WO2013160217A1 - Circuit actionneur de commande de disjoncteur - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an actuating device for controlling an electrical disconnecting apparatus, such as a medium voltage or high voltage circuit breaker.
  • a circuit breaker for example in a gas-insulated electrical substation called GIS according to the English "Gas Insulated Substation", is equipped with a control. This control provides the energy and torque needed to move the contacts of the detectors.
  • the controls can be hydraulic, pneumatic or spring type.
  • the present invention is more particularly described for a spring drive, but also applies to other types of controls.
  • a spring drive acts mechanically to open or close the contacts of a circuit breaker.
  • a conventional actuation mechanism includes a coil that drives a plunger when current flows through the coil. The plunger is connected to a movable pawl, so that the spool controls the mechanical operation of the spring drive by moving the plunger and hence the pawl.
  • a coil capable of being traversed by a current capable of displacing the plunger and the pawl typically comprises 1103 turns wound around a magnetic core. This means that the inductance of the coil is high, as is its time constant since it is proportional to the inductance. Thus, the action time with known solutions currently reaches 5.5 ms.
  • US 5,889,645 relates to a mechanism for controlling a gas valve in an oven.
  • This mechanism has two coils for actuating the gas valve.
  • the coils are driven by a single input signal emitted by a microprocessor and amplified by a transistor.
  • US 5 159 522 relates to an electric clutch control also comprising two coils. One of them operates the clutch and the other maintains it in its actuated state.
  • a first input terminal and a first transistor feed a first coil, while a second input terminal and a second transistor feeds the two coils.
  • JP 2009302358 discloses a circuit in which a coil is fed via a transistor and a capacitor in a first phase.
  • the transistor In a second phase, the transistor is blocked and the current flowing through the coil is limited by a resistive element in series with the coil.
  • This type of circuit can not be transposed to the control of a circuit breaker. Indeed, for a circuit breaker, the current to be interrupted in the activation circuit must be less than 4 A (continuous) according to IEC 622271-1, ⁇ 5.4.4.5.4. This implies a minimum value of resistance for a given voltage. For example, for 110 V and 4 A, the sum of the resistances of the coil and the resistive element is at least 27.5 Ohm.
  • the dead time of the mechanism must be low, typically less than 300 ms to comply with the cycle of operation detailed in IEC 62271.100, ⁇ 4.104.
  • the intrinsic resistance of the coil must be low, typically 4 Ohm.
  • the resistance of the resistive element is at least 23.5 Ohm.
  • the invention aims to solve the problems of the prior art by providing an actuator circuit of a control of a circuit breaker, characterized in that it comprises two branches in parallel between two terminals and in that The first branch comprises only a first coil,
  • the second branch has a second impedance coil smaller than the first, in series with a switch controlled by a switching circuit.
  • the action time of the actuator circuit is reduced and remains compatible with the speed requirements of a circuit breaker.
  • the first branch has a redundancy function. If the second branch becomes inoperative, for example because of the failure of a component, then the first branch provides the function of actuating the command. Thus, a failure of a component does not prevent the operation of the device. Since the first coil has a higher impedance than the first one, the current flowing through the first coil remains relatively small compared to the current in the second coil and can be interrupted by an auxiliary switch.
  • the switching circuit is adapted to limit the intensity of the current flowing through the second coil and to open the second branch after a predetermined time, after a potential difference is applied between the two terminals.
  • the current to be interrupted remains at a value of less than 4 A (continuous), and complies with the requirements of IEC 622271-1.
  • the switch comprises a component chosen from a a field effect transistor, an NPN junction transistor, a thyristor or a mechanical relay.
  • the first and second coils are wound around the same core.
  • induced currents are created, including a current in the first coil when the current is interrupted in the second coil, which ensures full displacement of the plunger.
  • the invention also relates to a control of a circuit breaker comprising an actuator circuit as previously presented. It may be a spring loaded control.
  • the invention also relates to a circuit breaker comprising a control provided with an actuator circuit as previously presented.
