36
.......................................................................... Collection Technique Cahier technique n° 193 Les techniques de coupure en MT S. Théoleyre

Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

  • Upload
    buimien

  • View
    235

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

..........................................................................Collection Technique

Cahier technique n° 193

Les techniques decoupure en MT

S. Théoleyre

Page 2: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettentégalement de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partirdu site Schneider.Code : http://www.schneider-electric.comRubrique : maîtrise de l’électricité

Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactezvotre agent Schneider.

La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique »du groupe Schneider.

Avertissement

L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrectedes informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et nesaurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni deconséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémascontenus dans cet ouvrage.

La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée aprèsaccord de la Direction Scientifique et Technique, avec la mention obligatoire :« Extrait du Cahier Technique Schneider n° (à préciser) ».

Page 3: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.1

n° 193Les techniques decoupure en MT

CT 193 édition septembre 1998

Serge THEOLEYRE

De formation scientifique, diplômé Docteur-Ingénieur de l’EcoleNationale Supérieure d’Ingénieurs Electriciens de Grenoble en 1983,il entre en 1984 dans le Groupe Schneider. Il est tout d’abordresponsable de la recherche et du développement puis du marketingpour l’activité Condensateurs de puissance.Depuis 1995, il a la responsabilité des actions du Groupe Schneiderdans les domaines de la normalisation et de la communicationtechnique au sein du Domaine d’Activité Transport et Distribution del’énergie électrique (HT/MT).

Page 4: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.2

Lexique

Ur :Tension assignée correspondant à la valeurefficace de la tension que l’appareil doit êtrecapable de supporter indéfiniment dans desconditions prescrites d’emploi et defonctionnement.

Icc :Courant de court-circuit.

I r :Courant assigné correspondant à la valeurefficace du courant que l’appareil doit êtrecapable de supporter indéfiniment dans desconditions prescrites d’emploi et defonctionnement.

Appareil de connexion :Appareil destiné à établir ou interrompre lecourant dans un circuit électrique.

Appareillage :Terme général applicable aux appareils deconnexion et à leur combinaison avec desappareils de commande, de mesure, deprotection et de réglage qui leur sont associés.

Constante de temps de désionisation :Temps nécessaire à la résistance d’arc pourdoubler de valeur en admettant que sa vitessede variation reste constante.

Court-circuit :Connexion accidentelle ou intentionnelle par unerésistance ou une impédance relativement faible,de deux ou plusieurs points d’un circuit setrouvant normalement à des tensions différentes.

Défaut :Modification accidentelle affectant lefonctionnement normal.

Défaut à la terre :Défaut dû à la mise en contact directe ouindirecte d’un conducteur avec la terre ou à ladiminution de sa résistance d’isolement à la terreau-dessous d’une valeur spécifiée.

Facteur de surtension :Rapport de la valeur crête de la surtension à lavaleur crête de la tension maximale de la tensionadmise par l’appareil.

Pouvoir de coupure (PdC) :Courant présumé qu’un appareil de connexiondoit être capable d’interrompre dans desconditions prescrites d’emploi et decomportement.

Réallumage :Rétablissement du courant entre les contactsd’un appareil mécanique de connexion lors d’unemanœuvre de coupure, avant un quart depériode après le zéro de courant.

Réamorçage :Rétablissement du courant entre les contactsd’un appareil mécanique de connexion lors d’unemanœuvre de coupure, après un quart depériode après le zéro de courant.

Surtension :Toute tension entre un conducteur de phase etla terre ou le neutre, ou entre deux conducteursde phase dont la valeur de crête dépasse lavaleur de crête correspondant à la tension laplus élevée pour le matériel.

Tension transitoire de rétablissement - TTR - :Tension de rétablissement entre les contacts del’appareil de connexion pendant le temps où elleprésente un caractère transitoire appréciable.

Valeur assignée :Valeur d’une grandeur fixée généralement par leconstructeur pour un fonctionnement spécifiéd’un composant, dispositif ou matériel.

Page 5: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.3

Les techniques de coupure en MT

Sommaire

1 Introduction p. 4

2 La coupure des courants de charge 2.1 Principe de la coupure p. 6et de défaut 2.2 La coupure des courants de charge p. 9

2.3 La coupure des courants de défaut p. 13

3 Les techniques de coupure 3.1 Le milieu de coupure p. 17

3.2 La coupure dans l’air p. 18

3.3 La coupure dans l’huile p. 19

3.4 La coupure dans le vide p. 21

3.5 La coupure dans le SF6 p. 24

3.6 Comparaison des différentes techniques p. 29

3.7 Quelles possibilités pour d’autres techniques ? p. 30

4 Conclusion p. 31

Bibliographie p. 32

Couper le courant est une action indispensable à réaliser sur un circuitélectrique, afin d’assurer la sécurité des personnes et des biens en cas dedéfaut mais aussi pour contrôler la distribution et l’utilisation de l’énergieélectrique.

L’objet de ce Cahier Technique est de faire mieux connaître les avantages,les inconvénients et les domaines d’utilisation des anciennes et nouvellestechniques de coupure en Moyenne Tension.

Après avoir caractérisé les courants à couper et la coupure sur un planthéorique, l’auteur présente la coupure dans l’air, l’huile, le vide et le SF6,et termine par deux tableaux comparatifs.

Aujourd’hui, la solution reste la coupure grâce à l’arc électrique que cesoit dans le SF6 ou dans le vide ; elle nécessite une expertise que ceCahier Technique vous invite à partager.

Page 6: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.4

1 Introduction

Depuis les centrales de production, l’énergieélectrique est acheminée jusqu’aux points deconsommation par un réseau électriqueschématisé sur la figure 1 .Il est indispensable de pouvoir couper le couranten tout point du réseau pour des raisonsd’exploitation et de maintenance ou pour protégerle réseau lorsqu’il y a un défaut. Il faut égalementpouvoir le rétablir dans diverses situationsnormales ou de défaut.Pour cela on emploie des appareils dedéconnexion dont le choix dépend de la naturedes courants à couper et du domaine d’application(cf. fig. 2 ). Ces courants peuvent être classésen trois catégories :c Courants de charge, par principe inférieurs ouégaux au courant assigné Ir. Le courantassigné Ir est la valeur efficace du courant quele matériel doit être capable de supporterindéfiniment dans des conditions prescritesd’emploi et de fonctionnement.c Courant de surcharge, lorsque le courantdépasse sa valeur assignée.c Courant de court-circuit, lors d’un défaut sur leréseau, dont la valeur dépend de la puissance dela source, du type de défaut et des impédancesamont du circuit.De plus, que ce soit à l’ouverture, à la fermetureou en service continu, tous ces appareils sontsoumis à des contraintes :c diélectriques (tension),c thermiques (courants normaux et courants dedéfaut),

c électrodynamiques (courant de défaut),c mécaniques.Les contraintes les plus importantes sont liéesaux phénomènes transitoires qui interviennentlors des manœuvres et lors des coupures avecarc électrique de courants de défaut. Cet arc a uncomportement difficile à prédéterminer malgréles techniques actuelles de modélisation.L’expérience, le savoir-faire et l’expérimentationcontribuent donc toujours et dans une largemesure à la conception des appareils de coupure.Ces appareils sont dits « électromécaniques »car, aujourd’hui encore, la coupure statique enmoyenne et haute tension n’est pas technico-économiquement envisageable. Et, parmi tous lesappareils de déconnexion les disjoncteurs sont lesplus intéressants car ils sont capables d’établir, desupporter et d’interrompre des courants dans desconditions normales et anormales (court-circuit).Dans ce Cahier Technique, nous traiterons doncprincipalement de la coupure du courantalternatif par disjoncteur.Le domaine de tension considéré est celui de laMoyenne Tension (1 k - 52 kV), car c’est dans ceniveau de tension qu’il existe le plus grandnombre de techniques de coupure.L’étude des phénomènes apparaissant lors de lacoupure et de la fermeture constitue la premièrepartie de ce document.La deuxième partie présente les quatre types detechniques de coupure actuellement les plusrépandues, à savoir les techniques de coupuredans l’air, l’huile, le vide et le SF6.

Centrale deproduction

Réseau de transport THT

800 kV - 300 kV

Réseau de répartition HT300 kV - 52 kV

Réseau de distribution MT52 kV - 1 kV

Réseau de distribution BT1 kV - 220 V

Postes detransformation

THT / HT

Postes detransformation

HT / MT

Postes detransformation

MT / BT

AbonnésMT

AbonnésBT

AbonnésHT

Fig. 1 : schéma d’un réseau électrique.

Page 7: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5

c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler

c Fonction

Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui oui non oui v oui non non ouiassure, en position d’ouverture unedistance de sectionnement satisfaisant àdes conditions spécifiées.c Destiné à assurer l’isolement de sécuritéd’un circuit, il est souvent associé à unsectionneur de terre.

Sectionneur c Sectionneur spécial conçu pour oui non oui v oui non non nonde mise à la raccorder des conducteurs de phaseterre à la terre.

c Destiné à la sécurité en cas d’interventionsur les circuits, il relie les conducteursactifs hors tension à la terre.

Interrupteur c Appareil mécanique de connexion oui oui oui oui oui non oui vcapable d’établir, de supporter etd’interrompre des courants dans lesconditions normales du circuit y compriséventuellement les courants de surchargeen service.c Destiné à la commande (ouverture etfermeture) des circuits, il est souvent prévupour assurer la fonction sectionnement.Sur les réseaux MT de distributionpublique et privée il est fréquemmentassocié à des fusibles.

Contacteur c Appareil mécanique de connexion ayant oui oui oui oui oui non nonune seule position de repos, commandéautrement qu’à la main, capable d’établir,de supporter et d’interrompre descourants dans les conditions normalesdu circuit y compris les conditions desurcharge de service.c Prévu pour fonctionner très fréquemment,il est principalement destiné à la commandede moteurs.

Disjoncteur c Appareil mécanique de connexion oui oui oui oui oui oui noncapable d’établir, de supporter etd’interrompre des courants dans lesconditions normales du circuit et dans lesconditions anormales spécifiées du circuittelles que celles du court-circuit.c Appareil de connexion d’usage général.Outre la commande de circuits il assure leurprotection contre les défauts électriques.Il remplace les contacteurs pour lacommande des gros moteurs MT.

Fig. 2 : les différents appareils de connexion, leurs fonctions et leurs applications.

= à vide = en charge = court-circuit v = selon les cas

Page 8: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.6

2 La coupure des courants de charge et de défaut

2.1 Principe de la coupure

Un appareil de coupure idéal serait un appareilcapable d’interrompre le courant instantanément,or aucun appareil mécanique n’est capable decouper le courant sans l’aide de l’arc électriquequi dissipe l’énergie électromagnétique du circuitélectrique, limite les surtensions, mais retarde lacoupure totale du courant.

L’interrupteur idéalEn théorie, pouvoir interrompre instantanémentun courant c’est être capable de passerdirectement de l’état conducteur à l’état isolant.La résistance d’un tel interrupteur « idéal » doitdonc passer immédiatement de zéro à l’infini,(cf. fig. 3 ).

Cet appareil devrait être capable :

c d’absorber toute l’énergie électromagnétiqueaccumulée dans le circuit avant la coupure, soit,

en cas de court-circuit, 12

Li2 du fait de la nature

selfique des réseaux ;

Fig. 3 : coupure réalisée par un interrupteur idéal.

Coupure

i

R

t

t

R L

e Charge

c de supporter la surtension (Ldi/dt) qui apparaîtà ses bornes et aurait une valeur infinie si lepassage isolant-conducteur se faisait en untemps infiniment petit, ce qui conduiraitinévitablement au claquage diélectrique.En imaginant que ces difficultés soient éliminéesen réalisant une synchronisation parfaite entre lepassage naturel à zéro du courant, et latransition isolant-conducteur de l’appareil unautre phénomène tout aussi délicat doit êtresurmonté, celui de la tension transitoire derétablissement (TTR).En effet, juste après l’interruption du courant, latension (de rétablissement) au bornes del’interrupteur rejoint la tension du réseau qui estmaximale à cet instant là pour les circuitsinductifs. Ceci se fait sans discontinuité brutaledu fait des capacités parasites du réseau. Unrégime transitoire s’établit alors assurant leraccordement de la tension à celle du réseau.Cette tension appelée tension transitoire derétablissement (TTR) dépend descaractéristiques du réseau et sa vitesse decroissance (dv/dt) peut être considérable (del’ordre du kV/µs). En simplifiant cela signifie que,pour éviter l’échec de la coupure, l’interrupteuridéal doit pouvoir supporter plusieurs kV moinsd’une micro seconde après la transitionconducteur-isolant.

