FR2701789A1 - Inductive current limiter with varistor - Google Patents
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Abstract
Description
LIMITEUR DE COURANT INDUCTIF A VARISTANCE
La présente invention se rapporte à un limiteur de courant inductif à varistance.VARISTOR INDUCTIVE CURRENT LIMITER
The present invention relates to an inductive current limiter with varistor.
Dans le brevet français n02 661 288 déposé par la
Déposante, il est décrit un limiteur de courant hybride avec supraconducteur et avec circuit magnétique. Lors d'une transition, le fil supraconducteur passe de l'état supraconducteur où la résistance ohmique est nulle, à l'état résistif où sa résistance est égale à plusieurs dizaines d'ohms ou plus.In the French patent n02 661 288 filed by the
Depositive, a hybrid current limiter with superconductor and with magnetic circuit is described. During a transition, the superconductive wire passes from the superconductive state where the ohmic resistance is zero, to the resistive state where its resistance is equal to several tens of ohms or more.
A l'inverse, une varistance à base d'oxyde de zinc ou à base de carbure de silicium en fonctionnement passe de l'état très résistif, où sa résistance est égale à plusieurs
Mégohms, à l'état très conducteur où sa résistance ohmique est inférieur à un ohm et ceci en un temps extrêmement court.Conversely, a varistor based on zinc oxide or based on silicon carbide in operation goes from the very resistive state, where its resistance is equal to several
Megohms, in a very conductive state where its ohmic resistance is less than one ohm and this in an extremely short time.
Un but de l'invention est d'utiliser ces propriétés d'une varistance pour augmenter très rapidement l'inductance du limiteur, afin de limiter le courant de court-circuit. An object of the invention is to use these properties of a varistor to very quickly increase the inductance of the limiter, in order to limit the short-circuit current.
Par ailleurs, l'utilisation de supraconducteurs métalliques à basse température nécessite de l'hélium liquide à 4"K. Cette solution n'est pas économique à cause des pertes cryogéniques importantes en courant alternatif et nécessite encore beaucoup de recherches pour atteindre un stade industriel. In addition, the use of metallic superconductors at low temperature requires liquid helium at 4 "K. This solution is not economical because of the significant cryogenic losses in alternating current and still requires a lot of research to reach an industrial stage. .
De plus, il s'avère que souvent il n'est recherché qu'une réduction de moitié du courant de court-circuit assigné ( voir par exemple le document "A superconducting fault current limiter", J. Applied Physics, April 1978, et "The utility requirements for a distribution fault current limiter", IEEE Power Delivery, April 1992). In addition, it turns out that often only a halving of the rated short-circuit current is sought (see for example the document "A superconducting fault current limiter", J. Applied Physics, April 1978, and "The utility requirements for a distribution fault current limiter", IEEE Power Delivery, April 1992).
Si l'on accepte une chute inductive due à la présence du limiteur de l'ordre de 3% de la tension phase terre, il suffit alors de doubler l'inductance du limiteur pour réduire le courant de défaut de moitié. If an inductive drop due to the presence of the limiter of the order of 3% of the phase-to-earth voltage is accepted, it then suffices to double the inductance of the limiter to reduce the fault current by half.
Dans le cas d'un réseau de 63 kV, d'un courant de court circuit assigné de 20 kA et d'un courant nominal de 1250 A, il faut:
- pour une chute inductive de 4%, multiplier la réactance permanente du limiteur par 1,56,
- pour une chute inductive de 3%, multiplier la réactance permanente du limiteur par 2,08 pour réduire le courant de défaut à 10 kA.In the case of a 63 kV network, a rated short circuit current of 20 kA and a nominal current of 1250 A, you must:
- for an inductive drop of 4%, multiply the permanent reactance of the limiter by 1.56,
- for an inductive drop of 3%, multiply the permanent reactance of the limiter by 2.08 to reduce the fault current to 10 kA.
Dans de telles conditions, il n'est besoin que d'une inductance relativement faible pour limiter le courant de défaut. In such conditions, only a relatively small inductance is required to limit the fault current.