  • control and the circuit breaker have advantages similar to those previously exposed.
  • FIG. 1 schematically represents a circuit breaker equipped with a spring-type control provided with an actuator circuit according to the invention
  • a medium or high voltage circuit breaker 20 comprises a spring control 21 which provides the energy and torque necessary for the displacement of the contacts of the disjunctor.
  • the circuit breaker 20 and the control 21 are conventional except for an actuator circuit 22 which controls the control 11.
  • the circuit breaker and the control are not described in detail here.
  • the actuator circuit is detailed below.
  • the actuator circuit according to the invention comprises two parallel branches between two terminals 5 and 6 to which a potential difference can be applied to operate the actuator circuit.
  • the first branch comprises only a coil 1.
  • the coil 1 comprises 1000 turns and has an impedance of 35 Ohm.
  • This branch has a redundancy function. If the second branch becomes inoperative, for example due to the failure of a component, then the first branch provides the actuating function of the spring control. It is then a so-called degraded mode of operation.
  • the second branch has a coil 2 and other components that will be detailed later.
  • the coil 2 has 363 turns and has an impedance of 3.55 Ohm.
  • other impedance values of the coils 1 and 2 can be chosen, provided that the impedance of the coil 1 is greater than that of the coil 2.
  • the second branch provides the so-called normal operating mode.
  • the coils 1 and 2 are formed by winding around the same core.
  • the switch mainly comprises a transistor 3.
  • the transistor 3 is a field effect transistor, for example of the MOSFET type.
  • the drain of the transistor 3 is connected to the coil 2 and the source of the transistor 3 is connected to the terminal 6.
  • Other types of components can be used as a switch, in particular an NPN junction transistor, a thyristor or a mechanical relay. .
  • the transistor 3 limits the intensity of the current flowing through the coil 2 to a value that makes it possible to interrupt the current by an auxiliary switch.
  • the breaking capacity of an auxiliary switch is limited to a current of maximum intensity of 4 A.
  • a diode 4 is connected in parallel with the coil 2.
  • the anode of the diode 4 is connected to the drain of the transistor 3 and the cathode of the diode 4 is connected to the terminal 5.
  • the diode 4 limits the effects of the overvoltage appearing at the opening of the second branch by the transistor 3.
  • the transistor 3 is controlled by a control circuit, or switching, which comprises a bipolar transistor 8 whose collector is connected to the gate of the transistor 3.
  • the collector of the transistor 8 is also connected to a terminal of a resistor 12 whose other terminal is connected to the terminal 5.
  • the emitter of the transistor 8 is connected to the terminal 6.
  • the resistor 12 is for example 56 kOhms.
  • the base of the transistor 8 is connected to the anode of a Zener diode 9 whose cathode is connected on the one hand to a capacitor 10 and a resistor 11 in parallel.
  • the capacitor 10 and the resistor 11 are connected to the terminal 6.
  • the capacitor 10 has for example a capacity of 0.1 ⁇ F and the resistor 11 is 56 kOhms.
  • the cathode of the Zener diode 9 is on the other hand connected to a resistor 13, itself connected to the terminal 5.
  • the resistor 13 is for example 200 kOhms.
  • the transistor 3 then opens the second branch, so that the current flowing through the coil 2 is interrupted, after about 2 ms.
  • the coils 1 and 2 are preferably wound on the same core. This creates induced currents.
  • the transistor 3 interrupts the passage of the current in the coil 2, it induces a current in the coil 1.
  • This induced current can be used to maintain the magnetic field necessary to move the plunger of the mechanism. Indeed, the current in the coil 2 is interrupted after for example 2 ms. This time may be too short for the diver to reach his final position actuated. The current induced in the coil 1 then allows the diver to finish his race.
  • control circuit of transistor 3 is an RC circuit.
  • a capacitor is connected between the terminal 5 and the gate of the transistor 3
  • a resistor is connected between the terminal 6 and the gate of the transistor 3.
  • the resistance and capacitance values are chosen so that the time constant RC is equal to a determined value, for example 2 ms.