Couper avec l’arc électriqueDeux raisons expliquent l’existence d’un arc :

c Il est quasiment impossible de séparer lescontacts très exactement au zéro naturel decourant du fait de l’incertitude mesure-commande : pour une valeur efficace de 10 kA,le courant instantané 1 ms avant d’atteindre sonzéro vaut encore 3000 A. La surtensioninstantanée Ldi/dt qui apparaîtrait aux bornes del’appareil si celui-ci devenait immédiatementisolant serait infinie et entraînerait le claquageimmédiat de l’espace intercontacts encore faible.

c La séparation des contacts doit se faire à unevitesse suffisante pour que la tenue diélectriqueentre les contacts soit supérieure à la tensiontransitoire de rétablissement. Cela nécessite uneénergie mécanique proche de l’infini qu’enpratique aucun appareil ne peut fournir.

Page 9: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.7

Examinons le processus de coupure avec un arcélectrique. Il est constituée de trois périodes :v la période d’attente,v la période d’extinction,v la période post-arc.

c La période d’attente :Avant le zéro de courant, les deux contacts seséparent provoquant la rupture diélectrique dumilieu intercontacts. L’arc qui apparaît estconstitué d’une colonne de plasma composéed’ions et d’électrons provenant du milieuintercontacts ou des vapeurs métalliquesdégagées par les électrodes (cf. fig. 4 ). Cettecolonne reste conductrice tant que satempérature est suffisamment élevée. L’arc estainsi « entretenu » par l’énergie qu’il dissipe pareffet Joule.La tension qui apparaît entre les deux contactsdu fait de la résistance de l’arc et des chutes detension de surface (tensions cathodique etanodique) s’appelle la tension d’arc (Ua).Sa valeur, qui dépend de la nature de l’arc, estinfluencée par l’intensité du courant et par leséchanges thermiques avec le milieu (parois,matériaux...). Ces échanges thermiques qui sefont par rayonnement, convection et conductionsont caractéristiques de la puissance derefroidissement de l’appareil.Le rôle de la tension d’arc est essentiel car elleconditionne la puissance dissipée dans l’appareil

au cours de la coupure : W U idtat

t

0

arc= ∫ .

Fig. 4 : composition d’un arc électrique dans un milieugazeux.

où t0 est l’instant d’initiation de l’arc et tarc estl’instant de la coupure.En moyenne tension et haute tension, elle restetoujours très inférieure aux tensions de réseau etn’a donc pas d’effet limiteur, sauf artificesparticuliers développés plus loin. La coupure sefait donc au voisinage du zéro « naturel » ducourant alternatif.

c La période d’extinctionL’interruption du courant qui correspond àl’extinction de l’arc se fait au zéro de courant àcondition que le milieu redevienne rapidementisolant. Pour cela, le canal de moléculesionisées doit être cassé. Le processusd’extinction se fait de la manière suivante.Au voisinage du zéro de courant, la résistancede l’arc augmente selon une courbe qui dépendprincipalement de la constante de temps dedésionisation du milieu intercontacts (cf. fig. 5 ).

e

e

e

e

e

Nion +

Anode

Cathode

ion +

ion –

Courantpost-arc

R

t

t

Rr

Ur

ir

ie

Ue

Re

i, U

a

b

Fig. 5 : évolution de la résistance d’arc [a] et de latension et du courant [b] pendant la périoded’extinction, en cas de coupure réussie (r) ou d’échecthermique (e).

Page 10: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.8

Au zéro de courant, cette résistance a unevaleur qui n’est pas infinie et un courant post-arctraverse encore l’appareil du fait de la tensiontransitoire de rétablissement qui apparaît à sesbornes.Si la puissance dissipée par effet joule dépassela puissance de refroidissement caractéristiquede l’appareil, le milieu ne se refroidit plus, c’estl’emballement thermique suivi d’une nouvellerupture diélectrique : c’est un échec thermique.Si en revanche la croissance de la tensionn’excède pas une certaine valeur critique, larésistance de l’arc peut augmenter suffisammentvite pour que la puissance dissipée dans le milieureste inférieure à la puissance de refroidissementde l’appareil évitant ainsi l’emballement thermique.

c La période post-arcPour que la coupure soit réussie, il fautégalement que la vitesse de régénérationdiélectrique soit plus rapide que celle de la TTR(cf. fig. 6 ) sinon un claquage diélectriqueapparaît.A l’instant où se produit la rupture diélectrique, lemilieu redevient conducteur, ce qui génère desphénomènes transitoires qui seront exposés plusen détail plus loin.Ces échecs diélectriques post-coupure sontappelés :v réallumages, s’ils ont lieu dans le quart depériode qui suit le zéro de courant,v réamorçages, s’ils se produisent après.

c La TTR dans les normesBien que la vitesse de croissance de la TTR a unrôle fondamental sur les capacités de coupuredes appareils, sa valeur ne peut être déterminéeprécisément pour toutes les configurations deréseau. La norme CEI 60056 définit pour chaquetension nominale une valeur enveloppe quicorrespond aux besoins normalement rencontrés(cf. fig. 7 ).Le pouvoir de coupure d’un disjoncteur est alorsdéfini, à sa tension assignée et avec la TTR

Fig. 6 : courbes de régénération diélectrique, coupureréussie [a] ou échec diélectrique [b].

Fig. 7 : tension transitoire de rétablissement - TTR - assignée en cas de court-circuit aux bornes d’un disjoncteur(§ 4.102 de la norme CEI 60056).

U

U

t

Tension de rétablissement

t

0

0

a

b

Tension de rétablissement avec réamorçage

Courbe de régénération diélectrique

Tension de rétablissement si l'appareiln'avait pas réamorcé

UTTR

UC

tt3

Tension assignée 7,2 12 17,5 24 36 52(Ur en kV)

Valeur crête de 12,3 20,6 30 41 62 89la TTR (Uc en kV)

Temps t3 (en µs) 52 60 72 88 108 132

Vitesse 0,24 0,34 0,42 0,47 0,57 0,68d’accroissement(Uc / t3)

assignée correspondante, comme la valeur laplus élevée du courant qu’il peut couper.Un disjoncteur doit donc être capable de coupertout courant inférieur à son PdC pour toute TTRdont la valeur est inférieure à la TTR assignée.

Page 11: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.9

2.2 La coupure des courants de charge

En exploitation normale, en MT, la coupure d’uncircuit se fait :c sur un courant de charge de quelquesampères à quelques centaines d’ampères, faiblepar rapport au courant de court-circuit (de 10 à50 kA) ;c avec un facteur de puissance supérieur ouégal à 0,8. Le déphasage entre la tension ducircuit électrique et le courant est petit et leminimum de tension se produit aux alentours duminimum de courant (circuit fortement résistif).La tension aux bornes de l’appareil de coupures’établit alors, à la tension du réseau, quasimentsans phénomène transitoire ( cf. fig. 8 ).Dans de telles conditions, la coupure se fait aupassage du zéro de courant, sans difficulté,puisque l’appareil est dimensionné pour descourants élevés en quadrature avec la tension.

La coupure des courants inductifsc L’arrachement de courantLa coupure de courants inductifs peut donner lieuà des surtensions provoquées par la coupureprécoce du courant, c’est le phénomène« arrachement de courant ».Pour des courants inductifs faibles (quelquesampères à quelques dizaines d’ampères), lacapacité de refroidissement des appareilsdimensionnés pour le courant de court-circuit esttrès élevée par rapport à l’énergie dissipée dansl’arc. Cela engendre une instabilité de l’arc et un

U (entre les contacts)

a100 V

i

t

t

Séparationdes contacts

Coupure effectivedu courant

Période d'arc

Fig. 8 : les phénomènes transitoires sont très faibleslors de la coupure d’un courant d’une charge résistive.

phénomène d’oscillation apparaît lié aux échangesd’énergie entre les capacités « vues » parl’organe de coupure et les inductances (cf. fig. 9et fig. 10 ). Pendant cette oscillation à hautefréquence (de l’ordre de 1 MHz) des passages àzéro du courant sont possibles et le disjoncteurpeut interrompre ce courant avant le passagenormal à zéro à la fréquence industrielle (50 Hz).

Ua U

L1

L

L2C1 C2U1 U2

L1 , C1 = inductance et capacité amont (source d’alimentation),L2 , C2 = inductance et capacité aval (primaire de transformateur),

L = inductance de liaison amont au disjoncteur D (jeu de barres ou câbles).

i

t

i

t

iiia

Zéro natureldu courant

i = courant dans le disjoncteur,ii = valeur du courant conduisant à l’instabilité,ia = valeur du courant arraché.

Fig. 9 : schéma d’un circuit lors de la coupure d’unfaible courant inductif.

Fig. 10 : phénomène d’oscillations à haute fréquenceou « d’arrachement de courant » lors de la coupured’un courant inductif.

Page 12: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.10

Ce phénomène « d’arrachement de courant »s’accompagne d’une surtension transitoireprincipalement due au régime oscillatoire quis’établit du coté de la charge (cf. fig. 11 ).La valeur maximale de la surtension (UCmax)côté charge peut être donnée par l’équationsuivante :

U u

Cmax2

a2= +

ηm aL iC. .2

2

2

dans laquelle :ua = tension d’arrachement,ia = courant arraché,ηm = rendement magnétique.

Du côté alimentation, la valeur de la tension estégale à la valeur de la tension arrachée et tend

Courant à couper

t

t

t

Tensions aux bornes de la charge côté source

Tensions aux bornes du disjoncteur de la source

Fig. 11 : courbes de courant et de tension lors de lacoupure de faibles courants inductifs.

vers la tension du réseau Un avec un régimeoscillatoire qui dépend de C1 et de L1. La valeurde la tension entre les contacts du disjoncteurest égale à la différence entre ces deux tensions.Ces relations mettent bien en évidencel’influence des caractéristiques du réseausachant que le courant arraché dépendfortement de C1 et de l’appareil concerné.

c RéallumagesUn autre phénomène peut conduire à dessurtensions importantes. Ce sont lesréallumages à l’ouverture.D’une manière générale un réallumage estinévitable pour des durées d’arc courtes car ladistance entre contact n’est pas suffisante poursupporter la tension qui apparaît aux bornes del’appareil. C’est le cas chaque fois qu’un arcapparaît peu de temps avant le passage à zérodu courant.La tension côté charge rejoint alors la tensioncôté alimentation avec un régime transitoireoscillatoire à haute fréquence ( de l’ordre de1 MHz). La valeur crête de l’oscillationdéterminée par la tension de charge descapacités parasites aval est alors double de lavaleur précédente.Si le disjoncteur est apte à couper les courantshaute fréquence, il parviendra à couper aupremier passage au zéro de courant, quelquesmicro-secondes après le réallumage. Unnouveau réallumage est très probable du fait del’augmentation de l’amplitude de l’oscillation et lephénomène se répète provoquant une escaladede la tension qui peut être dangereuse pour lacharge (cf. Cahier Technique n°143).Il faut noter que le même phénomène apparaît àla fermeture de l’appareil : il se produit unpréamorçage lorsque les contacts sontsuffisamment proches. Comme dans le cas desréallumages successifs, l’énergie stockée croît àchaque tentative de coupure mais la croissancede la tension est limitée par le rapprochementdes contacts.

c Les domaines d’application

Il s’agit en Moyenne Tension des courantsmagnétisants des transformateurs à vide oufaiblement chargés, des moteurs et desinductances shunt.v Les transformateurs à vide ou faiblementchargés.Les transformateurs peuvent être manœuvrésen période de faible charge (la nuit par exemple)pour des besoins de gestion de réseau. Lescourants correspondant à leurs courantsmagnétisants sont de quelques ampères àquelques dizaines d’ampères et leur facteurd’arrachement peut être important. Cependant,même si le courant est arraché à sa valeur crête,les facteurs de surtensions possibles sontgénéralement faibles compte tenu des capacitéset des inductances mises en jeu.

