Conception, essais et utilisation des disjoncteurs CCHT

Pour pouvoir exploiter de façon fiable de tels réseaux CC, présentant des capacités de transport d'un grand nombre de GW, des disjoncteurs CCHT (DJ CCHT) sont un composant clé pour établir ou interrompre des courants CC, en exploitation normale, et aussi pour pouvoir isoler très rapidement les éléments en défaut d'un réseau CC, et minimiser les impacts sur les parties saines du système électrique, évitant ainsi des indisponibilités à grande échelle du système électrique.

Plusieurs concepts de DJ CCHT ont été développés lors des dernières décennies. Cependant, à ce jour, seuls les DJ CCHT, ACI et MPE, ont été mis en service dans des applications CCHT, et plusieurs retours d'expérience d'exploitation ont été rapportés. Ces deux types de DJ ont également été la principale cible des efforts de recherche et de développement.

Les développements récents constituent des étapes importantes vers la maturité de la technologie et, donc, la possibilité d'utilisation des DJ CCHT dans les futurs réseaux CC multi-terminaux (MT). Simultanément il apparaît un besoin persistant et de plus en plus fort de spécifications fonctionnelles qui définissent les contraintes opérationnelles qui sont imposées aux composants des disjoncteurs et, à partir de là, conditionnent les spécifications des essais. 

Objet

La BT 873 a pour objectif de constituer un guide de conception, d'essai et d'utilisation des DJ CCHT, de tension nominale d'exploitation supérieure à 50 kV. Les aspects traités sont les suivants:

• L'interaction entre les DJ et les systèmes CCHT.
• Les spécifications fonctionnelles des DJ CCHT et proposition de méthodologie de détermination de la capacité nominale des DJ.
• Les impacts des spécifications des DJ sur la conception des sous-ensembles.
• Les méthodes de modélisation et d'essai des DJ CCHT et de leurs sous-ensembles.
• Les circuits recommandés pour l'essai d'interruption de courant d'un DJ.

Structure et Contenu

Après un résumé des travaux pertinents conduits par d'autres organisations académiques, on examine en premier lieu dans la BT les technologies des systèmes CCHT et des systèmes de conversion, ainsi que les stratégies associées de détection, d'identification et de gestion des défauts les affectant. On discute ensuite les aspects de répartition des potentiels, de commutation mécanique, de contrôle et de protection, et de surveillance d'état des DJ. Les exigences fonctionnelles essentielles des DJ CCHT et leur interaction avec les systèmes CCHT sont spécifiquement analysées à la suite. Viennent à la suite les approches en matière de détermination des capacités nominales, de modélisation et d'essai HIL en temps réel du DJ, pour un système CCHT et une stratégie de protection donnée. Des guides de définition des spécifications des essais de type des DJ CCHT et de leurs sous-ensembles sont fournis, avec les circuits recommandés pour l'essai d'interruption de courant. Des exemples de DJ installés dans des projets CCHT, ainsi que de DJ développés en laboratoire, ainsi que les résultats obtenus, sont donnés. Ces points sont présentés comme suit :

Introduction

Les travaux pertinents conduits par des organisations telles que CIGRE, la CEI, l'IEEE, et les organisations chinoises SAC et NEA, sont rapidement analysés. Les objectifs, le domaine couvert et la structure de la BT sont rappelés, ainsi que les hypothèses et limitations rencontrées. On souligne son intérêt pour les lecteurs.

La BT 114 a été la première BT CIGRE traitant des DJ CCHT. Elle décrivait les composants de base du DJ, les montages des circuits, les fonctions assurées, les contraintes et les spécifications, pour les DJ des postes et des lignes. Un système modèle CCHT LCC à 4 terminaux avait été développé et utilisé pour illustrer les études. Les rapports CIGRE d'intérêt sur les DJ CCHT qui ont suivi sont la BT 533 et la BT 683. La BT 533 donne une vue d'ensemble du développement typique d'un défaut pour différentes configurations de systèmes CCHT, et une description qualitative des caractéristiques intéressantes. La BT 683 confirme que l'optimisation du DJ et de la protection du système est très importante pour les futurs réseaux CCHT multi-terminaux.

Vue d'ensemble de la technologie CCHT et de la gestion des défauts

On présente rapidement les technologies de conversion CA/CC, ainsi que les principales topologies de circuit CCHT et leurs utilisations, et on explique brièvement les différentes stratégies de gestion des défauts et les configurations de DJ. On analyse diverses technologies connexes comme la détection des défauts, la détermination de la localisation des défauts et les méthodes de limitation du courant.

Les technologies CCHT peuvent être regroupées en quatre types : CCHT-LCC, CCHT-CCC, CCHT-VSC et CCHT-SRC, les technologies CCHT-LCC et CCHT-VSC étant seules largement acceptées dans les applications commerciales. La technologie CCHT-VSC est préférée pour le raccordement des productions renouvelables et pour la réalisation des réseaux CC multi-terminaux.