  • GIS gas-insulated electrical substation
  • other types of connection apparatus for example aero ⁇ insulated, oil bath circuit breakers, both indoors and outdoors.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

CIRCUIT ACTIONNEUR DE COMMANDE DE DISJONCTEUR
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif d' actionnement pour une commande d'un appareil de déconnexion électrique, tel qu'un disjoncteur moyenne tension ou haute tension.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un disjoncteur, par exemple dans un poste électrique à isolation gazeuse dit GIS d'après l'anglais « Gas Insulated Substation », est équipé d'une commande. Cette commande fournit l'énergie et le couple nécessaires pour le déplacement des contacts des disj oncteurs .
Les commandes peuvent être de type hydraulique, pneumatique ou à ressort. La présente invention est décrite plus particulièrement pour une commande à ressort, mais s'applique également aux autres types de commandes.
Sous l'effet d'un mécanisme d' actionnement , une commande à ressort agit mécaniquement pour ouvrir ou fermer les contacts d'un disjoncteur. Un mécanisme d' actionnement classique comporte une bobine qui pilote un plongeur lorsque du courant traverse la bobine. Le plongeur est relié à un cliquet mobile, de sorte que la bobine pilote le fonctionnement mécanique de la commande à ressort en déplaçant le plongeur et par conséquent le cliquet. Une bobine susceptible d'être parcourue par un courant capable de déplacer le plongeur et le cliquet comporte typiquement 1103 spires enroulées autour d'un noyau magnétique. Cela signifie que l'inductance de la bobine est élevée, de même que sa constante de temps puisqu'elle est proportionnelle à l'inductance. Ainsi, le temps d'action avec les solutions connues atteint couramment 5,5 ms .
Cette valeur contribue de manière significative au temps de coupure d'un disjoncteur. Comme les disjoncteurs haute tension dans les réseaux électriques 60 Hz doivent souvent supprimer un défaut en deux cycles, leur temps de coupure est limité à 33.3 ms . Pour atteindre cette valeur, le temps d'action du mécanisme d' actionnement doit être le plus possible limité .
Le document US 5 889 645 concerne un mécanisme de commande d'une vanne de gaz dans un four. Ce mécanisme comporte deux bobines pour actionner la vanne de gaz. Les bobines sont pilotées par un unique signal d'entrée émis par un microprocesseur et amplifié par un transistor.
Cela implique qu'une défaillance du microprocesseur ou du transistor empêcherait le mécanisme de commande de fonctionner. Ainsi, même en transposant l'enseignement de ce document à la commande d'un appareil de déconnexion électrique, tel qu'un disjoncteur, on n'obtiendrait pas un dispositif de commande présentant un niveau de fiabilité satisfaisant. En effet, un disjoncteur moyenne tension ou haute tension est en service pendant une durée pouvant aller typiquement de 25 à 40 ans. Cette durée est très longue pour un circuit actionneur et notamment pour des composants tels que des transistors qui peuvent avoir une durée de vie plus courte. Une solution dans laquelle un composant risque de mettre ainsi en défaut le disjoncteur n'est pas satisfaisante.
Le document US 5 159 522 concerne une commande d'embrayage électrique comportant également deux bobines. L'une d'elle actionne l'embrayage et l'autre le maintient dans son état actionné.
Selon un mode de réalisation, une première borne d'entrée et un premier transistor alimentent une première bobine, tandis qu'une seconde borne d'entrée et un second transistor alimente les deux bobines.
En transposant l'enseignement de ce document à la commande d'un appareil de déconnexion électrique, tel qu'un disjoncteur, on n'aurait pas cette fois l'inconvénient lié au risque de défaillance d'un transistor. Cependant, cette solution est plus complexe et nécessite notamment deux alimentations distinctes .
Le document JP 2009302358 divulgue un circuit dans lequel une bobine est alimentée via un transistor et un condensateur dans une première phase.
Dans une seconde phase, le transistor est bloqué et le courant parcourant la bobine est limité par un élément résistif en série avec la bobine.