Page 13: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.11

En distribution aérienne, le risque lié à l’apparitionde courant de surtension est d’autant plus faibleque des parafoudres limitent les surtensions.Par ailleurs, les normes concernant lestransformateurs définissent des essais d’ondesde choc permettant de vérifier leur aptitude àsupporter les surtensions de manœuvre.v Les inductances shuntCes inductances sont utilisées pour compenserla composante réactive des lignes ou pour éviterl’élévation de tension des lignes très longues, etpeu chargées. Elles sont utilisées le plus souventen HT, mais aussi en MT.Les surtensions de coupure restent en généralen dessous d’un facteur de surtension égal à 2,5du fait des impédances concernées. S’il y a unrisque pour que la surtension de coupuredépasse cette limite, des parafoudres et desrésistances de coupure doivent être placés enparallèle sur le disjoncteur.v Les moteursLes bobinages, statorique et rotorique, desmoteurs font que le courant qu’ils absorbent àvide ainsi que leurs courants de démarrage sontessentiellement inductifs. Etant donné le nombreimportant de manœuvres, les surtensions sonttrès fréquentes et peuvent devenir critiques parla dégradation progressive de l’isolation qu’ellesengendrent, en particulier si des ouvertures ontlieu pendant les phases de démarrage.En règle générale, il faut choisir des disjoncteursqui ne réamorcent pas ou à très faible probabilitéde réamorçage. Sinon, il est possible de placersoit des systèmes R-C aux bornes des moteurs,afin de dériver les courants transitoires à hautefréquence, soit des systèmes limiteurs detension de type ZnO.

c La coupure des courant inductifs et les normes

Il n’existe pas de normes internationales pour lacoupure des courants inductifs, cependant lerapport technique 61233 de la CEI stipulent desessais pour les disjoncteurs employés pourl’alimentation des moteurs et des inductancesshunt.v MoteursPour des disjoncteurs ayant des tensionsassignées comprises entre 1 kV et 17,5 kV. Uncircuit normalisé simulant un moteur rotor bloquéest spécifié pour les essais en laboratoire.v Inductances shuntElles sont assez peu répandues en MT,néanmoins, elles sont parfois utilisées en 36 kV.Les essais, effectués en laboratoire sur un circuittriphasé, sont définis uniquement pour destensions assignées supérieures à 12 kV .

La coupure des courants capacitifs

Elle peut donner lieu à des surtensions dues àdes réamorçages lors de la période derétablissement de la tension.

c La coupure des courants capacitifs est enprincipe sans difficulté. En effet, lorsque l’appareilinterrompt le courant, la tension aux bornes dugénérateur est maximale car le courant et latension sont déphasés de π/2 ; du fait que lecondensateur reste chargé à cette valeur aprèsla coupure du courant, la tension aux bornes del’interrupteur, initialement nulle, augmentelentement sans TTR et avec une dérivée parrapport au temps nulle à l’origine.

c En revanche les problèmes de réamorçagessont délicats. En effet, après une demi-période, latension du réseau s’est inversée et la tension auxbornes de l’interrupteur atteint deux fois la valeurde la tension crête. Les risques de réamorçageentre les contacts sont donc augmentés et ced’autant plus que l’ouverture est lente.S’il y a réamorçage à la crête de tension, lacapacité se décharge alors dans l’inductance ducircuit créant un courant oscillatoire de tensioncrête 3 Ê (cf. fig. 12 ). Si la coupure est effectiveau zéro de courant suivant, le condensateurreste chargé à une tension 3 Ê.

I Ua

Ub

Ê

-3 Ê

Oscillationsde courant

Oscillations de tension

Courant après réamorçage

Ub après réamorçage

I

Ua Ub

u L

e C C

Fig. 12 : schéma d’un circuit avec une chargecapacitive, lors de la coupure si le disjoncteur n’ouvrepas assez rapidement, des réamorçages successifspeuvent provoquer des surtensions dangereuses surla charge.

Page 14: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.12

Quand la tension « e » s’inverse de nouveau, latension aux bornes de l’interrupteur est égale à5 Ê. Cette surtension peut entraîner alors unnouveau réamorçage. Le phénomène peut sepoursuivre avec une tension aux bornes del’interrupteur pouvant atteindre des valeurs de5 Ê, 7 Ê, etc.Pour tout réamorçage qui a lieu après le quart depériode qui suit le zéro de courant, une« escalade de tension » peut être observée etconduire à des valeurs crête inadmissibles pourles charges.En revanche, les réallumages dont les apparitionsdépendent du dimensionnement de l’appareil decoupure sont tolérables : la tension d’oscillationaux bornes du condensateur reste inférieure, envaleur absolue, à la valeur crête de la tension dugénérateur, ce qui ne présente pas de dangerparticulier pour les appareils.Pour mémoire, l’essai de surtension descondensateurs est effectué à 2,25 fois leurtension assignée.La régénération diélectrique du milieuintercontacts doit donc être suffisamment rapidepour qu’il n’y ait pas de réamorçage après lequart de période.

c Etablissement de courants capacitifs etpréamorçages

Lors de la fermeture de l’appareil de commandealimentant des charges capacitives, desphénomènes spécifiques aux circuits capacitifsse produisent.Ainsi, la mise sous tension d’une batterie decondensateurs provoque une surintensitéimportante à fréquence élevée (cf. fig. 13 ) dontl’amplitude crête est donnée par l’équation :

IcC

L

U 2

3 L=

+0

oùL0 = inductance du réseau amont,L = inductances de liaison à la batterie,généralement faible vis à vis de L0.Dans le cas de batteries en gradins, lephénomène est encore accentué au niveau dechaque gradin par la présence de l’énergiestockée dans les condensateurs déjà soustension : les courants transitoires peuventatteindre plusieurs centaines de fois le courantassigné avec des fréquences de plusieurs kHzdu fait des faibles valeurs des impédances deliaison entre gradins.Lors des préamorçages au niveau des contactsde l’appareil de commande (allumage d’un arcconducteur avant la jonction des contacts), cescourants transitoires élevés provoquent uneérosion précoce des contacts et éventuellement

Fig. 13 : formes du courant et des tensions (surtensionde préamorçage) lors du couplage au réseau d’unebatterie unique de condensateurs.

Tension réseau

Tension condensateur

Courant condensateur

SA (surtension amont)

SB (surtension aval)

Ic (courant crête de fermeture)

fe (fréquenced'oscillation)

L

e C

L0

leur soudure. Afin de limiter ces phénomènes,des inductances de limitation (impédances dechoc) sont mises en série avec la batterie.

Ainsi, pour une batterie de condensateurs, enn gradins de capacité unitaire C, l’équationprécédente devient :

IcC

U 2

3 L

nn 1

=+

oùL = inductances de limitation (impédances dechoc), élevées vis-à-vis de L0.A noter que des appareils adaptés à cetteapplication existent et doivent être spécifiés.

Page 15: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.13

c Les domaines d’application

Les courants capacitifs ont principalement deuxorigines : les câbles et les lignes, ainsi que lesbatteries de condensateurs.v Les câbles et lignesIl s’agit des courants de charge des câbles à videet des lignes aériennes longues (compenséesou non). Dans nombre de pays européens(surtout les pays du Sud de l’Europe, France,Italie, Espagne...), les réseaux aériens MT sontlongs et donc particulièrement sensibles auxsurtensions atmosphériques de sorte qu’il y a unnombre élevé de déclenchements sur ceslignes… donc de réenclenchements.v Les batteries de condensateursElles sont placées en dérivation sur les réseauxet servent à compenser l’énergie réactive deslignes (réseau de transport) et des charges (MT/BT). Elles permettent d’augmenter les puissancesactives transportées et diminuent les pertes enligne. Elles peuvent être :- uniques dans le cas d’une faible compensationet d’une charge stable,- sinon en gradins (multiples ou fractionnés).Ce type de batterie est très utilisé par certainesgrosses industries (forte puissance installée) etpar les distributeurs d’énergie. Il est associé à unautomatisme et le nombre de manœuvres peutêtre important (plusieurs opérations par jour) : ily a lieu de spécifier des appareils ayant unnombre de manœuvres adapté à ce besoin.

c La coupure des courants capacitifs et lesnormes

La norme CEI 60056 (4e édition, 1987) donne,pour toutes les tensions, des valeurs de pouvoirde coupure assigné pour les disjoncteurs placés

en protection de câbles pouvant être non chargés.Mais cette spécification non obligatoire est jugéeinutile pour les tensions inférieures à 24 kV.En ce qui concerne le pouvoir de coupureassigné pour les disjoncteurs placés en protectionde lignes à vide, la spécification est limitée auxappareils dont la tension assignée est u 72 kV.Aucune valeur n’est spécifiée pour les batteriesde condensateurs.La CEI 60056 spécifie aussi, pour les appareilsde commande et de protection, des essais demanœuvre (cf. fig. 14 ) sur courant capacitifpour les lignes à vide, les câbles à vide et lesbatteries simples de condensateurs mais elle nespécifie rien pour les lignes longues ni pour lesbancs de filtres.Les évolutions normatives, pour les applicationscomportant des courants capacitifs, s’oriententvers la définition d’appareils à faible probabilitéde réamorçage, avec une spécification élargiedes grandeurs et un nombre accru demanœuvres garantissant leur aptitude à l’emploi.

2.3 La coupure des courants de défaut

Dans le cas d’un court-circuit, le déphasageentre le courant et la tension est toujours trèsimportant (0,07 i cosϕ i 0,15), car les réseauxsont essentiellement inductifs. Lorsque lecourant passe par zéro la tension du réseau està son maximum ou presque.En MT, le courant de court-circuit atteintquelques dizaines de milliers d’ampères, parconséquent la coupure se fait sans arrachementde courant car l’arc est très stable. Commedécrit précédemment, elle se décompose entrois phases :c une période d’attente du passage par zéro ducourant,c une période d’extinction,c une période de rétablissement.

Les courants de court-circuitc Les différents types de défaut(cf. Cahier Technique n°158)Parmi tous les types de défaut (triphasé, biphasé,monophasé et de terre), l’incident le plus fréquentest le défaut monophasé à la terre (80% descourts-circuits). Il est dû en général à desruptures d’isolement phase-terre consécutives àdes surtensions d’origine atmosphérique, descasses ou contournements d’isolateur ou destravaux de génie civil.Les courts-circuits triphasés sont rares (5% descas) mais servent de référence pour les essaiscar ces courants de court-circuit et la TTR sontplus élevés que pour des défauts monophasésou biphasés.

Séquence Icc du circuit Courantd’essai d’alimentation en d’essai

fonction du PdC (% de I capa)du disjoncteur(Icc / PdC) x100

1 < 10 20 à 40

2 < 10 > 100

3 100 20 à 40

4 100 >100

Fig. 14 : essais spécifiés par la CEI 60056 pour lesappareils de commande et de protection.

Page 16: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.14

Le calcul des courants de défaut fait intervenirles caractéristiques des réseaux et les schémasde liaison à la terre (neutre isolé, directement misà la terre ou impédant). Des méthodes de calculont été développées et normalisées (CEI 60909).Actuellement, le calcul par simulation surordinateur est assez répandu, et les services deSchneider ont développé et disposent de logicielspermettant d’obtenir des résultats très fiables.

c Localisation des défauts

v Les défauts aux bornes aval du disjoncteurC’est dans ces conditions que le courant de court-circuit est le plus important car il n’est limité quepar les impédances situées en amont del’appareil. Bien que ce type de défaut soit trèsrare, c’est celui qui est retenu pour laspécification des disjoncteurs en MT.v Le défaut en ligneCe type de défaut est plus fréquent que leprécédent sur les réseaux aériens, mais en MT,les caractéristiques d’arc des disjoncteurs et desliaisons disjoncteurs/câbles/lignes font que lacontrainte est inférieure à celle provoquée par uncourt-circuit aux bornes. Il n’existe donc pasd’essais spécifiques pour les disjoncteurs MT.En HT ce type de court-circuit nécessite desessais particuliers pour les défauts proches carles phénomènes de réflexion d’ondesprovoquent des TTR très contraignantes.v Couplage en opposition de phase (cf. fig. 15 )Il s’agit d’un court-circuit particulier qui se produitlors du couplage de deux générateurs nonsynchronisés.