On a vu évoluer les philosophies de protection des systèmes CCHT. Une des philosophies privilégie la séparation de la portion du système en défaut et applique des concepts non-sélectifs, partiellement sélectifs et complètement sélectifs. L'autre philosophie s'intéresse au comportement du côté CA des stations de conversion, avec des décisions variables sur le fonctionnement CA, maintien du fonctionnement CA, arrêt temporaire du flux de puissance active/réactive, ou arrêt permanent du flux de puissance active/réactive.

Vue d'ensemble de la technologie des disjoncteurs CCHT

Les technologies et les mécanismes d'interruption des courants des DJ CCHT sont examinés. Des aspects de la conception, comme la répartition des tensions, la commutation mécanique, le contrôle et la protection, et la surveillance de l'état des DJ CCHT sont discutés. On présente aussi des topologies et des dispositifs qui sont encore en phase de recherche.

Il en ressort qu'une variété de technologies de DJ sont disponibles ou en cours de développement, mais que les DJ des types ACI et MPE sont les seuls qui soient considérés comme adaptés aux utilisations CCHT. Le disjoncteur et le sectionneur de la branche principale d'un DJ CCHT est constitué habituellement de dispositifs de manœuvre mécaniques très rapides, à vide ou à SF6. Les IGBT sont normalement utilisés pour le disjoncteur de coupure et de commutation de la branche principale pour un DJ MPE, mais on a envisagé aussi l'utilisation des IEGT et IGCT. Il arrive quelquefois que des IGBT, des thyristors (rapides) ou des commutateurs de fermeture mécaniques soient utilisés comme commutateur d'injection de courant d'un DJ ACI. Pratiquement chacun des composants HT d'un DJ CCHT doit être constitué de dispositifs connectés en série pour satisfaire les contraintes de tension, et il faut donc que la répartition correcte des tensions statiques et dynamiques soit une exigence fondamentale dans la conception d'un DJ CCHT. La Figure 1 montre la configuration de base des DJ ACI et MPE.

Expérience d'exploitation des disjoncteurs CCHT

Les retours d'expérience d'utilisation des DJ CCHT dans plusieurs systèmes multi-terminaux CCHT VSC sont résumés, avec une présentation rapide des systèmes et des topologies de DJ concernés, de leurs caractéristiques principales et des paramètres spécifiques du projet. Les résultats enregistrés des essais in-situ de fonctionnement des DJ sont également présentés.

Au total, depuis 2016, 20 DJ CCHT ont été installés sur trois systèmes multi-terminaux dans le monde, tous en Chine. Des DJ à la fois des types ACI et MPE ont été mis en place, et tous utilisent des IGBT HT de puissance et des dispositifs de commutation mécaniques à vide comme éléments de commutation. Des MOSA (parafoudres à oxyde de zinc) sont utilisés comme dispositifs d'absorption d'énergie. La tension maximale de fonctionnement est de 515 kV, et les courants permanents et de défaut atteignent respectivement 3 000 A et 26 kA. Le temps de commutation interne du courant ne dépasse pas 3 à 4 ms. La Figure 2 montre les résultats de l'essai artificiel de court-circuit sur site du DJ CCHT du projet CCHT multi-terminal de Zhoustan.

Besoins de modélisation des disjoncteurs CCHT et des systèmes CCHT

Les approches de modélisation des systèmes CCHT et des DJ sont débattues. Elles couvrent aussi la modélisation des systèmes CCHT pour les essais en temps réel d'"équipement dans la boucle" (HIL) des DJ.

Un réseau CC comporte généralement des composants tels que des DJ CC, des systèmes de protection et de contrôle, des convertisseurs CA/CC, des parafoudres, des transformateurs CA, des lignes de transport CCHT et des câbles CCHT. Les modèles proposés de simulation de chacun de ces composants dépendent du type de l'étude à réaliser. Des modèles détaillés de DJ ne sont nécessaires que si on analyse le DJ lui-même, alors que des modèles à circuits équivalents peuvent être utilisés pour des études de système. Pour les modèles de système de protection et de contrôle d'un réseau CCHT l'exigence essentielle est de pouvoir détecter et localiser les défauts, et de prendre les actions nécessaires pour la protection du réseau. Pour les études de dimensionnement d'un DJ, les aspects critiques d'un système de protection et de contrôle CCHT sont le temps de réponse et la bande passante, les réglages et les caractéristiques dynamiques, et la synchronisation des différentes détections. Les principales difficultés d'une simulation temps réel d'un réseau CC comportant des DJ CC viennent du grand nombre des composants du circuit, des fréquents changements de topologie des circuits dus aux changements d'état des composants, de la présence de composants non linéaires, et du grand nombre d'échanges de signaux logiques.