Ce type de circuit ne peut pas être transposé à la commande d'un disjoncteur. En effet, pour un disjoncteur, le courant qui doit être interrompu dans le circuit d' activation doit être inférieur à 4 A (continu), selon la norme CEI 622271-1, § 5.4.4.5.4. Cela implique une valeur minimale de résistance, pour une tension donnée. Par exemple, pour 110 V et 4 A, la somme des résistances de la bobine et de l'élément résistif est au moins de 27,5 Ohm.
Par ailleurs, le temps mort du mécanisme doit être faible, typiquement inférieur à 300 ms pour respecter le cycle d'opération détaillé dans la norme CEI 62271.100, § 4.104.
Cela implique que la résistance intrinsèque de la bobine doit être faible, typiquement de 4 Ohm. Ainsi la résistance de l'élément résistif est au moins de 23 , 5 Ohm .
Ces valeurs ont deux conséquences : l'énergie dissipée par l'élément résistif serait six fois supérieure à celle dissipée par la bobine, ce qui n'est pas souhaitable. En outre, la bobine aurait un nombre de spires très faible pour avoir une faible résistance intrinsèque. Un courant de 4 A parcourant cette bobine ne créerait pas un flux magnétique suffisant pour actionner les parties mobiles dans leur position actionnée. EXPOSÉ DE L' INVENTION
L' invention vise à résoudre les problèmes de la technique antérieure en fournissant un circuit actionneur d'une commande d'un disjoncteur, caractérisé en ce qu' il comporte deux branches en parallèle entre deux bornes et en ce que La première branche comporte uniquement une première bobine,
La seconde branche comporte une seconde bobine d' impédance plus faible que la première, en série avec un commutateur commandé par un circuit de commutation.
Grâce à l'invention, le temps d'action du circuit actionneur est réduit et demeure compatible avec les exigences de rapidité d'un disjoncteur.
En outre, la première branche a une fonction de redondance. Si la seconde branche devient inopérante, par exemple à cause de la défaillance d'un composant, alors la première branche assure la fonction d' actionnement de la commande. Ainsi, une défaillance d'un composant n'empêche pas le fonctionnement du dispositif. La première bobine ayant une impédance plus élevée que celle de la première, le courant parcourant la première bobine reste relativement faible par rapport au courant dans la seconde bobine et peut être interrompu par un commutateur auxiliaire.
Selon une caractéristique préférée, le circuit de commutation est adapté pour limiter l'intensité du courant parcourant la seconde bobine et pour ouvrir la seconde branche après une durée prédéterminée, après qu'une différence de potentiel soit appliquée entre les deux bornes.
Ainsi, le courant à interrompre reste à une valeur inférieure à 4 A (continu) , et respecte les conditions de la norme CEI 622271-1.
Selon une caractéristique préférée, le commutateur comporte un composant choisi parmi un transistor à effet de champ, un transistor à jonction NPN, un thyristor ou un relai mécanique.
Ces composants contribuent à l'obtention d'un temps d'action réduit pour le circuit actionneur.
Selon une caractéristique préférée, la première et la seconde bobines sont bobinées autour d'un même noyau. Ainsi, des courants induits sont créés, notamment un courant dans la première bobine lorsque le courant est interrompu dans la seconde bobine, ce qui permet d'assurer le déplacement complet du plongeur.
L' invention concerne aussi une commande d'un disjoncteur comportant un circuit actionneur tel que précédemment présenté. Il peut s'agir d'une commande à ressort.
L'invention concerne encore un disjoncteur comportant une commande muni d'un circuit actionneur tel que précédemment présenté.
La commande et le disjoncteur présentent des avantages analogues à ceux précédemment exposés.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple non limitatif, décrit en référence aux figures dans lesquelles :
La figure 1 représente de manière schématique un disjoncteur équipé d'une commande à ressort munie d'un circuit actionneur selon 1 ' invention,
- La figure 2 représente le circuit actionneur selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
En référence à la figure 1, un disjoncteur moyenne ou haute tension 20 comporte une commande à ressort 21 qui fournit l'énergie et le couple nécessaires pour le déplacement des contacts du disj oncteur .