Lorsque deux générateurs ont perdu leursynchronisme, la tension aux bornes dudisjoncteur de couplage est égale à la sommedes tensions de chaque générateur. Le courantque doit alors couper le disjoncteur peutatteindre la moitié de la valeur du courantcorrespondant à un court-circuit au point decouplage. Ce maximum est obtenu lors d’uncouplage en opposition de phases.La norme CEI 60056 (§ 4.106) exige que dansce cas, l’appareil puisse couper 25 % du courantde défaut à ses bornes, sous une tension égaleà 2,5 fois la tension par rapport à la terre, ce quicouvre les valeurs pratiques rencontrées.

c Formes des courants de court-circuit

Lors d’un court-circuit, l’intensité du courantpendant la période transitoire est la somme dedeux composantes, l’une symétrique oupériodique (ia) et l’autre asymétrique ouapériodique (ic) (cf. fig. 16 ).La composante symétrique (ia) est créée par lasource alternative qui alimente le courant decourt-circuit.La composante apériodique (ic) est créée parl’énergie électromagnétique emmagasinée dansl’inductance au moment du court-circuit. Savaleur à l’instant du défaut est égale et opposéeà celle de la composante symétrique pourassurer la continuité du courant. Elle décroîtavec une constante de temps L/R,caractéristique du réseau, dont la valeurnormalisée vaut 45 ms. D’où l’expressionsuivante :ia = I sin(ωt + θ )ic = - I sinθ e(-t/(L/R))I = intensité maximale = E/Zccθ = angle électrique qui caractérise le décalageentre l’instant initial du défaut et l’origine del’onde de courant.

ia

ic

i

t

Fig. 16 : lors d’un court-circuit, le courant est la sommede deux composantes, l’une symétrique ou périodique(ia) et l’autre asymétrique ou apériodique (ic).

X1 X2

X1

Iccdéparts

X2

e1 e2

e1 e2

Icccouplage

Fig. 15 : coupure en cas de discordance de phases lorsdu couplage de deux générateurs non synchronisés.

avec e1 = e2 = e et X1 = X2 = X

Iccdéparts eX

2eX

= + =eX

Icccouplage 2e2X

eX

= =

Page 17: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.15

Deux cas extrêmes :v Le court-circuit survient juste à l’instant où latension e passe à par zéro. La composantesymétrique et la composante continue ont leurvaleur maximale. Le régime d’établissement estdit à asymétrie totale.v L’instant initial du court-circuit coïncide avec lepassage à zéro de la composante alternative ducourant : la composante continue est nulle et lerégime est dit symétrique.

Le pouvoir de coupure

Le pouvoir de coupure (PdC) est défini comme lecourant le plus élevé qu’un appareil peut coupersous sa tension assignée dans un circuit dont laTTR répond à une spécification précise.L’appareil doit pouvoir couper tous les courantsde court-circuit ayant une composantepériodique inférieure à son PdC et unecomposante apériodique quelconque dont lepourcentage ne dépasse pas une valeurspécifiée.Cependant, selon le type d’appareil, certainscourants de défaut, plus petits que le PdC,peuvent se révéler difficiles à couper, car ilsengendrent des temps d’arc très longs avec desrisques de non coupure.

c La coupure en triphasé

Du fait du déphasage des courants en triphasé,la coupure se passe de la manière suivante :v Le disjoncteur interrompt le courant de lapremière phase (phase 1 sur la figure 17 ) pourlaquelle le courant passe à zéro.Le régime devient alors biphasé et tout se passecomme si le point N se déplaçait en N’. Latension qui s’établit sur la première phase, auxbornes du contact ouvert AA’, est celle existantentre A et N’, elle vaut alors :Uréseau u UAA’ = V.k u Uréseau e/2k est le facteur de premier pôle. Sa valeur variede 1 à 1,5 selon que le neutre est directementmis à la terre ou parfaitement isolé.

A

Ur

Ur / e1,5 Ur / e

A', B, B', C, C'

A A'

B B'

C C' N'

N

N

1

1

3

32

2

v 1/2 période plus tard les deux autres phasesarrivent à leur tour à zéro, le disjoncteur coupeet le réseau redevient équilibré par rapport aupoint neutre.La TTR dépend donc des régimes de neutre. Lanorme précise les valeurs retenues pour lesessais en prenant la valeur 1,5 pour la MT et lesréseaux à neutre isolé. La valeur de 1,3 est prisepour les autres cas.

c La fermeture d’un disjoncteur sur un courantde défaut

Les défauts étant souvent fugitifs, il est habituelen exploitation normale de refermer le disjoncteuraprès l’interruption d’un courant de défaut.Cependant certains sont permanents et ledisjoncteur doit donc pouvoir rétablir le courantde court-circuit.La fermeture qui s’accompagne d’un préamorçageprovoque une onde de tension à front raide dontla crête de courant peut atteindre théoriquement2,5 Icc dans l’hypothèse d’une asymétrie totale,d’une constante de temps de 45 ms à 50 Hz etsans effet de décalage de pôles. Un pouvoir defermeture est donc exigé pour les disjoncteurs.

c Pouvoir de coupure normaliséLa conformité des disjoncteurs aux normesdémontre notamment leur aptitude à couper tousces courants appelés courants critiques.La norme CEI 60056 (§ 4.104) impose une séried’essais permettant de valider le PdC del’appareil et de vérifier son aptitude auxmanœuvres de fermeture et d’ouverture répétées.Le pouvoir de coupure assigné est caractérisépar deux valeurs.v La valeur efficace de sa composante périodiqueappelée généralement pouvoir de coupure.Les valeurs normalisées du pouvoir de coupureassigné sont prises dans les séries de Renard(6.3, 8, 10, 12.5, 16, 20, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80,100 kA), sachant qu’en pratique, les courants decourt-circuit ont des valeurs comprises entre12,5 kA et 50 kA en MT.

Fig. 17 : tension UAA’ supportée par le premier pôle qui ouvre, d’un appareil triphasé.

Page 18: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.16

v Le pourcentage de la composante apériodiqueIl correspond à la valeur atteinte au bout d’untemps τ égal à la durée minimale d’ouverture dudisjoncteur, à laquelle on ajoute une demi-période de la fréquence assignée pour lesappareils à source auxiliaire. La constante detemps de décroissance exponentielle normaliséeest de 45 ms. D’autres valeurs supérieures sontà l’étude pour certains cas particuliers.Les essais de coupure en court-circuit sont faits,avec des valeurs spécifiées de TTR, pour desvaleurs de courants de 10, 30, 60 et 100% duPdC selon le tableau de la figure 18 .

Avec :O = manœuvre d’ouverture,FO = manœuvre de fermeture suivieimmédiatement d’une manœuvre d’ouverturesauf spécification particulière,les séquences assignées des manœuvres sontdéfinies comme suit.v Pour les appareils sans refermetureautomatique rapideO - 3 mn - FO - 3 mn - FOouFO - 15 s - FO,v Pour les appareils prévus pour la refermetureautomatique rapideO - 0,3 s - FO - 3 mn - FO.

Séquence % de I a % de I c

d’essai (composante (composantesymétrique) asymétrique)

1 10 < 20

2 30 < 20

3 60 < 20

4 100 < 20

5* 100 selon la courbede décroissancenormalisée

Fig. 18 : valeurs spécifiées de TTR pour les essaisde coupure en court-circuit des disjoncteurs.

* : pour des disjoncteurs ayant un temps τ < 80 ms.

Page 19: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.17

3 Les techniques de coupure

Pour couper les courants de charge ou de défaut,les constructeurs ont développé et perfectionné lesappareils de coupure, disjoncteurs et contacteursnotamment, utilisant divers milieux de coupure :

l’air, l’huile, le vide et le SF6. Si la coupure dansl’air ou l’huile a tendance à disparaître, il n’en vapas de même de la coupure dans le vide ou leSF6, « reine » de la moyenne tension.

3.1 Le milieu de coupure

Dans le chapitre précédent il a été expliqué quela coupure réussit lorsque :c la puissance dissipée dans l’arc par effet Joulereste inférieure à la puissance de refroidissementde l’appareil,c la vitesse de désionisation du milieu est grande,c et que l’espace intercontacts a une tenuediélectrique suffisante.Le choix du milieu de coupure est donc importantdans la conception d’un appareil. Ce milieu doiten effet :c avoir une conductivité thermique importante enparticulier dans la phase d’extinction pourévacuer l’énergie thermique de l’arc,c retrouver ses propriétés diélectriques le plusvite possible afin d’éviter un réamorçageintempestif (la figure 19 montre les propriétésexceptionnelles du SF6 à cet égard),c à température élevée, être un bon conducteurélectrique pour réduire la résistivité de l’arc doncde l’énergie à dissiper,c à température faible, être un bon isolant élec-trique pour faciliter le rétablissement de la tension.

Fig. 19 : constantes de temps de désionisation enfonction de la pression pour différents gaz.

ρ (bar)

θ (µs)

θ (µs)

ρ (bar)

ρ pressionθ constante de temps de désionisation

0

50

0,50

0,25

100

150

5 10 15

0 5 10 15

Air

HeAr

H2

CO2

SF6

106

Vs (V)

pds(bar.cm)

105

104

103

102

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

0 10 20 30Distance entre électrodes (mm)

0

50

100

150

200

250

300

Vide

SF6 à 5 bars

SF6 à 1 bar

Tension (kV)

Huile (hydrogène)

Air à 1 bar

Fig. 20 : évolution de la rigidité diélectrique de l’air enfonction de la pression, en champ faiblementhétérogène (courbes de Paschen).

Fig. 21 : influence de la distance entre les contacts surla rigidité diélectrique.

Cette qualité d’isolant se mesure par la tenuediélectrique entre les contacts qui dépend de lapression du gaz et de la distance entre lesélectrodes. La tension de claquage en fonctionde la distance inter-électrodes et de la pressionest donnée par la courbe de Paschen (cf. fig. 20et 21 ) qui permet de déterminer trois zonessuivant la pression du gaz.

Page 20: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.18

1- La zone à haute pression dite de « régimeatmosphérique » où la tenue diélectrique estproportionnelle à la pression de gaz et à ladistance intercontacts.2- La zone à faible pression où la tenue diélectri-que atteint un vrai minimum entre 200 et 600 Vsuivant le gaz utilisé (minimum de Paschen). Ilest atteint pour une valeur déterminée du produitde la pression avec la distance intercontacts auxalentours de 10 2 mbar.cm.3- La zone du vide où la tension de claquage nedépend plus que de la distance entre les contactset de leur état de la surface.L’état conducteur est assuré par les électrons etles atomes arrachés sur les contacts dans levide, et dans un gaz par l’ionisation rapide desmolécules de ce gaz.Ces courbes mettent en évidence les performan-ces possibles selon les milieux de coupure quiont été successivement utilisés : l’air à pressionatmosphérique ou à haute pression, l’hydrogèneproduit par décomposition de l’huile, le vide ou leSF6. La figure 22 indique les plages de tension oùchacune de ces techniques est aujourd’hui utilisée.

Fig. 22 : types d’appareils de coupure utilisés selon lestensions d’utilisation.

Tension (kV)

Air comprimé

Air Huile Vide SF6

800

220

36

24

12

3

3.2 La coupure dans l’air

Les appareils utilisant la coupure dans l’air à lapression atmosphérique ont été les premiersemployés (disjoncteur magnétique).L’air à pression atmosphérique, malgré sarigidité diélectrique relativement faible et saconstante de temps de désionisation élevée(10 µs), peut être utilisé pour la coupure jusqu’àdes tensions voisines de 20 kV. Pour cela il fautdisposer d’une puissance de refroidissementsuffisante et d’une tension d’arc élevée après lepassage à zéro du courant pour éviterl’emballement thermique.