Spécifications électriques des disjoncteurs CCHT

Les spécifications fonctionnelles importantes des DJ CCHT sont analysées, ainsi que l'impact du réseau sur elles. On présente ensuite une méthodologie préconisée pour la définition des paramètres clés des DJ, pour un système CCHT et une stratégie de protection et contrôle donnés. Les approches qui ont été suivies pour des installations sur site, et également pour des études académiques, sont présentées brièvement.

La conclusion est que pour les DJ CCHT les exigences fondamentales sont de faibles pertes de conduction en exploitation normale, et un temps de fonctionnement rapide pour la coupure des courants, permanent et de défaut. Dans certains cas il est en outre important que le DJ soit capable de se refermer après un défaut transitoire. De nombreux aspects du réseau CCHT peuvent impacter les spécifications de DJ, dont la topologie du réseau, les types de court-circuit et leur emplacement, les stratégies de protection, etc. Les caractéristiques des DJ à étudier sont fondamentalement les mêmes pour tous les systèmes : détermination des types de défaut, conception du DJ et limites de courant, identification des conditions pour les pires cas, optimisation du DJ et exigences de limitation du courant et vérification de la conception finale. Pour un système donné, l'approche effective va dépendre des contraintes et des limites du système en question.

Spécifications des essais de type des disjoncteurs CCHT

Les valeurs proposées et les spécifications des essais de type des DJ sont résumées en se référant aux normes existantes et aux spécifications particulières au projet du DJ CCHT. On donne une explication détaillée de chaque essai proposé et les critères d'acceptation correspondants. Il est également proposé des spécifications d'essai supplémentaires qui sont propres aux DJ CCHT.

Des contraintes différentes affectent le DJ aux différents stades de son fonctionnement. Le courant de défaut maximal apparaît pendant la montée de tension du DJ, alors que la TIV maximale se manifeste au début de la phase de suppression du courant de défaut. Le temps de montée de la tension entre bornes du DJ est typiquement de quelques dizaines de microsecondes ou plus, et dépend des paramètres du système électrique et du circuit répartiteur de tension propre à la conception du DJ CCHT. La présence et les caractéristiques de l'inductance série de limitation du courant vont impacter la contrainte de tension à la terre du DJ. Il faut prêter une attention particulière à la conception et à la vérification des composants standards, tels que les appareillages mécaniques et les dispositifs d'absorption de l'énergie, quand ils sont utilisés de manière non normalisée dans un DJ CCHT.

Circuit d'essai de coupure de courant de disjoncteur CCHT

Un guide de conception et d'optimisation de circuits d'essai de coupure de courant des DJ CCHT est proposé. On explique ensuite les méthodes d'application des contraintes de tension post-coupure aux différents circuits d'essai. Des exemples de circuits et de résultats d'essai de coupure de courant, portant sur des DJ CCHT installés en réseau et sur des DJ développés dans des projets internationaux de recherche, sont rapidement résumés.

Les circuits d'essai de coupure de courant des DJ doivent pré-conditionner le DJ et reconstituer les pires conditions de pré-défaut, produire un courant d'essai égal ou supérieur au courant qui doit être interrompu pendant le fonctionnement disjoncteur, fournir l'énergie spécifiée pendant la durée de suppression du défaut, et produire la contrainte diélectrique spécifiée après la suppression du courant de défaut. Ces contraintes peuvent être produites en utilisant la méthode du générateur de court-circuit CA, la méthode de la capacité chargée, ou la méthode de l'inductance chargée. Pour réaliser des essais raisonnables et économiques, on peut envisager des méthodes pratiques d'essai telles que des essais unitaires, des essais synthétiques et des essais multi-composants. La contrainte diélectrique après interruption du courant peut être obtenue par la méthode de de la charge piégée ou par une source de tension CC séparée.

Conclusion

Le CE B4 a été en première ligne pour proposer des informations et des guides sur les systèmes CC et l'électronique de puissance. Les ingénieurs et les experts académiques du domaine des DJ CCHT et de leur utilisation sont les lecteurs potentiels de la BT. Le contenu de la BT 873 peut aussi intéresser les professionnels concernés par divers aspects des réseaux de distribution CC, et les groupes de travail qui doivent produire ou à amender des normes nationales ou internationales. La BT 873 permettra au lecteur :

• de se familiariser avec les technologies CCHT ;
• de mieux comprendre les technologies des DJ CCHT et les aspects de leur conception ;
• de prendre connaissance des normes nationales et internationales concernant les DJ CCHT ;
• d'utiliser le guide de configuration des DJ et de gestion des défauts, pour le développement des systèmes CCHT multi-terminaux ;
• d'appréhender les aspects de la modélisation des composants importants des DJ et des réseaux CCHT ; 
• de normaliser les essais des DJ CCHT, en appliquant les paramètres d'essais de type et les circuits d'essai préconisés.