Afin d'obtenir une augmentation très rapide de l'inductance du limiteur et une réduction de moitié du courant de court-circuit assigné, l'invention propose un limiteur de courant inductif destiné à une ligne de réseau haute tension comportant au moins une première bobine en matériau conducteur et une deuxième bobine en matériau conducteur couplée de manière serré avec la première bobine et bobinée en opposition, limiteur caractérisé en ce que la deuxième bobine est montée en série avec la première bobine (B1) et en ce qu'une troisième bobine en série avec une varistance est montée en parallèle à la deuxième bobine cette troisième bobine étant bobinée en opposition à la deuxième bobine et couplée avec celle-ci de manière très serrée. In order to obtain a very rapid increase in the inductance of the limiter and a reduction in half of the rated short-circuit current, the invention proposes an inductive current limiter intended for a high voltage network line comprising at least a first coil of conductive material and a second coil of conductive material tightly coupled with the first coil and wound in opposition, limiter characterized in that the second coil is mounted in series with the first coil (B1) and in that a third coil in series with a varistor is mounted in parallel with the second coil this third coil being wound in opposition to the second coil and coupled with the latter in a very tight manner.
Selon une caractéristique constructive, les première et deuxième bobines ont le même nombre de spires. According to a constructive characteristic, the first and second coils have the same number of turns.
Selon une autre caractéristique constructive, la troisième bobine a un nombre de spires égal ou supérieur à celui de la deuxième bobine. According to another constructive characteristic, the third coil has a number of turns equal to or greater than that of the second coil.
De préférence, les bobines sont plates. Preferably, the coils are flat.
Selon un agencement particulier, les bobines sont entourées d'un circuit magnétique non fermé. According to a particular arrangement, the coils are surrounded by an unclosed magnetic circuit.
Il peut comporter un enclencheur branché aux bornes de la varistance ou un disjoncteur rapide en aval sur la ligne et une self d'induction montée en parallèle aux deuxième et troisième bobines, à la varistance et au disjoncteur. It may include a latch connected to the terminals of the varistor or a fast circuit breaker downstream on the line and an induction choke mounted in parallel with the second and third coils, the varistor and the circuit breaker.
L'invention concerne également un limiteur de courant inductif destiné à une ligne de réseau haute tension selon lequel sur la ligne, de part et d'autre de la première bobine , est disposée en série une deuxième bobine et en parallèle à celle-ci une troisième bobine en série avec une varistance. The invention also relates to an inductive current limiter intended for a high voltage network line according to which on the line, on either side of the first coil, is disposed in series a second coil and in parallel to it a third coil in series with a varistor.
De préférence, les bobines sont disposées sur un circuit magnétique en forme de U, la première bobine étant enroulée sur la courbure du U et les deuxièmes et troisièmes bobines étant bobinées sur les branches du U de part et d'autre de la première bobine. Preferably, the coils are arranged on a U-shaped magnetic circuit, the first coil being wound on the curvature of the U and the second and third coils being wound on the branches of the U on either side of the first coil.
L'invention est décrite plus en détail à l'aide de dessins ne représentant que des modes préférés de réalisation. The invention is described in more detail with the aid of drawings showing only preferred embodiments.
La figure 1 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une première variante de réalisation. Figure 1 is a sectional view of a limiter according to the invention according to a first embodiment.
La figure 2 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une deuxième variante de réalisation. Figure 2 is a sectional view of a limiter according to the invention according to a second embodiment.
La figure 3 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une troisième variante de réalisation. Figure 3 is a sectional view of a limiter according to the invention according to a third alternative embodiment.
La figure 4 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une quatrième variante de réalisation. Figure 4 is a sectional view of a limiter according to the invention according to a fourth embodiment.
La figure 5 est une vue en coupe de deux limiteurs en série conformes à l'invention. Figure 5 is a sectional view of two limiters in series according to the invention.
La figure 6 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une cinquième variante de réalisation. Figure 6 is a sectional view of a limiter according to the invention according to a fifth embodiment.
Le limiteur décrit sur la figure 1 comprend, par phase, trois bobines B1, B2 et B3 en matériau conducteur. De préférence, ces trois bobines B1, B2 et B3 sont des bobines plates de diamètre suffisant. Un disjoncteur D est monté en aval du limiteur. The limiter described in FIG. 1 comprises, per phase, three coils B1, B2 and B3 made of conductive material. Preferably, these three coils B1, B2 and B3 are flat coils of sufficient diameter. A circuit breaker D is mounted downstream of the limiter.
La première bobine B1 est reliée en série au point M à la deuxième bobine B2. Elles sont de préférence similaires, avec par exemple le même nombre de spires et sont bobinées en opposition pour obtenir une inductance permanente faible, par exemple de l'ordre de 3 mH. Le couplage entre la première et la deuxième bobine B1 et B2 est serré, par exemple avec un coefficient de couplage de l'ordre de 0,85. The first coil B1 is connected in series at point M to the second coil B2. They are preferably similar, for example with the same number of turns and are wound in opposition to obtain a low permanent inductance, for example of the order of 3 mH. The coupling between the first and the second coil B1 and B2 is tight, for example with a coupling coefficient of the order of 0.85.
