Disjoncteur à courant continu

Principe d'un disjoncteur à courant alternatif, non applicable pour un courant continu important

Pour les disjoncteurs en courant alternatif, la coupure d’un courant électrique est obtenue en séparant des contacts dans un gaz (air, SF₆..) ou dans un milieu isolant (par exemple l'huile ou le vide). Après séparation des contacts, le courant continue de circuler dans le circuit à travers un arc électrique qui s’est établi entre les contacts du disjoncteur.

Dans les disjoncteurs à gaz, le courant est coupé lorsqu’un soufflage suffisant est exercé sur l’arc électrique pour le refroidir et l’interrompre.

À l’état normal, le gaz contenu dans le disjoncteur est isolant, il permet de supporter la tension du réseau connecté à ses bornes. Lorsque les contacts du disjoncteur se séparent, l’intervalle entre les contacts est soumis à un fort champ électrique, le courant circule alors à travers un arc qui est un plasma (ou gaz ionisé) composé de molécules de gaz décomposées, d'électrons et d’ions. La température de l'arc devient très élevée, elle peut atteindre 20 000 °C[2] ou plus au cœur de l'arc. Sous l’action du soufflage exercé sur l’arc lors du fonctionnement du disjoncteur, la température de l’arc diminue, les électrons et les ions se re-combinent et le fluide retrouve ses propriétés isolantes. La coupure de courant est alors réussie.

Pour les disjoncteurs à haute tension, le principe de coupure retenu est la coupure du courant lorsqu'il passe par zéro (ceci se produit toutes les dix millisecondes dans le cas d’un courant alternatif à 50 Hz). En effet, c'est à cet instant que la puissance qui est fournie à l’arc par le réseau est minimale (cette puissance fournie est même nulle à l’instant où la valeur instantanée du courant est nulle), on peut donc espérer, moyennant un soufflage suffisant, mettre à profit cet intervalle de temps pendant lequel le courant est de faible intensité pour refroidir suffisamment l’arc afin que sa température diminue et que l’espace entre les contacts redevienne isolant.

Le courant continu ne peut être interrompu par un disjoncteur à courant alternatif, car il ne passe pas par zéro, la puissance fournie à l'arc électrique qui s'est établi entre les contacts du disjoncteur est donc toujours très élevée et ce dernier ne peut être interrompu par un simple soufflage. Il faut donc absorber l'énergie de l'arc électrique ou forcer le passage du courant à zéro. Par ailleurs, l'énergie réactive contenue dans le réseau doit être dissipée. Enfin la tension transitoire de rétablissement qui apparaît aux bornes du disjoncteur après l'interruption du courant ne doit pas conduire au réenclenchement du circuit[3]^,[4]^,[5]

Schéma d'un disjoncteur DC basse tension

Ouverture ralentie d'un disjoncteur ultra rapide à courant continu sous un fort courant avec projection d'argent en fusion (16 000 A la tension de l'arc est entre 2 et 11 V sans boite à arc)..

Les disjoncteurs DC basse tension utilisent une technologie proche de celle des disjoncteurs AC dans le sens où des contacts s'ouvrent, un arc apparaît puis un mécanisme permet d'éteindre l'arc. Toutefois alors que pour un disjoncteur AC, le passage par le zéro du courant permet d'obtenir des conditions dans lesquelles l'arc peut être soufflé, pour un disjoncteur DC d'autres stratégies doivent être utilisées. La tension aux bornes de l'arc doit atteindre la valeur de la tension du système, pour cela il faut augmenter la résistance de l'arc. Pour y parvenir, on peut : allonger l'arc, le refroidir ou le séparer en de nombreux arcs en série[19]^,[20]^,[21].