Le mécanisme de coupure dans l’air

Le principe retenu consiste à maintenir l’arcsuffisamment court, tant que l’intensité estimportante, pour limiter l’énergie dissipée puis àl’allonger seulement à l’approche du zéro decourant.Ce principe a conduit à la création pour chaquepôle d’appareil, d’une chambre de coupure. Ils’agit d’un volume situé au voisinage de l’espaceintercontacts et divisé par des plaquesréfractaires (plaques à grande capacitéd’accumulation d’énergie thermique), (cf. fig. 23 )entre lesquelles l’arc s’étire.

En pratique, lorsque le courant décroît, l’arcsoumis aux efforts électromagnétiques pénètreentre ces plaques. Il s’allonge et se refroidit au

Fig. 23 : allongement d’un arc électrique entre lesplaques réfractaires en céramique d’une chambre decoupure d’un disjoncteur à coupure dans l’air(Disjoncteur de type Solénarc - Marque Merlin Gerin).

contact du matériau réfractaire jusqu’à ce que satension d’arc devienne supérieure à celle duréseau, ainsi, la résistance d’arc augmentefortement. La puissance que peut lui apporter leréseau demeure alors inférieure à la puissancede refroidissement et la coupure devient effective.

Page 21: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.19

Du fait de la longue constante de temps dedésionisation de cette technique, l’énergie d’arc àdissiper reste élevée. En contre partie, le risque desurtension à la coupure est quasi nul (cf. fig. 24 ).

mètres sous 24 kV) est obtenue dans un volumeraisonnable grâce au développement de l’arcsous la forme d’un solénoïde. Compte tenu desvitesses requises pour l’ouverture des contacts,de quelques m/s, les énergies de commandesont de quelques centaines de joules.

Les domaines d’application de la coupuredans l’airCe type d’appareil a été très utilisé dans denombreuses applications, mais son emploi restelimité à des tensions inférieures à 24 kV. Pourdes tensions supérieures, l’air comprimé estemployé de manière à améliorer la tenuediélectrique et la vitesse de refroidissement et dedésionisation. L’arc est alors refroidi par dessystèmes de soufflage à haute pression (entre20 et 40 bars). Cette technique a été utiliséepour des disjoncteurs à hautes performances oupour des tensions élevées (jusqu’à 800 kV).

En BT, la technique de coupure dans l’air àpression atmosphérique est utiliséeuniversellement pour sa simplicité, sonendurance, son absence de surtension et soneffet limiteur

En MT d’autres techniques ont été préférées carla coupure dans l’air présente plusieursinconvénients :c encombrement de l’appareillage (dimensionsplus grandes à cause de l’allongement de l’arc),c pouvoir de coupure influencé par la présencedes cloisons métalliques de la cellule contenantl’appareil et par l’humidité de l’air,c coût et bruit.

Les disjoncteurs MT à coupure dans l’air ne sontquasiment plus fabriqués aujourd’hui.

3.3 La coupure dans l’huile

L’huile qui servait déjà comme isolant a étéutilisée dès le début du siècle comme milieu decoupure car cette technique permet la conceptiond’appareils relativement simples et économiques.Les disjoncteurs à huile ont été utilisésprincipalement pour les tensions de 5 à 15 kV.

Le principeLes contacts sont immergés dans une huilediélectrique. Lors de la séparation, l’arc provoquela décomposition de l’huile qui libère de l’hydro-gène (70 %), de l’éthylène (20 %), du méthane(10 %) et du carbone libre. Une énergie d’arc de100 kJ produit environ 10 l de ces gaz. Ces gazforment une bulle qui, par inertie de la massed’huile, se trouve soumise pendant la coupure à

une pression dynamique qui peut atteindre 50 à100 bars. Quand le courant passe par zéro, legaz se détend et souffle l’arc qui s’éteint.

C’est l’hydrogène obtenu par décomposition del’huile qui sert de milieu d’extinction. C’est unbon agent extincteur grâce à ses propriétésthermiques et à sa constante de désionisationmeilleure que celle de l’air, en particulier àpression élevée.

Différentes technologies de coupure dansl’huile

c Disjoncteurs à grand volume d’huile

Dans les premiers appareils utilisant l’huile, l’arcse développait librement entre les contacts

Principales caractéristiques d’un dispositifde coupure dans l’airLa dimension de la chambre de coupure estprincipalement définie par la puissance de court-circuit du réseau (en MVA).Dans les appareils de type Solénarc, lalongueur très importante de l’arc (plusieurs

Fig. 24 : comportements comparés d’un appareil idéalet d’un appareil à coupure dans l’air.

i

0

0

0

0

i,u

R R

i,u

i

Idéal Coupure dans l'air

rr

t t

u

u

E E

Page 22: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.20

créant des bulles de gaz non confinées. Afind’éviter des amorçages entre phases ou entrebornes et masse, ces bulles ne doivent en aucuncas atteindre la cuve ou se rejoindre (cf. fig. 25 ).Les appareils dimensionnés en conséquence,atteignent des dimensions extrêmement grandes.

Outre l’encombrement, ces appareils ont denombreux inconvénients tel le manque desécurité à cause de l’hydrogène produit quis’accumule sous le couvercle, la maintenanceélevée nécessaire pour veiller à la pureté del’huile et au maintien de ses propriétésdiélectriques.

Pour parer ces inconvénients (manque desécurité, appareils encombrants), lesconstructeurs ont créé les disjoncteurs à faiblevolume d’huile.

c Disjoncteurs à faible volume d’huile

L’arc et la bulle sont confinés dans un pot decoupure isolant. La pression du gaz augmentelors du passage de l’arc dans une succession dechambres puis, quand le courant passe par zéro,se détend à travers une buse sur la zone d’arc.

Celui-ci est alors énergiquement balayé, ce quiassure la restauration des propriétésdiélectriques intercontacts.v Influence de la valeur du courant sur le PdCPour les grands courants, la quantité d’hydrogèneproduite et les montées de pression sontimportantes. Par conséquent les temps d’arcsont courts.A l’inverse, pour les petits courants, les montéesen pression sont faibles et les temps d’arc sontlongs. Ces temps d’arc augmentent jusqu’à unniveau critique où il devient difficile d’achever lacoupure. Des dispositifs de soufflagecomplémentaires en fin de course peuventaméliorer ce point.v Caractéristiques principales des disjoncteurs àfaible volume d’huileLa valeur du courant de court-circuit ou ducourant assigné impose un diamètre minimal ducontact mobile. La longueur du pot de coupure etla course de l’équipage mobile sont quasimentproportionnelles à la tension appliquée.Pour éviter les pressions excessives, le tempsd’arc minimal pour la coupure d’un grand courantdoit être inférieur à 10 ms et il doit rester inférieurà 40 ms pour les courants critiques.L’enveloppe isolante du pot de coupure doit, enoutre, être conçue pour supporter les pressionstrès élevées engendrées par des défautsconsécutifs, car la diminution de pressiondemande environ une seconde.

Cependant malgré la réduction du volumed’huile, cette technique présente encore certainsinconvénients :- La décomposition de l’huile n’est pas réversible.- La dégradation de l’huile et l’usure descontacts détériorent la tenue diélectriqueentraînant des coûts supplémentaires demaintenance.- En cas de refermeture rapide le pôle reste àpression élevée et son PdC diminue.- Le risque d’explosion et d’inflammation n’estpas complètement écarté.

Les domaines d’application de la coupuredans l’huileCette technique de coupure a été très employéedans tous les domaines, du transport et de ladistribution de l’énergie électrique.Progressivement elle est supplantée par lestechniques de coupure dans le vide et dans leSF6, techniques qui ne présentent pas lesinconvénients présentés dans les paragraphesprécédents.

Fig. 25 : bulles de gaz à l’origine d’un défaut phase-masse lors d’une coupure dans un disjoncteur à grandvolume d’huile.

Page 23: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.21

3.4 La coupure dans le vide

Les propriétés diélectriques du vide sont connuesdepuis longtemps et ont été utilisées, parexemple, pour les ampoules à vide des tubes àrayons X. L’utilisation du vide dans l’appareillagede coupure a été envisagée dès 1920, mais, àcause de contingences technologiques, n’a étéeffective au niveau industriel que depuis 1960.Depuis les années 70, la technique du vide serépand de plus en plus du fait des avantagesqu’elle apporte : encombrement réduit, meilleuresécurité et plus grande endurance.

Propriétés diélectriques du vide

En principe le vide est un milieu diélectriqueidéal : il n’y a pas de matière donc pas deconduction électrique. Cependant, le vide n’estjamais parfait et de toute façon a une limite detenue diélectrique. Malgré tout, le « vide » réel ades performances spectaculaires : à la pressionde 10-6 bar, la rigidité diélectrique en champhomogène peut atteindre une tension crête de200 kV pour une distance inter-électrodes de12 mm.Le mécanisme à l’origine de la rupture diélectriquedans le vide est lié aux phénomènes d’émissionélectronique froide, sans effet d’avalanche parionisation. C’est pourquoi sa tenue diélectriquene dépend pratiquement plus de la pression dèsque celle-ci est inférieure à 10-6 bar. Elle dépendalors de la nature des matériaux, de la forme desélectrodes (en particulier de la présenced’aspérités) et de la distance inter-électrodes.L’allure de la courbe donnant la tension declaquage en fonction de la distanceintercontacts (cf. fig. 21) montre pourquoi ledomaine d’application du vide reste limité entension. En effet, les distances nécessaires pourla tenue diélectrique augmentent très vite dèsque la tension dépasse 30 à 50 kV ce quientraîne des coûts prohibitifs par rapport auxautres technologies. De plus il y a émission derayons X quand la tension s’élève.

Le mécanisme de coupure dans le vide

La coupure dans le vide est assez particulière àcause des caractéristiques très spécifiques del’arc dans le vide.

c L’arc électrique dans le vide

La colonne d’arc est composée de vapeursmétalliques et d’électrons provenant des électro-des à la différence des autres techniques decoupure évoquée précédemment pour lesquelles

cette colonne est principalement composée dugaz intercontacts ionisé par collisions.L’arc peut avoir deux aspects, concentré oudiffus, selon l’intensité du courant qui le traverse.v Pour des valeurs élevées du courant(u 10 000 A) l’arc est unique et concentrécomme dans les fluides traditionnels (cf.fig. 26a ). Les taches cathodiques et anodiquesde plusieurs mm2 sont portées à destempératures très élevées. Une fine couche dumatériau de contact se vaporise et l’arc sedéveloppe dans une atmosphère de vapeursmétalliques qui occupe tout l’espace. Lorsque lecourant décroît, ces vapeurs se condensent surles électrodes elles-mêmes ou sur des écransmétalliques disposés à cet effet. Dans cerégime, la tension d’arc peut atteindre 200 V.v Pour des valeurs de courant inférieures àquelques milliers d’ampères, cet arc se trouvesous forme diffuse. Il est composé de plusieursarcs séparés les uns des autres, de formeconique dont le sommet est à la cathode (cf.fig. 26b ). Leurs racines cathodiques appeléesspots ont une surface très petite (10-5 cm2) et ladensité de courant y est très élevée (105 à107 A/cm2). La très haute température locale(3000 K) entraîne une émission combinéethermoélectronique/effet de champ très intensepour une évaporation de matériau de contactmodérée. Le courant est alors essentiellementdû au flux d’électrons.Les ions métalliques positifs produits à la cathodeont une énergie cinétique telle (entre 30 et 50 eV)qu’ils peuvent occuper tout l’espace jusqu’àl’anode. Ainsi ils neutralisent les charges d’espaceintercontacts, d’où un faible gradient de potentielet une faible tension d’arc (80 V au maximum).

Fig. 26 : arc concentré [a] et arc diffus [b].