Le disjoncteur 20 et la commande 21 sont classiques sauf en ce qui concerne un circuit actionneur 22 qui pilote la commande 11. Le disjoncteur et la commande ne sont pas décrits en détail ici. Le circuit actionneur est détaillé dans la suite.
En référence à la figure 2, le circuit actionneur selon l'invention comporte deux branches parallèles entre deux bornes 5 et 6 auxquelles une différence de potentiel peut être appliquée pour faire fonctionner le circuit actionneur.
La première branche comporte uniquement une bobine 1. Par exemple, la bobine 1 comporte 1000 spires et présente une impédance de 35 Ohm. Cette branche a une fonction de redondance. Si la seconde branche devient inopérante, par exemple à cause de la défaillance d'un composant, alors la première branche assure la fonction d' actionnement de la commande à ressort. Il s'agit alors d'un mode de fonctionnement dit dégradé.
La seconde branche comporte une bobine 2 ainsi que d'autres composants qui seront détaillés dans la suite. Par exemple, la bobine 2 comporte 363 spires et présente une impédance de 3,55 Ohm. Bien entendu, d'autres valeurs d'impédance des bobines 1 et 2 peuvent être choisies, pourvu que l'impédance de la bobine 1 soit supérieure à celle de la bobine 2. La seconde branche assure le mode de fonctionnement dit normal.
En raison de la différence des impédances, le fonctionnement en mode dégradé (première branche) sera alors un peu plus lent qu'en mode normal (seconde branche) . Par exemple, des valeurs mesurées sur un prototype sont de 3,2 ms en mode normal et de 5,5 ms en mode dégradé .
Selon un mode de réalisation, les bobines 1 et 2 sont formées par enroulement autour d'un même noyau .
La seconde branche est maintenant décrite. A partir de la borne 5, la bobine 2 est reliée en série avec un commutateur qui peut ouvrir la seconde branche. Le commutateur est relié à la borne 6. Dans un mode de réalisation préféré, le commutateur comporte principalement un transistor 3. Le transistor 3 est un transistor à effet de champ par exemple de type MOSFET. Le drain du transistor 3 est relié à la bobine 2 et la source du transistor 3 est reliée à la borne 6. D'autres types de composants peuvent être utilisés comme commutateur, notamment un transistor à jonction NPN, un thyristor ou encore un relai mécanique.
Le transistor 3 permet de limiter l'intensité du courant parcourant la bobine 2 à une valeur qui rend possible l'interruption du courant par un commutateur auxiliaire. Comme déjà mentionné, la capacité de coupure d'un commutateur auxiliaire est limité à un courant d'intensité maximale de 4 A. Avec une bobine 2 d'impédance 3,55 Ohm, et en l'absence de limitation de courant par le transistor 3, si une tension est appliquée aux bornes 5 et 6, respectivement situées aux extrémités des deux branches, cela conduirait à un courant de 31 A dans la bobine 2. Cette valeur étant très supérieure à la valeur maximale admissible de 4 A, le transistor 3 limite le courant parcourant la bobine 2.
Une diode 4 est reliée en parallèle de la bobine 2. L'anode de la diode 4 est reliée au drain du transistor 3 et la cathode de la diode 4 est reliée à la borne 5. La diode 4 limite les effets de la surtension apparaissant à l'ouverture de la seconde branche par le transistor 3.
Le transistor 3 est commandé par un circuit de commande, ou de commutation, qui comporte un transistor bipolaire 8 dont le collecteur est relié à la grille du transistor 3.
Le collecteur du transistor 8 est également relié à une borne d'une résistance 12 dont l'autre borne est reliée à la borne 5. L'émetteur du transistor 8 est relié à la borne 6. La résistance 12 vaut par exemple 56 kOhms .