Ces deux bobines sont donc montées très près l'une de l'autre.These two coils are therefore mounted very close to each other.
La troisième bobine B3 est reliée en série à une varistance V et cette bobine B3 avec la varistance V est reliée en parallèle à la deuxième bobine B2 aux points M et
N. Cette troisième bobine B3 est bobinée en opposition à la deuxième bobine B2 et a un très bon couplage avec celle-ci, par exemple avec un coefficient de couplage de 0,90 à 0,95.The third coil B3 is connected in series to a varistor V and this coil B3 with the varistor V is connected in parallel to the second coil B2 at points M and
N. This third coil B3 is wound in opposition to the second coil B2 and has a very good coupling therewith, for example with a coupling coefficient of 0.90 to 0.95.
Etant donné l'absence de courant permanent dans la troisième bobine B3, cette dernière est constituée d'un fil, de préférence en cuivre, de section plus faible que celui de la deuxième bobine B2 et de la première bobine B1. Le nombre de spires de la troisième bobine B3 est égal ou supérieur à celui de la deuxième bobine B2.Given the absence of permanent current in the third coil B3, the latter consists of a wire, preferably copper, of smaller cross section than that of the second coil B2 and the first coil B1. The number of turns of the third coil B3 is equal to or greater than that of the second coil B2.
En régime permanent, le courant nominal traverse les première et deuxième bobines B1 et B2 et crée une chute inductive de l'ordre de 38 de la tension phase terre. La varistance V ne fonctionne pas, étant donné la faible tension entre M et N. In steady state, the nominal current flows through the first and second coils B1 and B2 and creates an inductive drop of around 38 of the phase-to-earth voltage. Varistor V does not work, given the low voltage between M and N.
Lorsque le courant atteint par exemple 3InllZ, In étant le courant nominal, la varistance V fonctionne. Le fonctionnement de la varistance V entraîne la circulation d'un courant dans la troisième bobine B3. Le couplage très serré entre les bobines B3 et B2 permet d'abaisser fortement l'inductance globale ou apparente de ces deux bobines. When the current reaches for example 3InllZ, In being the nominal current, the varistor V operates. The operation of the varistor V causes the circulation of a current in the third coil B3. The very tight coupling between the coils B3 and B2 makes it possible to greatly reduce the overall or apparent inductance of these two coils.
C'est alors en grande partie la réactance propre de la première bobine B1 (environ 6 mH par exemple, dans le cas d'un réseau de 63 kV et d'un courant de court circuit assigné de 20 kA) qui limite le courant de court circuit. On double ainsi la réactance du limiteur. It is then largely the own reactance of the first coil B1 (approximately 6 mH for example, in the case of a 63 kV network and a rated short circuit current of 20 kA) which limits the current of short circuit. This doubles the reactance of the limiter.
Environ 30 millisecondes après le défaut, le disjoncteur D coupe le courant de défaut limité de moitié à 10 kA par exemple. About 30 milliseconds after the fault, circuit breaker D cuts the fault current limited by half to 10 kA for example.
La varistance V est de préférence formée de plusieurs éléments en parallèle afin de pouvoir supporter l'énergie ohmique pendant le passage du courant dans la troisième bobine B3. The varistor V is preferably formed of several elements in parallel in order to be able to withstand the ohmic energy during the passage of the current in the third coil B3.
Selon la variante décrite en référence à la figure 2, les bobines sont entourées extérieurement par un circuit magnétique 1 non fermé. Cette disposition permet en particulier la fermeture des lignes de flux magnétique de la première bobine B1 permettant ainsi d'augmenter son inductance après le fonctionnement de la varistance V. Ce circuit magnétique de préférence en feuille de tôle magnétique peut être cylindrique entièrement fermé ou formé de secteurs séparés. En régime permanent le flux magnétique étant faible il n'y a pas de points chauds sur l'enceinte métallique renfermant la bobine B1. According to the variant described with reference to Figure 2, the coils are surrounded externally by an unclosed magnetic circuit 1. This arrangement allows in particular the closing of the magnetic flux lines of the first coil B1 thus making it possible to increase its inductance after the operation of the varistor V. This magnetic circuit preferably in sheet of magnetic sheet can be cylindrical entirely closed or formed of separate areas. In steady state, the magnetic flux being weak there are no hot spots on the metal enclosure containing the coil B1.