Anode

a b

Cathode

Page 24: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.22

c Passage au zéro de courantEn régime d’arc diffus, soit immédiat, soit à lasuite d’un arc unique et concentré mais assezlongtemps après pour que les vapeursmétalliques aient eu le temps de condenser, lacoupure se fait aisément au zéro de courant.En effet à l’approche du zéro, le nombre de spotsdiminue jusqu’au dernier qui disparaît quandl’énergie apportée par l’arc n’est plus suffisantepour maintenir une température de pied d’arcassez élevée. L’extinction brutale du dernier spotest à l’origine des phénomènes d’arrachementfréquemment rencontrés avec cette technologie.Il faut noter qu’à l’inversion de la tension, l’anodedevient cathode mais froide, elle ne peut pasémettre d’électrons ce qui correspond à uneconstante de temps de désionisationexcessivement petite. Les appareils à videpeuvent par conséquent couper des courantsavec des croissances de TTR très rapides ainsique des courants à haute fréquence.Pour les courants élevés, il peut rester encore unplasma d’arc au zéro de courant et la coupuredevient incertaine. C’est donc essentiellement ladensité de vapeur métallique résiduelle quidétermine le PdC.

c Phénomènes de réallumages et de reclaquagesIls se produisent lorsque les contacts dégagenttrop de vapeurs métalliques. On considère que sila densité de vapeur après le zéro de courantdépasse 10 22 / m3, la probabilité de coupure estquasiment nulle.De manière générale, ces phénomènes sontpeu reproductibles et difficiles à modéliser.De nombreux essais sont nécessaires pour validerles conceptions. En particulier, on peut observerdes défaillances diélectriques tardives aprèscoupure, éventuellement fugitives, liées à la pré-sence de particules ou de condensats de métal.

Les différentes technologies de coupuredans le videTous les constructeurs ont été confrontés auxmêmes exigences :c réduire le phénomène d’arrachement decourant pour limiter les surtensions,c éviter l’érosion précoce des contacts pourobtenir une endurance élevée,c retarder l’apparition du régime d’arc concentrépour augmenter le PdC,c limiter la production de vapeurs métalliquespour éviter les reclaquages,c conserver le vide, indispensable pour garderles performances de coupure, pendant la duréede vie de l’appareil.Leurs développements ont porté principalementsur deux axes : la composition des matériaux decontact et le contrôle de l’arc par un champmagnétique.c Choix du champ magnétiqueDeux types de champs magnétiques sontutilisés : radial ou axial.

v La technologie du champ magnétique radial(cf. fig. 27 )

Le champ est créé par le courant qui circuledans les électrodes conçues à cet effet. En casd’arc concentré les racines d’arc se déplacent enun mouvement circulaire, la chaleur se répartituniformément ce qui limite l’érosion et la densitéde vapeurs métalliques. Lorsque l’arc est diffus,les spots se déplacent librement sur la surfacede la cathode comme si c’était un disque solide.Les formes d’électrodes assez complexesqu’entraîne cette technologie rendent la tenuediélectrique entre électrodes plus difficile.

I

I

B→

F→

Fig. 27 : contacts créant un champ magnétique radial.L’arc obéit aux lois de l’électromagnétisme, il sedéplace donc du centre vers l’extrémité des« pétales » puis tourne à la périphérie des électrodes.

v La technologie du champ magnétique axial (cf.fig. 28 ).L’application d’un champ magnétique axialimpose aux électrons et aux ions une trajectoirehélicoïdale le long des lignes de champmagnétique qui stabilise l’arc diffus et empêchel’apparition du régime concentré. L’apparition dela tâche anodique est ainsi évitée et l’érosionreste limitée, ce qui permet d’atteindre despouvoirs de coupure élevés.Ce champ magnétique peut être généré par desspires internes ou externes à l’ampoule,parcourues en permanence par le courant.Internes, les spires doivent être protégées de l’arc.Externes, ce risque est supprimé, mais dans cecas leurs dimensions plus importantesaugmentent les pertes thermiques et imposentdes limites dues au risque d’échauffement.Le tableau de la figure 29 établit unecomparaison entre ces deux technologies.

Page 25: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.23

Champ Champradial axial

Résistance de + –contact/échauffement

Tension d’arc – +

Erosion des contacts – +

PdC / diamètre des contacts = =

Fig. 29 : tableau comparatif des forces (+) etfaiblesses (-) de chaque technologie.

Fig. 28 : contacts créant un champ magnétique axial.

I

I

4 éléments de spire

4 éléments de spire

Arrivée du courant

I

I

Départ du courant

Pastilles de contact(les fentes empêchent la circulation

de courants induits qui s'opposent aux courants parcourant les spires)

B→

B→

c Choix des matériauxAfin de préserver la qualité du vide, il estindispensable que les matériaux utilisés pour lescontacts et les surfaces en contact avec le videsoient très purs et exempts de gaz.Le matériau des contacts est important car lapression de vapeur saturante dans l’ampoule nedoit être, ni trop élevée, ni trop faible :v Une pression de vapeurs métalliques élevéepermet de stabiliser l’arc et de limiter lephénomène d’arrachement de courant(surtensions).v A l’inverse, une pression faible de vapeursmétalliques est plus favorable à l’interruption descourants élevés.Il faut en outre que sa résistivité soit réduite, qu’ilait une faible propension à souder et une bonnetenue mécanique.Les contacts en alliage cuivre/chrome(50-80 % Cu, 50-20 % Cr) sont majoritairementemployés dans les disjoncteurs du fait de leurrésistance à l’érosion, de leur faible résistivité etde leur faible pression de vapeur.D’autres matériaux comme le cuivre/bismuth(98 % Cu, 2 % Bi) ou plus récemment Ag/W/Csont utilisés dans les appareils à grande

cadence de manœuvres (type contacteurs) carils ne provoquent pas d’arrachement et ont unefaible propension à souder.En ce qui concerne les autres éléments encontact avec le vide, les matériaux céramiquesassociés avec le processus de brasage à hautetempérature sont, pour le moment, les plusappropriés pour maintenir un niveau de videpoussé (pression usuelle inférieure à 10-6 mbar).

c Conception de l’enceinte et du dispositif decoupureLa contrainte essentielle est celle de l’étanchéitéde l’ampoule à vide : par exemple, les piècesmobiles traversantes doivent être évitées.La sensibilité aux particules et la possibilité desoudure à froid font que les contacts glissants nesont pas utilisés dans le vide. En conséquence,les contacts sont simplement bout à bout etl’énergie de manœuvre pour de tels appareils estdonc faible ( 30 à 50 J). En contrepartie, lespressions de contact doivent être élevées pourminimiser la résistance de contact et éviter laséparation des contacts lors du passage d’uncourant de court-circuit. Ces pressions decontact nécessaires imposent des contraintesmécaniques élevées.Compte tenu des distances d’isolement dans levide qui sont petites, et des mécanismes qui sontsimples, les ampoules peuvent être trèscompactes. Leur volume est alors fonction duPdC (diamètre de l’ampoule) mais c’est la tenuediélectrique externe à l’ampoule qui devientprépondérante pour définir l’encombrement del’appareil.Cette technologie est maintenant bien maîtriséepar les grands constructeurs dont les appareilsont une espérance de vie supérieure à 20 ans. Ilfaut cependant noter que le contrôle permanent

Page 26: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.24

en exploitation du vide n’est pas possible car ilnécessite la mise hors tension de l’équipementet un appareil de mesure adapté.La maintenance prédictive nécessaire, en cas defuite accidentelle, pour veiller à la fiabilité destableaux électriques MT n’est donc pasapplicable avec cette technologie.

Les domaines d’application de la coupuredans le videCette technique de coupure permet aujourd’huila réalisation d’appareils ayant une grandeendurance électrique avec des TTR à front demontée très raides.C’est en MT que cette technique est la plusemployée : des disjoncteurs d’usage généralsont maintenant disponibles pour les différentesapplications avec tous les pouvoirs de coupurehabituels (jusqu’à 63 kA). Ils sont utilisés pour laprotection et la commande :c des câbles et des lignes aériennes,c des transformateurs,c des condensateurs en batterie unique,c des moteurs et inductances shunt.Ils sont particulièrement adaptés à la commandedes fours à arc (haute endurance électrique)mais doivent être utilisés avec précaution pour lacommande de gradins de condensateurs enparallèle.Cette technique est aussi utilisée pour lescontacteurs qui requièrent une grande endurance,rarement pour les interrupteurs pour des raisonséconomiques.En basse tension : l’usage de cette techniquereste marginal pour des raisons de coût etd’absence de pouvoir limiteur. D’une manièregénérale, en BT son emploi est limité aux

courants assignés compris entre 800 et 2500 A etpour des pouvoirs de coupure inférieurs à 75 kA.En HT (U u 52 kV) l’usage de cette techniquereste du domaine prospectif.

Remarques :

c Pour la coupure des courants capacitifs, dansle vide la tenue diélectrique post-coupure estaléatoire, et se traduit par un risque deréamorçage important. De fait les disjoncteurs àvide sont mal adaptés à la protection de réseauxcapacitifs de tensions supérieures à 12 kV oucomportant des batteries de condensateurs.

c Avec des interrupteurs à contacts dans le videil y a un risque de soudure des contacts, enparticulier après une fermeture sur court-circuit.C’est le cas dans certaines opérationsd’exploitation, par exemple pour repérer undéfaut, ou en cycle d’essais normatif. En effet,lors d’une ouverture hors charge, l’absence d’arcne permet pas d’éliminer les aspérités laisséespar la rupture de la soudure, soudure réaliséelors de la fermeture en charge. Cettedétérioration de l’état de surface facilite encorele préamorçage lors de fermetures successiveset amplifie l’importance des soudures, avec lerisque d’une soudure définitive.L’emploi de ces interrupteurs exige doncquelques précautions.

c Pour la commande des moteurs, il faut prendredes précautions particulières du fait que lesdisjoncteurs ou contacteurs à vide coupent lescourants de haute fréquence (phénomènes deréallumage) et ainsi sont à l’origine desurtensions. Bien qu’il existe des appareilsspécifiques, il est préférable de prévoir desparasurtenseurs de type ZnO.

3.5 La coupure dans le SF 6

L’hexafluorure de souffre -SF6-, est un gazapprécié pour ses nombreuses qualités chimiqueset diélectriques. La technique de coupure dansce gaz a été développée, dans les années 70,comme celle du vide.

Propriétés du SF 6

c Propriétés chimiques

C’est un gaz non polluant, incolore, inodore, noninflammable et non toxique à l’état pur. Il estinsoluble dans l’eau.

Il est chimiquement inerte : sa molécule a toutesses liaisons chimiques saturées et une énergiede dissociation élevée (+1096 kJ/mol) ainsi

qu’une grande capacité d’évacuation de lachaleur produite par l’arc (enthalpie élevée).Pendant la période d’arc, sous l’effet de latempérature qui peut atteindre 15 000 à20 000 K, le SF6 se décompose. Cettedécomposition est quasi réversible : quand lecourant diminue la température diminue, les ionset les électrons se recombinent alors pourreconstituer la molécule de SF6.Une faible quantité de sous-produits résulte de ladégradation du SF6 en présence d’impuretéstelles que le dioxyde de soufre ou le tétrafluorurede carbone. Ces sous-produits restent confinésdans les ampoules et sont très facilementabsorbés par des éléments actifs comme le

Page 27: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.25

silicate d’aluminium souvent placés dansl’enceinte de coupure.Le rapport 61634 de la CEI sur l’utilisation duSF6 dans l’appareillage de coupure donne desvaleurs typiques de sous-produits trouvés aprèsplusieurs années de service. Les quantitésproduites restent faibles et sans risque pour lespersonnes et l’environnement : air (qqs ppmv),CF4 (40 ppmv à 600 ppmv), SOF2 et SO2F2 (enquantité négligeable).

c Propriétés physiques

v Propriétés thermiquesLa conductivité thermique du SF6 est équivalenteà celle de l’air, mais l’étude de la courbe deconductivité thermique du SF6 à des hautestempératures révèle un pic à la température dedissociation du SF6 (cf. fig. 30 ).