En détails, l'arc apparaît entre deux contacts proches l'un de l'autre. Un dispositif - bobine, aimant permanent - crée un champ magnétique, qui lui-même crée une force de Laplace qui fait se déplacer les pieds de l'arc sur le contact qui est conçu de sorte à favoriser un allongement de l’arc plus rapide et plus grand que celui provoqué par la seule ouverture mécanique des contacts[22]. Il faut noter que si le courant est assez élevé l'usage d'une bobine n'est pas nécessaire. Si au contraire le courant est faible, la mise en place d'un noyau magnétique au centre de la bobine peut être envisagée. Dans tous les cas si le champ produit est trop faible, l'arc ne se déplace pas et n'est pas interrompu. La bobine ne doit dans tous les cas être alimentée que lors de l'ouverture du disjoncteur. Au bout d'un moment, l'arc rencontre les séparateurs. Ceux-ci vont le diviser en de nombreux arcs en série. Les séparateurs peuvent être en matière conductrice ou isolante, dans les deux cas ils servent à refroidir l'arc. Dans le premier cas on parle de cathode froide pour les séparateurs[19]^,[20].

Ouverture d'un disjoncteur avec un courant permanent de 16 kA la tension de l'arc est entre 2 et 11 V

• 
  Début d'ouverture du disjoncteur
• 
  Début du soufflage de l'arc 16kA
• 
  Soufflage de l'arc 16kA
• 
  Projection d'argent en fusion
• 
  Arc éteint, vue des contacts après plusieurs ouverture sous 16 kA

Schéma de principe d'un disjoncteur DC à circuit oscillant

Schéma typique d'un disjoncteur DC à circuit oscillant, la présence de sectionneurs dépend du choix de la méthode de commutation

Pour forcer le passage du courant à zéro il faut produire une tension à travers le disjoncteur égale à celle du réseau. On peut différencier deux familles de méthodes : active et passive. Dans le premier cas une capacité, souvent préchargée, se situe en parallèle avec le disjoncteur AC. Pour plus de clarté par la suite, on désignera par « disjoncteur » le disjoncteur AC, par « ensemble » le disjoncteur HVDC vu dans sa totalité. La charge de la capacité produit un pic de courant de charge qui dérive donc le courant du disjoncteur AC. Dans le second cas, une capacité et une bobine sont connectés en série, leur fréquence d'oscillation permet de faire croiser le zéro au courant dans le disjoncteur AC[8].

Dans le cas de la commutation active, le fonctionnement est le suivant[3]^,[4]:

1. En fonctionnement permanent, le disjoncteur est fermé, sa résistance est très faible.
2. Pour interrompre le courant, le sectionneur de la branche oscillante est fermée, la capacité se précharge et envoie un courant opposé dans le disjoncteur ce qui rend le courant nul.
3. Lors le courant passe par zéro le disjoncteur s'ouvre.
4. La capacité se charge alors.
5. La branche absorbante, constitué d'une varistance, est dimensionnée de tel sorte que lorsque la capacité est chargée il commence à conduire.
6. Le parafoudre dissipe alors l'énergie et réduit le courant à une valeur très faible.

Dans le cas d'une commutation passive, le sectionneur de la branche d'oscillation n'est pas nécessaire. Le fonctionnement est le suivant[8]^,[3]^,[4]:

1. En fonctionnement permanent, le disjoncteur est fermé, sa résistance est très faible.
2. Pour interrompre le courant le disjoncteur s'ouvre, un arc s'établit entre ses contacts. La tension de l'arc, permet de détourner une partie du courant vers la branche oscillante.
3. Le courant dans le disjoncteur se met alors à osciller, il suit une loi du type ${\displaystyle I_{disjoncteur}=I_{0}(1+e^{(R_{c}+R_{arc})t}\cdot sin(\omega _{c}t)}$. Il oscille donc avec de plus en plus d'amplitude et fini par croiser le zéro. L'arc est alors éteint.
4. La capacité se charge alors.
5. La branche absorbante, constitué d'une varistance, est dimensionnée de telle sorte que lorsque la capacité est chargée il commence à conduire.
6. Le parafoudre dissipe alors l'énergie et réduit le courant à une valeur très faible.