Les trois bobines B1, B2 et B3 peuvent être dans l'huile, dans l'air atmosphérique ou dans un gaz diélectrique par exemple de l'azote ou du SF6 contenu dans une enceinte fermée. La varistance peut éventuellement être installée à l'extérieur de cette enceinte. The three coils B1, B2 and B3 can be in oil, in atmospheric air or in a dielectric gas, for example nitrogen or SF6 contained in a closed enclosure. The varistor can optionally be installed outside this enclosure.
Si l'on souhaite une réactance permanente très faible et une réactance de limitation plus grande, on peut utiliser un circuit magnétique fermé partiellement à l'intérieur des bobines. If you want a very low permanent reactance and a higher limiting reactance, you can use a partially closed magnetic circuit inside the coils.
La figure 3 décrit une disposition qui ne nécessite pas de disjoncteur D en série avec le limiteur. FIG. 3 describes an arrangement which does not require a circuit breaker D in series with the limiter.
Pour réduire l'énergie thermique dans la varistance V, on utilise un enclencheur E branché aux bornes de la varistance V et qui fonctionne dès l'apparition du courant dans la varistance V. To reduce the thermal energy in varistor V, we use an interlock E connected to the terminals of varistor V and which operates from the appearance of current in varistor V.
Le courant traversant la varistance V actionne une bobine BE montée en série avec la varistance V. Les contacts de l'enclencheur E se referment alors en un temps de l'ordre de 7 à 10 ms. Ce faible temps de fonctionnement permet d'utiliser moins de composants de varistance, de préférence en ZnO, en parallèle, pour la varistance V;
D'une façon similaire, on peut faire fonctionner l'enclencheur E dès l'apparition d'une tension aux bornes de la varistance V par un autre dispositif non représenté sans nécessité d'avoir la bobine BE sous tension.The current passing through the varistor V activates a coil BE connected in series with the varistor V. The contacts of the latching device E then close in a time of the order of 7 to 10 ms. This short operating time makes it possible to use fewer varistor components, preferably in ZnO, in parallel, for the varistor V;
In a similar way, the trigger E can be operated as soon as a voltage across the varistor V appears by another device, not shown, without the need for the coil BE to be energized.
Selon la variante décrite sur la figure 4, une self d'induction L est montée en parallèle entre le point M et la ligne et un disjoncteur rapide DR est disposé sur la ligne en amont du raccordement de la self L. According to the variant described in FIG. 4, an induction choke L is mounted in parallel between point M and the line and a fast circuit breaker DR is arranged on the line upstream of the connection of choke L.
Cette disposition permet de réduire efficacement le courant de court circuit après la première crête de courant en insérant très rapidement la self d'induction L de valeur élevée en utilisant le disjoncteur rapide DR de temps d'ouverture de l'ordre de 7 à 8 ms. This arrangement makes it possible to effectively reduce the short circuit current after the first current peak by very quickly inserting the high inductance inductor L using the fast circuit breaker DR with opening time of the order of 7 to 8 ms. .
L'ouverture du disjoncteur DR interrompt les courants dans les bobines B2 et B3 et force le courant de court circuit à entrer dans la self L. Le temps de passage du courant dans la varistance V étant faible il n'est plus nécessaire d'utiliser l'enclencheur E. The opening of the circuit breaker DR interrupts the currents in the coils B2 and B3 and forces the short circuit current to enter the choke L. The time for the current to flow through the varistor V being low, it is no longer necessary to use the trigger E.
Dans le cas d'une ligne à très haute tension supérieure à 245 kV par exemple, l'on utilise deux limiteurs identiques comme décrit ci-dessus montés en série, comme représenté sur la figure 5. In the case of a very high voltage line greater than 245 kV for example, two identical limiters are used as described above connected in series, as shown in FIG. 5.
La figure 6 représente une autre variante de réalisation du limiteur conforme à l'invention. Figure 6 shows another alternative embodiment of the limiter according to the invention.
Les bobinages sont disposés sur un circuit magnétique 50 en forme de U. Ce circuit est fermé par une culasse 51. The windings are arranged on a magnetic circuit 50 in the shape of a U. This circuit is closed by a yoke 51.