Le mécanisme de coupure dans le SF 6

c L’arc électrique dans le SF6

Son étude thermique permet de le décrire commeétant formé d’un plasma de SF6 dissocié, deforme cylindrique, constitué d’un noyau à unetempérature très élevée fonction du courantcoupé, entouré d’une gaine de gaz plus froid.Le noyau et la gaine sont séparés par un palier detempérature lié à la température de dissociationde la molécule. Proche de 2000 °C, ce palierreste inchangé lorsque l’intensité du courantvarie. (cf. fig. 31 )Pendant cette période d’arc la totalité du courantest transportée par le noyau car la températuredu palier est inférieure à la température minimaled’ionisation et la gaine extérieure reste isolante.Les grandeurs caractéristiques de l’arc dépendentdu type de coupure utilisé (autocompression, arctournant, auto-expansion) et sont données dansles paragraphes traitant de chacun de ces typesde coupure.

v Propriétés diélectriquesLe SF6 a une rigidité diélectrique très élevéegrâce aux propriétés très électronégatives dufluor (cf. fig. 21) :- La durée de vie de ses électrons libres restetrès faible et ils forment avec les molécules deSF6 des ions lourds à faible mobilité. Laprobabilité de rupture diélectrique par avalancheest ainsi retardée.- Il confère à son milieu une constante de tempsde désionisation extrêmement faible, de l’ordrede 0,25 µs (cf. fig. 19).

Fig. 30 : courbe de conductivité thermique du SF6 enfonction de la température.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0

Température (K x 103)

Conductivité thermique (W/cm K x 102)

2 4 6 8 10 12 14

Fig. 31 : courbe de répartition de la température d’unarc contenu dans un tube cylindrique rempli de SF6.

Noyau de l'arc

Température(x 103K)

Forte conductivitéélectrique

15

5

2id'arc < id'arc < id'arc

Bonne isolationélectrique

Très bonisolant électrique

Niveau d'ionisation

Palierthermique

Page 28: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.26

c Passage au zéro de courantAvec la décroissance du courant, la températuredu noyau diminue, de ce fait la conductivitéélectrique commence aussi à diminuer.A l’approche du zéro de courant, les échangesthermiques entre la gaine et le noyau deviennenttrès importants. Celui-ci disparaît entraînant ladisparition de la conductivité avec une constantede temps très faible (0,25 µs) mais passuffisante pour couper les courants de hautefréquence (pas de réallumage).

Les différentes technologies de coupuredans le SF 6 et leur domaines d’applicationDans les appareils au SF6, les contacts sontsitués à l’intérieur d’une enceinte fermée rempliede gaz dont la pression varie selon la tension etles paramètres de conception. Ces enveloppessont généralement scellées à vie car le taux defuite est maîtrisé à un niveau très bas. Dessystèmes de pressostats ou densistats peuventêtre installés, ils permettent un contrôlepermanent de la pression du gaz dansl’enveloppe.Il existe plusieurs technologies d’appareils auSF6 qui diffèrent par le mode de refroidissementde l’arc et dont les caractéristiques et les champsd’application varient.

c La coupure par autocompressionDans ce type de disjoncteur, l’arc est soufflé parla détente d’un volume de SF6 comprimé par

pistonnage. A l’ouverture de l’appareil, uncylindre solidaire du contact mobile se déplace etcomprime un volume de SF6 (cf. fig. 32a ). Unebuse de soufflage canalise le gaz dans l’axe del’arc qui est ensuite expulsé dans des contactscreux.Aux forts courants, l’arc provoque un effetbouchon qui contribue à l’accumulation de gazcomprimé. Quand le courant approche de zéro,l’arc est d’abord refroidi puis éteint grâce àl’injection de nouvelles molécules de SF6.La valeur moyenne de la tension d’arc estcomprise entre 300 et 500 V.Cette technologie permet de couper sans difficultétout courant jusqu’au PdC, sans courant critiquecar l’énergie nécessaire pour souffler l’arc estproduite par la commande mécanique doncindépendante du courant à couper.v Grandeurs caractéristiquesLes pressions relatives de SF6 généralementutilisées varient de 0,5 bar (16 kA, 24 kV) à5 bars ( 52 kV), ce qui autorise la réalisationd’enveloppes scellées sans fuites avec toutesles garanties de sécurité.Les facteurs influençant les dimensions de lachambre de coupure sont les suivants :- La tenue à la tension d’essais entrée/sortie quiconditionne la distance d’isolement entrecontacts ouverts. Elle peut être constante et del’ordre de 45 mm compte tenu des pressions deSF6 utilisées.

Fig. 32 : principes de la coupure par autocompression [a], et par arc tournant [b].

a

b

Contact mobile

Contact fixe

Zones haute pressionCompression mécanique et thermique

Zone basse pression

Mouvement des contacts mobiles

Mouvement des gaz

Mouvement de l'arc

Page 29: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.27

- Le courant de court-circuit à couperdimensionne le diamètre de la buse et descontacts.- La puissance de court circuit à couper imposeles dimensions du piston de soufflage (en 24 kVle volume de gaz soufflé est de l’ordre d’un litrepour un PdC de 40 kA).L’énergie d’ouverture de 200 J (16 kA) à 500 J(50 kA), reste relativement élevée malgré lacompacité des appareils à cause de l’énergienécessaire à la compression du gaz.v Domaines d’application de la coupure parautocompressionLe principe d’autocompression est le plusancien. Il a été utilisé pour tous les types dedisjoncteurs à usage général. Il ne présente pasde surtensions trop élevées car le phénomèned’arrachement est faible et il n’y a pas de risquede réallumages successifs.Les disjoncteurs à autocompression sont bienadaptés à la manœuvre des batteries decondensateurs car ils ont une très faibleprobabilité de réamorçage d’une part, et unegrande endurance aux courants de fermetured’autre part.Cependant, l’énergie de manœuvre nécessairerelativement importante engendre descontraintes assez élevées sur les commandes etéventuellement une limitation du nombre demanœuvres.Cette technologie est encore largement utiliséeaujourd’hui, surtout pour les appareils à forteintensité et les tensions supérieures à 24 kV.

c La coupure par arc tournant

Avec cette technologie l’arc se refroidit par sonpropre déplacement relatif dans le SF6. Unmouvement de rotation de l’arc à très grandevitesse (qui peut dépasser celle du son à lapression atmosphérique -Pat- ) est engendré parle champ magnétique créé par une bobineparcourue par le courant de défaut.A l’ouverture des contacts principaux, le courantest commuté sur la bobine et le champmagnétique axial apparaît. La force de Laplacerésultante accélère l’arc dans un mouvementcirculaire. Les contacts d’arc ont une forme depistes circulaires qui peuvent être soitconcentriques (arc radial et champ axial) soitface à face comme représentés sur la figure 32b

(arc axial et champ radial). L’arc est ainsi refroidid’une manière homogène dans le SF6.La puissance de refroidissement de l’appareildépend donc directement de la valeur du courantde court-circuit ce qui confère à ces appareilsune coupure en douceur ne nécessitant qu’unefaible énergie de manœuvre : l’énergienécessaire à la coupure est entièrement fourniepar l’arc et les faibles courants sont coupés sansarrachement ni surtensions.Grâce au mouvement rapide des racines d’arc,les points chauds dégageant des vapeursmétalliques sont évités et l’érosion des contactsest minime en particulier dans le cas de lagéométrie axiale.Il faut noter qu’à l’approche du zéro de courant,le champ magnétique diminue. Il est importantqu’il garde une valeur non nulle de manière à ceque l’arc soit maintenu en mouvement dans duSF6 froid au moment de l’apparition de la TTR, etqu’ainsi soit évitée l’existence de courantscritiques. Ceci est obtenu en insérant desanneaux de court-circuit qui forcent le champmagnétique à être en léger déphasage avec lecourant.v Grandeurs caractéristiquesEn MT, l’arc tournant dans le SF6 a une tensionde 50 à 100 V pour une longueur de 15 à 25 mm.Du fait de la faible énergie de coupure, lesappareils sont très compacts, même avec unepression de remplissage relativement faible (del’ordre de 2,5 bars) et l’énergie de commandepour l’ouverture est inférieure à 100 J.v Domaines d’applicationLa technologie de coupure par arc tournant estbien adaptée à la commande de machinessensibles aux surtensions telles que moteurs MTet alternateurs. Son excellente endurance due àla faible usure des contacts et aux énergies decommande faibles la rend très intéressante pourles applications à grand nombre de manœuvres,(fonction contacteur).La technique de l’arc tournant utilisée seule nepermet d’obtenir qu’un pouvoir de coupure limité(25/30 kA en 17,5 kV) et ne s’applique qu’à destensions inférieures à 17,5 kV.

c La coupure par auto-expansionElle utilise l’énergie thermique dissipée par l’arcpour augmenter la pression d’un petit volume de

Page 30: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.28

SF6, lequel s’échappe par un orifice traversé parl’arc (cf. fig. 33a ). Tant que le courant dans l’arcest important, il a un effet bouchon qui empêchel’écoulement du gaz à travers l’orifice. Le gazfroid bloqué dans le volume a sa température quicroit, à cause de la dissipation thermique de l’arc(principalement par rayonnement), donc sapression augmente également. Au zéro decourant, le bouchon disparaît, le SF6 se détendet souffle l’arc. L’effet du soufflage dépend de lavaleur du courant, d’où des énergies decommande faibles et des coupures en douceur,mais avec un risque d’existence de courantscritiques. Ceux-ci se trouvent généralement auxenvirons de 10 % du PdC.v Deux méthodes de guidage de l’arc, le guidagemécanique et le guidage magnétique, ont étédéveloppées qui permettent de stabiliser l’arcdans la zone de soufflage et en plus desupprimer les courants critiques.- Le guidage mécanique (type autocompression)(cf. fig. 33b )L’arc est maintenu centré entre les deuxcontacts par des parois isolantes qui confinentles flux gazeux de manière similaire aux busesutilisées en autocompression.Cette technique, développée par tous les grandsconstructeurs, est sûre et simple mais elleaugmente l’énergie nécessaire à la commande.En effet, la présence de ces dispositifs dans lazone d’arc diminuent les performancesdiélectriques du SF6 pendant la période derétablissement, ce qui conduit à augmenter les

distances inter-électrodes et les vitesses dedéplacement des contacts, voire la pression duSF6.- Le guidage magnétique (type arc tournant)(cf. fig. 33c )Un champ magnétique judicieusementdimensionné permet de centrer l’arc dans lazone d’expansion du SF6 tout en lui imprimantun mouvement de rotation rapide à l’instar de latechnologie à arc tournant. Cette autretechnologie qui nécessite une grande maîtrisede conception a pour avantage d’éviter laprésence d’autres matériaux que celle du SF6dans la zone d’arc. Le rendementthermodynamique est optimal et le SF6 gardetoutes ses qualités diélectriques. Ainsi lesdistances d’isolement pouvant être réduites aumaximum, l’énergie de commande requise estfaible.v Grandeurs caractéristiquesPour les petits courants, le soufflage est alorsquasi inexistant et la tension d’arc ne dépassegénéralement pas 200 V.La pression de remplissage de l’ampoule estvoisine de la pression atmosphérique.Le volume de soufflage thermique est comprisentre 0,5 et 2 litres.L’énergie de commande sous 24 kV estinférieure à 100 J.Toutes ces caractéristiques font que la coupurepar auto-expansion est la technologie la plusperformante à ce jour. Ses capacités de coupurepeuvent être très élevées avec des pressions et

Bobine

Contact fixe

Contact mobile

Mouvements du contact mobile

Mouvements du gaz en expansion

∆P

Zone de guidage

Paroisisolantes������

a b c

Fig. 33 : l’auto-expansion, son principe [a] et les deux méthodes de guidage de l’arc, mécanique [b] etmagnétique [c].

Page 31: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.29

des énergies de commande faibles, donc avecune très grande fiabilité.v Domaines d’applicationCette technologie, développée pour la coupuredes courants de défaut, est bien adaptée à lacoupure des courants capacitifs car elle accepteles surintensités et les surtensions. Elle convientaussi à la coupure des courants faiblementinductifs.Sans moyen auxiliaire, les appareils à expansionthermique ont un PdC et une tension d’emploilimités. L’auto-expansion est donc souvent

associée à l’autocompression à arc tournant ouau pistonnage. Elle est alors utilisée dans lesappareils destinés à la MT et même à la HT etce pour toutes les applications.