Pour le dimensionnement des différents éléments, il y a plusieurs points à prendre en compte[8]^,[4]:

• L'arc a une résistance dynamique difficile à modéliser.
• Le seuil de tension de la varistance est choisi proche de la valeur maximale de la tension admise par la capacité. Cette tension doit être supérieure à celle du système. On peut prendre une valeur égale à 1,7 fois celle du système pour éviter que la varistance ne devienne passante en cas de défaut sur le réseau comme des chocs de manœuvre ou lors de la chute de la foudre. Cela vaut également pour la tension que peut maintenir le disjoncteur sur ses bornes.
• La fréquence d'oscillation de la branche oscillante et du courant dans le disjoncteur est égale à ${\displaystyle f_{c}=2\pi \omega _{c}={\frac {2\pi }{\sqrt {LC}}}}$. Pour rendre la commutation plus rapide il faut donc choisir C et L petits.
• Le système voit, comme tout disjoncteur, apparaître à ses bornes une tension transitoire de rétablissement après l'interruption du courant. La valeur de la montée de la tension est égale à : ${\displaystyle {\frac {du}{dt}}={\frac {I_{0}}{C}}}$. Si cette valeur est trop grande les autres équipements électriques connectés au disjoncteur doivent être dimensionnés de manière à pouvoir résister à une telle surtension. Pour limiter cette surtension, il faut donc choisir C grand. Comme le résume Charles H. Flurscheim il faut donc une capacité petite avant l'interruption du courant et grande après, il faut donc idéalement modifier le circuit à cet instant[6].

Une autre méthode similaire consiste à ouvrir le disjoncteur mais cette fois avec une tension d'arc supérieure à la tension du système. Le courant tombe alors à zéro. Cette méthode a le défaut que l'arc dure longtemps ce qui cause une forte érosion des contacts du disjoncteur et son usure prématurée[3].

Les différents éléments peuvent être de divers types[4]:

• Le disjoncteur peut être à air, à SF₆, à huile, à vide.
• L'interrupteur de la branche oscillante dans la famille active peut être un sectionneur ou un éclateur.
• La résistance peut être linéaire, non linéaire (varistance).

Schéma d'un sectionneur rapide

Des tentatives sont faites pour améliorer la modélisation de l'arc électrique dans le disjoncteur et mieux adapter ceux-ci aux besoins spécifiques de ces circuits[4]. En 2014, ABB propose une adaptation du mécanisme précédent permettant d'atteindre un temps d'interruption de l'ordre de 5 ms pour 10,5 kA. Le circuit utilise une commutation active afin de faire osciller le courant dès la fermeture de la branche d'oscillation. La capacité est choisie très petite pour rendre l'interrumption rapide. Cela a également l'avantage de réduire les dimensions du composant et la rendre ainsi plus économique. La surtension importante provoquée par la faible capacité est limitée par des parafoudres. Le disjoncteur s'ouvre rapidement grâce à un actionneur électromagnétique[23].

Toutes ces solutions n'offrent pas des performances très intéressantes, leur temps d'interruption du courant reste élevé[4].

Un disjoncteur HVDC à semi-conducteurs peut être construit très facilement. De nombreux éléments semi-conducteurs doivent être mis en série pour maintenir une tension suffisante à leurs bornes et permettre la coupure du courant[4].

L'un des intérêts de ce système est d'être extrêmement rapide, quelques microsecondes lui suffisent pour interrompre le courant. Celui-ci n'a donc pas le temps de monter significativement, la résistance au court-circuit des équipements électriques n'a pas besoin d'être aussi importante[4]^,[24].

Les IGBT ont l'avantage de limiter automatiquement le courant. Par contre ils occasionnent beaucoup de pertes, les GTO en occasionnent moins, les IGCT étant les meilleurs dans ce domaine[24].

Le problème avec un tel montage est que le courant traverse continuellement les semi-conducteurs, ils causent donc des pertes par conduction. Leur résistance de l'ordre de quelques milliohms est nettement supérieure aux quelques microohms des disjoncteurs mécaniques AC[4]. Ces pertes ont un niveau inacceptable pour un grand réseau de transport électrique[25].

L'usage de supraconducteurs a été proposé pour couper les courants continus. La solution consiste à mettre en série un élément supraconducteur en série avec le circuit à ouvrir. À l'état supraconducteur la tension à ses bornes est nulle. Une élévation de température au-delà de sa température critique ou une élévation du champ magnétique, c'est-à-dire du courant concrètement, au-delà de sa valeur critique provoque la transition du supraconducteur dans un état normal, doté d'une résistance et ayant donc une tension à ses bornes. Cette solution convient bien pour la coupure des courants élevés car il est très facile alors d'atteindre les seuils critiques de courant ou de champ. Mais cette solution convient mal à la coupure des courants nominaux ou inférieurs aux valeurs nominales[10].