La première bobine B1 couvre à peu près la moitié du circuit magnétique 50 et est logé sur la courbure du U. De part et d'autre de cette première bobine B1 sont disposés des deuxièmes et troisièmes bobines B2', B2", B3' et B3". Sur l'arrivée de la ligne est disposée une bobine B2' et en parallèle à celle-ci se trouvent une varistance V' et une bobine B3'. Ces deux bobines B2' et B3' sont enroulées sur une branche du U. De même, sur l'autre branche du U, sont enroulées une bobine B2" en série avec la première bobine B1 et en parallèle à la bobine B2" est disposée une bobine B3" et une varistance V".The first coil B1 covers approximately half of the magnetic circuit 50 and is housed on the curvature of the U. On either side of this first coil B1 are arranged second and third coils B2 ', B2 ", B3' and B3 ". On the arrival of the line is placed a coil B2 'and in parallel to it are a varistor V' and a coil B3 '. These two coils B2 'and B3' are wound on a branch of the U. Similarly, on the other branch of the U, are wound a coil B2 "in series with the first coil B1 and in parallel to the coil B2" is arranged a coil B3 "and a varistor V".
Les bobines équivalentes sont identiques, B2' est identique à la bobine B2" et B3' est identique à la bobine
B3". Les paires de bobines enroulées sur la même branche sont bobinées en opposition, soit B3' en opposition à B2' et
B3" en opposition à B2".Equivalent coils are identical, B2 'is identical to coil B2 "and B3' is identical to coil
B3 ". The pairs of coils wound on the same branch are wound in opposition, ie B3 'in opposition to B2' and
B3 "in opposition to B2".
Les bobines B2' et B2" ont ensemble le même nombre de spires que la première bobine B1 et sont bobinées dans le sens inverse. Les bobines B3' et B3" ont le même nombre de spires que les bobines B2' et B2". Les paires de bobines enroulées sur chaque branche du U sont bobinées de façon à obtenir un très bon couplage magnétique. The coils B2 'and B2 "together have the same number of turns as the first coil B1 and are wound in the opposite direction. The coils B3' and B3" have the same number of turns as the coils B2 'and B2 ". pairs of coils wound on each branch of the U are wound so as to obtain a very good magnetic coupling.
Le flux magnétique 1 créé par la première bobine B1 s'oppose aux flux magnétiques 4 > 2' et #2" créés par B2' et
B2". En cas de défaut quand le courant atteint 3In, les deux varistances V' et V" identiques fonctionnent et créent des flux 4 > 3' et 4 > 3" qui s'opposent aux flux #2' ' et 2. The magnetic flux 1 created by the first coil B1 is opposed to the magnetic fluxes 4> 2 'and # 2 "created by B2' and
B2 ". In the event of a fault when the current reaches 3In, the two identical varistors V 'and V" operate and create flows 4>3' and 4> 3 "which oppose flows # 2" and 2.
L'inductance globale des bobines B2', B2", B3' et B3" tend alors vers une valeur très faible. C'est donc la self d'induction propre de la bobine B1 qui limite le courant de défaut.The overall inductance of the coils B2 ', B2 ", B3' and B3" then tends towards a very low value. It is therefore the self induction inductor of the coil B1 which limits the fault current.
On peut augmenter cette self d'induction de la bobine B1 en utilisant un écran magnétique 56 constitué d'un tube couvrant extérieurement la bobine B1 pour capter les fuites magnétiques de la bobine B1 pendant la limitation du courant de défaut. On peut également utiliser un circuit magnétique 50, 51 formé d'un tore pour réduire les fuites magnétiques entre les bobines. De préférence, la section de la culasse 51 est plus faible que cele de la branche U et saturable à partir de la valeur de courant égale à 3In. This inductance of the coil B1 can be increased by using a magnetic screen 56 consisting of a tube externally covering the coil B1 to capture the magnetic leaks from the coil B1 during the limitation of the fault current. One can also use a magnetic circuit 50, 51 formed of a torus to reduce magnetic leakage between the coils. Preferably, the section of the cylinder head 51 is smaller than that of the branch U and saturable from the current value equal to 3 In.
Le limiteur peut ne comporter qu'une seule varistance, en court-circuitant la varistance V' représentée sur la figure 6 et en reliant directement la bobine B'3 à la bobine
B"3. The limiter can have only one varistor, by shorting the varistor V 'shown in Figure 6 and by directly connecting the coil B'3 to the coil
B "3.
Claims (10)
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Family Applications (1)
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| FR (1) | FR2701789B1 (en) |
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| JP2017500840A (en) * | 2013-12-10 | 2017-01-05 | ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド | Fault current limiter with alternating windings |
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1993
- 1993-02-19 FR FR9301925A patent/FR2701789B1/en not_active Expired - Fee Related
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| FR2701789B1 (en) | 1995-04-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |