine 21 qui est en série avec l'élément PTC 20 tombe en panne, la seconde bobine 22 permet au mécanisme de déclenchement de fonctionner.

L'élément PTC 20 peut être un élément de type Vishay PTCLL07H161FTE066. Un tel élément a une résistance qui a une valeur de 4 ohms à 25°C et 8 ohms à 75°C (température de commutation) et qui peut atteindre des valeurs élevées telle que 700 ohms à 125°C et 10 kOhms à 150°C. Le temps de remise à zéro « reset time ») maximum de cet élément à 25 °C est de 90 secondes. Puisque la température de fonctionnement de cet élément PTC est de -25°C, des circuits nécessitant de travailler à des températures telle que -50°C nécessitent différents éléments PTC. L'invention n'est pas limitée à un tel élément PTC.

L'impédance des deux bobines 21 et 22 est différente. La seconde bobine 22 comprend par exemple 1000 tours avec une impédance d'environ 35 ohms. La première bobine 21 comprend par exemple 363 tours avec une impédance d'environ 3,55 ohms. Ces valeurs d'impédance sont des valeurs indicatives. D'autres valeurs peuvent être utilisées tant que l'impédance de la seconde bobine 22 est supérieure à celle de la première bobine 21.

La somme des impédances des première et seconde bobines 21 et 22 est suffisamment élevée pour de limiter le courant à travers le circuit. Lorsque l'élément PTC 20 atteint des températures supérieures à 70°C, sa résistance est beaucoup plus élevée que la résistance de la seconde bobine. L'élément PTC 20 peut alors être considéré comme pratiquement isolant. La plus grande partie du courant traverse donc la branche de circuit comprenant la seconde bobine 22. Ce courant doit être suffisamment faible pour qu'un interrupteur secondaire (non illustré sur la figure 2) puisse couper le courant à travers tout le circuit illustré sur la figure. Comme défini ci-dessus, l'interrupteur secondaire est essentiellement limité à 4A (DC) .

Si la tension entre l'alimentation V et la masse est 110 volts, la somme des impédances des deux bobines 21 et 22 devrait être 110V/4A=27,5 ohms. Or la somme des impédances des deux bobines selon l'exemple ci-dessus est 35 ohms + 3,55 ohms = 38,5 ohms. Les deux bobines 21 et 22 limitent donc bien le courant à travers le circuit à une valeur qui peut être interrompue par un interrupteur secondaire.

Lorsque la température de l'élément PTC est proche de 25°C, sa résistance est inférieure à la résistance de la seconde bobine 22, ce qui correspond à une configuration suivante du circuit :

- déclenchement moins de 20 millisecondes (approximativement) à partir de l'application de tension de l'alimentation,

avec une température de l'élément PTC avant mise sous tension de 25°C.

La courbe de la figure 3 illustre alors l'évolution temporelle du courant à travers le circuit, c'est-à-dire le courant tel que mesuré près de l'alimentation ou de la borne de masse. Du fait de la faible résistance de l'élément PTC, la plus grande partie du courant traverse la branche comprenant l'élément PTC 20. Ce courant est plus élevé que le courant qui traverse la branche comprenant la seconde bobine 22, ce qui permet de déclencher le fonctionnement de la commande de ressort plus rapidement .

Afin de permettre un fonctionnement de la commande de ressort encore plus rapide, on peut ajouter une diode 23 dans la branche comprenant la seconde bobine 22. Cette diode est un moyen efficace pour réduire le couplage inductif entre les deux bobines 21 et 22. Le couplage inductif devient en effet un problème si les deux bobines sont enroulées sur le même noyau. En utilisant une telle diode 23 le temps de déclenchement est réduit de 5,6 millisecondes à 3,2 millisecondes .

Les bobines 21 et 22 et l'élément PTC 20 peuvent fonctionner au dessus de leurs courants continus nominaux et/ou leurs tensions continues nominales. En effet, lorsque les bobines 21 et 22 et l'élément 20 sont utilisés dans une commande de ressort pour un disjoncteur haute tension, ils véhiculent des courants pendant seulement une fraction de seconde. Or ces bobines et l'élément PTC sont capables de supporter des contraintes thermique, mécanique et électrique résultant d'une surcharge temporaire.

Un interrupteur secondaire dans son état fermé peut supporter temporairement des courants au dessus de la valeur nominale, mais sa capacité de coupure nominale doit être considérée comme une limite supérieure stricte. Aussi, au moment de l'interruption le courant qui traverse l'interrupteur secondaire ne doit pas dépasser sa capacité de coupure nominale. Afin de surmonter cette limite, on peut utiliser plusieurs interrupteurs secondaires connectés en série.

Il n'est pas nécessaire de déconnecter le circuit de la figure 2 de son alimentation lorsque la résistance de l'élément PTC est faible. Comme illustré sur la figure 3, c'est typiquement le cas pour 20 millisecondes à partir de l'application de tension à l'alimentation. Pendant cette phase, le courant à travers la branche comprenant l'élément PTC peut dépasser la capacité de coupure de l'interrupteur secondaire. Après ces 20 millisecondes, la température de l'élément PTC a augmenté, réduisant de ce fait le courant à travers le circuit. Le circuit secondaire peut interrompre alors le courant réduit.

Les dispositifs de commande à ressort de l'art antérieur pour des disjoncteurs de circuits haute tension répondent aux exigences de la norme IEC 62271- 100, clause 4.104, pour une refermeture rapide. Il est souvent fait référence à la séquence de fonctionnement correspondant comme O-300 millisecondes-CO . Le O, dans cette expression, correspond à une opération d'ouverture et C à une opération de fermeture (ou refermeture) . En d'autres termes, la commande de ressort ouvre (O) les contacts mobiles du disjoncteur, puis reste inactif pendant 300 millisecondes avant refermeture (C) . Même après refermeture, la commande de ressort a emmagasiné suffisamment d'énergie pour ouvrir (O) à nouveau les contacts mobiles du disjoncteur.

A 25°C un élément PTC PTCCL07H16FTE066 de type vishay prend 90 secondes pour réinitialiser. Par conséquent un délai de 300 millisecondes entre une opération d'ouverture et des opérations suivantes de fermeture-ouverture est insuffisant pour permettre une réinitialisation de l'élément PTC. Dans ce cas, le courant traversant l'élément PTC peut ne pas suffire pour commander 1 ' actionneur . Mais l'actionneur fonctionne en fonction du courant traversant les deux bobines21 et 22, qui est plus petit que le courant traversant l'élément PTC 20. Par conséquent, le déclenchement de la commande à ressort est plus lent que lorsque commandé par un courant à travers l'élément PTC. En d'autres termes, la seconde opération d'ouverture (« 0 ») d'une séquence 0-300 millisecondes CO n'est pas déclenchée aussi rapidement que la première opération d'ouverture.

La seconde bobine d'actionneur 22 peut être remplacée par n' importe quel élément qui permette un flux suffisant de courant. L'impédance de cet élément doit être suffisamment faible pour que le courant à travers la première bobine d'actionneur 21 suffise pour déclencher l'opération mécanique de commande à ressort.