Pour contourner le problème, il est possible d'utiliser les transitions successives de plusieurs fils supraconducteurs placés en parallèle en fonction de la valeur du courant à interrompre. Cette solution ne couvre pas toute la gamme de courant, et ne convient pas bien pour la coupure des courants faibles ou moyennement faibles. Alstom a proposé de combiner une capacité préchargée comme dans la solution oscillante à un dispositif supraconducteur pour couvrir toute la gamme de courant[10]. L'usage d'hélium liquide pour son refroidissement rend cette solution peu économique[11].

Représentation d'un disjoncteur hybride tel que l'on se l'imaginait dans les années 2000

Les solutions hybrides tentent de combiner les avantages des disjoncteurs mécaniques : faible résistance de conduction, bonne isolation en position ouverte, isolation galvanique, à celui des disjoncteurs à semi-conducteurs : la grande rapidité de coupure[3].

En 2000, l'état de l'art voulait que les ensembles de ce type soient en général constitués de trois éléments : un disjoncteur AC, un sectionneur et des semi-conducteurs. Le disjoncteur AC assure la conduction du courant en régime permanent, le sectionneur permet d'assurer l'isolation diélectrique après la coupure du courant, les semi-conducteurs permettent d'interrompre le courant mais ne conduisent pas celui-ci en régime permanent. Le disjoncteur doit être très rapide afin de maintenir le circuit ouvert une fois que les semi-conducteurs ont coupé le courant. Le circuit d'amortissement limite la surtension lors de l'ouverture du circuit pour protéger les semi-conducteurs[3].

Comme écrit précédemment, il est très important pour un disjoncteur DC hybride d'avoir des disjoncteurs aussi rapides que possible afin de ne pas augmenter la durée de coupure totale. Il doit avoir une faible résistance à l'état fermé et une bonne isolation ouvert[4]. Ces considérations ont poussé les chercheurs à remettre à plat le concept des disjoncteurs. Walter Holaus remarque ainsi en 2001 que ces disjoncteurs ne sont soumis que durant quelques µs à un arc électrique, il n'y a pas besoin ni d'élément de soufflage, ni de contacts très résistants. Il en conclut que des sectionneurs optimisés en vitesse seraient plus adaptés[26].

Représentation du disjoncteur DC hybride d'ABB

En 2011 ABB présente un prototype de disjoncteur DC hybride remplissant les objectifs fixés de rapidité et de faibles pertes. Son principe consiste à mettre en parallèle deux interrupteurs à IGBT : le premier, de taille limitée et produisant donc de faibles pertes, est en série avec un sectionneur rapide; le second est beaucoup plus grand avec des varistances en parallèle aux IGBT. En régime permanent, le courant passe par la première branche avec de faibles pertes. En cas de défaut, le premier interrupteur IGBT permet de commuter le courant dans l'autre branche alors que celui-ci est encore faible. Le sectionneur rapide s'ouvre alors évitant que ce premier interrupteur n'ait une tension trop importante à ses bornes. Afin d'être suffisamment rapide, il est constitué de plusieurs parties mécaniques en série. Le second interrupteur à IGBT s'ouvre alors, les varistances limitant la tension maximale aux bornes de l'interrupteur et dissipent l'énergie. Un sectionneur classique permet de couper le courant résiduel, la résistance des varistances n'étant pas infinie. La durée de coupure du courant est d'environ 5 ms[13]. L'objectif d'ABB est d'interrompre le courant sur des lignes ayant une tension de 320 kV[17].

Le sectionneur rapide utilisé dans le montage précédent est d'un design innovant. Il utilise de nombreux contacts en série, chacun monté sur une barre. La moitié des barres sont reliées en haut du mécanisme, l'autre moitié en bas. Quand le sectionneur s'ouvre, les barres sont déplacés, les contacts ne sont plus alignés et le courant est interrompu. La légèreté de chaque ensemble barre avec contact permet d'obtenir une ouverture rapide du mécanisme. Le déplacement est lui-même actionné par deux bobines de Thomson. Le tout étant plongé dans du SF₆, ce qui réduit les distances d'isolement[27].

En novembre 2012, le groupe communique intensivement sur l'innovation[13]. Son coût n'est pas encore connu mais on peut penser qu'il sera nettement plus cher qu'un disjoncteur AC[28].

Le domaine ferroviaire utilise des disjoncteurs DC basse tension.

Les disjoncteurs HVDC à circuit oscillant sont présents dans les postes HVDC actuels dans les parties basses tensions. Ils portent les noms suivants : disjoncteur de transfert du retour métallique (metal return transfer breaker, MRTB), disjoncteur de transfert du retour par la terre (ground return transfer breaker, GRTB). On trouve également des sectionneurs en courant continu : metallic return switch (MRS), neutral bus switch (NBS), neutral bus ground switch (NBGS), high-speed bypass switch (HSBS). Les disjoncteurs de transfert du retour métallique et pas la terre ont tous deux la même fonction: dans une installation HVDC en bipôle lors de la défaillance d'un pôle, le courant du pôle sain ne peut plus revenir par l'intermédiaire de la ligne de l'autre pôle. Il passe alors soit par une ligne appelée « retour métallique » ou directement par la terre par l'intermédiaire d'électrode. Autrement dit la configuration passe de bipôle à monopole. Lorsque le pôle défaillant est réparé, il faut renvoyer le courant dans la ligne (ou câble) haute tension. La terre ayant une faible impédance, il faut forcer ce transfert. Un disjoncteur HVDC est donc utilisé pour interrompre le passage du courant par la terre. L'idée est la même pour le retour métallique, même si la différence entre les impédances est moins importante dans ce cas. Dans tous les cas des disjoncteurs à circuit oscillant sont utilisés[4]^,[29].

• 
  En régime permanent, le courant continu fait une boucle par les deux lignes hautes tensions.
• 
  Lors de la défaillance d'un pôle, le courant retourne par la terre/le retour métallique.
• 
  Lorsque le pôle est réparé, le courant circule toujours par la terre/le retour métallique.
• 
  Le MRTB permet de forcer le passage du courant dans la ligne haute tension et ainsi d'opérer de nouveau l'installation en bipôle

Court-circuit dans un VSC

Les installations HVDC utilisant la technologie en source de tension, dite VSC, ne peuvent pas interrompre le courant de court-circuit au moyen de leur seuls convertisseurs si ces derniers ne sont pas connectés en pont en H. L'absence de bobine de lissage a pour effet que l'inductance de la ligne à courant continu est très faible. Le taux de montée du courant est donc très élevé en cas de défaut. Actuellement les disjoncteurs côté AC sont utilisés pour interrompre le courant de court-circuit. Des disjoncteurs HVDC permettraient d'interrompre le courant directement côté DC de manière rapide et ainsi de moins solliciter les équipements électriques dans ce cas[30]^,[6]^,[31]^,[32].

Réseau maillé en tension continue ne contenant pas de disjoncteurs HVDC (les carrés rouges représentent les postes de conversion HVDC)

Réseau maillé en tension continue contenant des disjoncteurs HVDC (les carrés noirs représentent les disjoncteurs HVDC)

En 2012, l'immense majorité des liaisons à courant continu (HVDC) sont des lignes point-à-point. Quelques rares systèmes sont dits multi-terminaux, mais contiennent en fait seulement 3 stations. En effet, en l'absence de disjoncteur côté DC, en cas de court-circuit, le courant doit être interrompu à la station HVDC[33]. Si pour un point-à-point cela ne change rien : la liaison entre les deux stations est perdue, pour un réseau multiterminal cela implique que tous les terminaux se retrouvent sans tension en cas de court-circuit. Cela est inacceptable. Des disjoncteurs DC dans le réseau doivent permettre de n'ouvrir que la ligne défectueuse tout en maintenant sous tension les lignes saines[6].

Ci-contre, une figure montre un réseau maillé en tension continue avec et sans disjoncteurs HVDC. Sans disjoncteur HVDC, il faut trois fois plus de postes de conversion HVDC, ce qui augmente les pertes. Par ailleurs, avec les disjoncteurs HVDC un poste peut passer de receveur à émetteur d'énergie, ou inversement, sans qu'un autre poste ne doive changer son état, cela facilite la commande du réseau[4].

Un challenge a relever dans les années à venir sera la protection des réseaux maillés à tension continue[34].