Les performances atteintes grâce à l’associationde l’expansion thermique et de l’arc tournantsont telles qu’il est envisagé d’utiliser cestechniques pour des disjoncteurs destinés à desapplications très contraignantes, par exemple laprotection des alternateurs des centrales (forteasymétrie et TTR élevée), ou qui requièrent unegrande endurance.

3.6 Comparaison des différentes techniques

Aujourd’hui, dans le domaine de la BT, lacoupure magnétique dans l’air est, sauf quelquesrares cas particuliers, la seule employée.En THT, la technique de coupure dans le SF6 estpratiquement la seule mise en œuvre.Pour la MT, où toutes les techniques peuvent êtreutilisées, celles de la coupure dans le SF6 et dansle vide ont remplacé celles dans l’air pour desraisons de coût et d’encombrement (cf. fig. 34 ),et celles dans l’huile pour des raisons de fiabilité,de sécurité et de réduction de maintenance (cf.fig. 35 ).Les techniques de coupure dans le vide ou dansle SF6 ont des performances comparables et leursqualités respectives font que l’une ou l’autre estplus adaptée à certaines applications.Selon les pays, l’une ou l’autre de ces techniquesest majoritairement employée essentiellementpour des raisons historiques ou de choix deconstructeurs.

100

%

80

60

40

20

0

1980

Air Huile Vide SF6

82 84 86 88 90 92 94 96

Fig. 34 : évolution du marché des disjoncteurs MT, enEurope.

Fig. 35 : performances comparées des différentes techniques de coupure.

Huile Air SF 6 / Vide

Sécurité Risque d’explosion et d’incendie Manifestations extérieures Pas de risque d’explosion, nisi l’augmentation de pression importantes (émissions de de manifestations extérieures.(manœuvres multiples) produit gaz chauds et ionisés lorsune défaillance. des coupures).

Encombrement Volume de l’appareil Installation nécessitant de Faible.relativement important. grandes distances.

(coupure non confinée).

Entretien Remplacement périodique Remplacement des contacts Nul sur les éléments dede l’huile (décomposition d’arc si possible. coupure.irréversible de l’huile à Entretien périodique de la Lubrification minimale deschaque coupure). commande. mécanismes de commande.

Sensibilité à Le milieu de coupure peut être altéré par l’environnement Non sensibles : ampoule del’environnement (humidité, poussières…). type scellée à vie.

Coupure en Le temps de diminution de L’évacuation de l’air chaud Le SF6 et le vide recouvrentcycle rapide pression, long, nécessite de très lente nécessite un très rapidement leurs propriétés

déclasser le PdC s’il y a déclassement du PdC. diélectriques : pas derisque de coupures déclassement.successives.

Endurance Médiocre. Moyenne. Excellente.

Page 32: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.30

Le tableau suivant de la figure 36 résume lesqualités respectives de chacune de ces deuxtechniques.

v Les disjoncteurs au SF6 et au vide sont desdisjoncteurs à usage général et peuvent êtreadaptés à toutes les applications.

Les progrès technologiques dans les moyensde production des ampoules à vide ont permisd’obtenir des appareils très fiables etcompétitifs au même titre que les appareils auSF6.

La techniques du vide est plus facile à mettre enœuvre aux tensions basses (tension inférieure à7,2-12 kV). En revanche, celle au SF6 permetd’atteindre plus facilement des performances de

coupure élevées (tension ou courant de court-circuit).v Dans les fonctions de commande (contacteur)(tension et courant modérés, grande endurancerequise), la technique du vide est très répanduemalgré les précautions à prendre concernant lessurtensions. Par contre, elle est quasi inexistantedans les fonctions d’ouverture (interrupteur) pourdes raisons économiques ; en particulier,l’excellente tenue diélectrique du SF6 aprèscoupure permet d’intégrer dans un seul appareilles fonctions d’ouverture et de sectionnement, cequi est proscrit avec le vide.La plupart des grands constructeurs utilisentaujourd’hui, dans leurs appareillages, les deuxtechniques de coupure selon leurs spécificités.

SF6 Vide

Applications Moteurs, fours, Toutes. Plutôt adapté aux performances Toutes. Plutôt adapté aux tensionslignes… de coupure élevées (I et U). faibles et aux TTR très rapides.

Disjoncteurs, Toutes. Les fonctions sectionnementcontacteurs… sont proscrites.

Caractéristiques Endurance Satisfaisantes pour toutes les Peuvent être très élevées pourapplications courantes. certaines applications courantes.

Surtension Pas de risque sur les faibles Parasurtenseur recommandécourants capacitifs. pour la manœuvre des moteursTrès faible probabilité de réamorçage et des gradins de condensateurs.sur les courants capacitifs.

Isolation Très reproductibles permettant desentrée-sortie fonctions de sectionnement.

Dimension Très compact dans les tensionsbasses.

Sûreté de Pertes Jusqu’à 80% des performancesfonctionnement d’étanchéité maintenues à Patm.

Surveillance possible en continu.

Maintenance Réduite sur le dispositif de commande. Réduite sur le dispositif de commande.Contrôle permanent possible de la Contrôle occasionnel possiblepression du gaz. du vide.

Nombre de Très bas (< 4/10 000), principalement Très bas si le procédé de fabricationdéfaillances dues aux auxiliaires. des ampoules est bien maîtrisé.

Fig. 36 : qualités comparées des techniques de coupure dans le SF6 et dans le vide.

3.7 Quelles possibilités pour d’autres techniques ?

Depuis plusieurs dizaines d’années, lesingénieurs cherchent à développer desdisjoncteurs sans arc ni pièce en mouvement,en utilisant notamment des composantsélectroniques.Les thyristors permettent de réaliser desappareils de coupure dont le comportement peutêtre proche de l’interrupteur idéal puisqu’ilscoupent le courant à son passage à zéro, deplus, leur endurance est exceptionnelle auxconditions normales d’emploi. Malheureusement,outre leur coût, les composants statiques ontquelques inconvénients :

c dissipation thermique importante,c grande sensibilité aux surtensions etsurintensités,c courant de fuite à l’état bloqué,c limitation en tension inverse.Ces particularités font qu’il est nécessaire deleur associer :c des radiateurs,c des parasurtenseurs,c des fusibles ultra-rapides,c des interrupteurs ou sectionneurs,c et bien sûr une électronique de commande.

Page 33: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.31

Les semi-conducteurs (thyristors, GTO, IGBT)ont fait d’énormes progrès et sont largementutilisés en BT dans des applications diverses,par exemple pour réaliser des contacteurschaque fois que la cadence de manœuvres esttrès importante.

En HT, les thyristors sont placés dans desautomatismes de régulation d’impédancescomposés de selfs et de condensateurs, dansles FACTS -Flexible Alternative CourantTransmission System-, dont le rôle estd’optimiser et de stabiliser les réseaux de

4 Conclusion

De toutes les techniques de coupure en MT lacoupure dans le SF6 et la coupure dans le vides’imposent par leurs performances.

Le choix entre le vide et le SF6 dépend surtout dudomaine d’application et des choix technologiquesdes constructeurs, mais aussi des pays : d’oùdes disparités dans la répartition géographiquedes appareils utilisant le SF6 ou le vide.

Actuellement aucune autre technique capable desupplanter la coupure dans le vide ou le SF6 n’estenvisageable. Car ces deux techniques par rapportaux anciennes ont de nombreux avantages :

c La sécurité : pas de risque d’explosion,d’incendie et de manifestations extérieures lorsde la coupure.

c La compacité : le vide et le SF6 sont de trèsbons isolants, les appareils sont donc moinsvolumineux.

c La fiabilité : peu de pièces en mouvement avecune énergie de commande faible, d’où une

maintenance réduite, une disponibilitéimportante, et une durée de vie très longue.

c La mise sous enveloppe plus facile de cesappareils et la réalisation de tableaux MTpréfabriqués très compacts est un autre avantageimportant puisque le PdC n’est pas influencé parla présence de cloisons métalliques.

Grâce aux moyens de calcul actuels quipermettent la modélisation et la simulation,l’appareillage s’améliore sans cesse.

Cependant, les gains les plus importants en termede sûreté de fonctionnement des installations(fiabilité, sécurité, maintenabilité) sont liés àl’emploi, qui se généralise, d’équipements sousenveloppe préfabriquée, testés en usine. De telséquipements rassemblent les appareils decoupure associés aux systèmes intégrés deprotection et de commande.

transport, et dans les Custom Power pour lesréseaux de distribution.

En MT, les applications sont très rares et lesdisjoncteurs statiques restent à l’état deprototypes, car, outre leurs points faibles cités ci-dessus, pour tenir la tension assignée, ilsnécessitent plusieurs composants en série.En conclusion, sauf pour des applications trèsparticulières, la coupure statique n’a pasaujourd’hui un grand développement.Couper grâce à l’arc électrique resteactuellement la solution incontournable.

Page 34: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Cahier Technique Schneider n° 193 / p.32

Bibliographie

Normesc CEI 60034 : Machines électriques tournantes.

c CEI 60056 : Disjoncteurs à courant alternatifhaute tension.

c CEI 60909 : Calcul des courants de court-circuit dans les réseaux triphasés à courantalternatif.

c Rapport CEI 61233 : Disjoncteurs hautetension à courant alternatif - Etablissement etcoupure de charge inductive.

c Rapport CEI 61634 : Appareillage à hautetension - Utilisation et manipulation de gazhexafluorure de soufre (SF6) dans l’appareillageà haute tension.

Cahiers Techniques Schneiderc Analyse des réseaux triphasés en régimeperturbé à l’aide des composantes symétriques.B. DE METZ-NOBLAT, Cahier Technique n°18.

c Le processus de coupure avec un disjoncteurSF6 à autocompression, type Fluarc.J. HENNEBERT, Cahier Technique n°112.

c Le processus de coupure avec un disjoncteurFluarc ou un contacteur Rollarc par arc tournantdans le SF6.C. DUPLAY, Cahier Technique n°123.

c La maîtrise des surtensions de manœuvreavec les appareils SF6.O. BOUILLIEZ, Cahier Technique n°125.

c Calcul des courants de court-circuit.B. DE METZ-NOBLAT & G. THOMASSET,Cahier Technique n°158.

c Contrôle-commande et protection desmoteurs HT.J.-Y. BLANC, Cahier Technique n°165.

c La coupure par auto-expansion.G. BERNARD, Cahier Technique n°171.

c SF6 properties, and use in MV and HVswitchgear.D. KOCH, Cahier Technique n°188.

c Manœuvre et protection des batteries decondensateurs.D. KOCH, Cahier Technique n°189.

Ouvrages diversc High Voltage Circuit Breakers-Design andApplications-. RUBEN, D. GARZON.

c Disjoncteurs HAUTE TENSION : Comparaisondes différents mode de coupure.B. JOYEUX-BOUILLON (GEC ALSTHOM) &J.-P. ROBERT (Merlin-Gerin)

c Disjoncteurs SF6 : Evolution de 1959 à 1994.D. DUFOURNET, (GEC ALSTHOM- T&D).

c Manœuvre des courants capacitifs - Etat del’art -. ELECTR n°155, Août 1994.

c Etude des technologies existantes desdisjoncteurs de distribution. IREQ, Avril 1991.

c Guide technique du disjoncteur.P. POLO & P. ATTIER, 1993.

Page 35: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui
Page 36: Cahier technique n 193 - Surprises · Cahier Technique Schneider n° 193 / p.5 c Définition CEI Fermer Ouvrir Isoler c Fonction Sectionneur c Appareil mécanique de connexion qui

Schneider Direction Scientifique et Technique,Service Communication TechniqueF-38050 Grenoble cedex 9Télécopie : (33) 04 76 57 98 60

Réalisation : AXESS - Saint-Péray (07).Photographies : Merlin Gerin et Telemecanique.Impression : Clerc-Fontaine - 1500.- 100 FF- ©

199

8 S

chne

ider

09-9807325