La base du transistor 8 est reliée à l'anode d'une diode Zener 9 dont la cathode est reliée d'une part à un condensateur 10 et une résistance 11 en parallèle. Le condensateur 10 et la résistance 11 sont reliés à la borne 6. Le condensateur 10 a par exemple une capacité de 0,1 yF et la résistance 11 vaut 56 kOhms .
La cathode de la diode Zener 9 est d' autre part reliée à une résistance 13, elle-même reliée à la borne 5. La résistance 13 vaut par exemple 200 kOhms . Le fonctionnement du circuit de commutation est le suivant.
Dès qu'une différence de potentiel est appliquée aux bornes 5 et 6, un courant parcourt la seconde branche et donc la bobine 2 et le condensateur 10 est chargé via la résistance 13. Lorsque la tension aux bornes du condensateur atteint une certaine valeur, par exemple 10,7 V avec les valeurs numériques précédemment données, un courant parcourt le transistor 8, de son émetteur vers sa base.
En raison de la résistance 12, le potentiel électrique du collecteur du transistor 8 et de la grille du transistor 3 chute alors.
Le transistor 3 ouvre alors la seconde branche, si bien que le courant parcourant la bobine 2 est interrompu, après environ 2 ms .
Il est à noter qu'en raison de l'impédance de la bobine 1 qui est plus élevée que celle de la bobine 2, le courant qui parcourt la bobine 1 reste toujours suffisamment faible pour pouvoir être interrompu par un commutateur auxiliaire.
Comme déjà mentionné, les bobines 1 et 2 sont de préférence bobinées sur le même noyau. Cela crée des courants induits. Lorsque le transistor 3 interrompt le passage du courant dans la bobine 2, celle-ci induit un courant dans la bobine 1. Ce courant induit peut servir à maintenir le champ magnétique nécessaire pour déplacer le plongeur du mécanisme. En effet, le courant dans la bobine 2 est interrompu après par exemple 2 ms . Cette durée peut être trop faible pour que le plongeur atteigne sa position finale actionnée. Le courant induit dans la bobine 1 permet alors au plongeur de terminer sa course.
En variante, le circuit de commande du transistor 3 est un circuit RC . Dans ce cas, un condensateur est relié entre la borne 5 et la grille du transistor 3, et une résistance est reliée entre la borne 6 et la grille du transistor 3. Les valeurs de résistance et de capacité sont choisies pour que la constante de temps RC soit égale à une valeur déterminée, par exemple 2 ms .
Il est à noter que l'invention trouve non seulement application dans un poste électrique à isolation gazeuse dit GIS d'après l'anglais « Gas Insulated Substation », mais également dans d'autres types d'appareils de connexion, par exemple aéro¬ isolés, des disjoncteurs à bain d'huile, aussi bien en intérieur qu'en extérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit actionneur d'une commande d'un disjoncteur, caractérisé en ce qu'il comporte deux branches en parallèle entre deux bornes (5, 6) et en ce que
La première branche comporte uniquement une première bobine (1),
La seconde branche comporte une seconde bobine (2) d'impédance plus faible que la première, en série avec un commutateur commandé par un circuit de commutation (3) .
2. Circuit actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commutation est adapté pour limiter l'intensité du courant parcourant la seconde bobine (2) et pour ouvrir la seconde branche après une durée prédéterminée, après qu'une différence de potentiel soit appliquée entre les deux bornes (5, 6) .
3. Circuit actionneur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le commutateur (3) comporte un composant choisi parmi un transistor à effet de champ, un transistor à jonction NPN, un thyristor ou un relai mécanique.
4. Circuit actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première et la seconde bobines (1,2) sont bobinées autour d'un même noyau.
5. Commande (21) d'un disjoncteur comportant un circuit actionneur selon l'une des revendications 1 à 4.
6. Disjoncteur (20) comportant une commande muni d'un circuit actionneur selon la revendication 5.
PCT/EP2013/058243 2012-04-24 2013-04-22 Circuit actionneur de commande de disjoncteur Ceased WO2013160217A1 (fr)

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