Commutation de résistance dans un disjoncteur
Commutation par résistance
La commutation par résistance fait référence à la pratique de connecter une résistance fixe en parallèle avec l'arc ou l'espace de contact d'un disjoncteur. Cette technique est appliquée dans les disjoncteurs présentant une forte résistance post-arc dans l'espace de contact, principalement pour atténuer les tensions de rétablissement et les surtensions transitoires.
Les fluctuations de tension graves dans les systèmes électriques proviennent de deux scénarios principaux : l'interruption de courants inductifs de faible intensité et la coupure de courants capacitifs. Ces surtensions posent des risques pour le fonctionnement du système mais peuvent être efficacement gérées par la commutation par résistance, réalisée en connectant une résistance entre les contacts du disjoncteur.
Le principe sous-jacent implique que la résistance en parallèle dévie une partie du courant pendant l'interruption, limitant ainsi le taux de variation du courant (di/dt) et atténuant la montée de la tension de rétablissement transitoire. Cela réduit non seulement la probabilité de réamorçage de l'arc, mais dissipe également l'énergie de l'arc de manière plus efficace. La commutation par résistance est particulièrement cruciale dans les systèmes extra-haute-tension (EHT) pour les applications sensibles aux surtensions de commutation, telles que la mise hors tension de lignes de transport sans charge ou la commutation de banques de condensateurs.
Lorsqu'une panne se produit, les contacts du disjoncteur s'ouvrent, initiant un arc entre eux. Comme l'arc est court-circuité par la résistance R, une fraction du courant de l'arc est détournée par la résistance, réduisant le courant de l'arc et accélérant le taux de déionisation du canal de l'arc.
Cela déclenche un cycle d'autorenforcement : à mesure que la résistance de l'arc augmente, un courant plus important circule à travers la résistance de déviation R, privant davantage l'arc d'énergie. Ce processus continue jusqu'à ce que le courant descende en dessous du seuil critique pour le maintien de l'arc (comme illustré dans la figure ci-dessous), auquel point l'arc s'éteint et le disjoncteur interrompt avec succès le circuit.
Le mécanisme repose sur la régulation dynamique de la distribution du courant par la résistance de déviation, forçant l'arc dans un cycle vicieux de "décroissance du courant → déionisation accélérée → augmentation de la résistance de l'arc". Cela permet une récupération rapide de la résistance diélectrique dans le canal de l'arc, souvent avant le passage par zéro du courant, ce qui est particulièrement efficace pour supprimer les surtensions de réamorçage à haute fréquence. Une telle fonctionnalité est cruciale dans les disjoncteurs EHT lors de l'interruption de courants capacitifs ou de petits courants inductifs.
Alternativement, la résistance peut être engagée automatiquement en transférant l'arc des contacts principaux aux contacts de sonde, comme on le voit dans les disjoncteurs à souffle axial, cette action se produisant en un temps extrêmement court. En substituant le chemin de l'arc par un trajet métallique, le courant circulant à travers la résistance est limité, facilitant l'interruption.
La résistance de déviation joue également un rôle crucial dans l'amortissement de la croissance oscillatoire des transitoires de tension de réamorçage. Mathématiquement, il peut être prouvé que la fréquence naturelle (fn) des oscillations dans le circuit montré est gouvernée par : l'introduction d'un élément résistif améliore les caractéristiques d'amortissement du circuit, réduisant l'amplitude des oscillations et ralentissant les taux de montée de tension. Cela est analogue à l'incorporation d'une branche dissipative dans une boucle oscillatoire LC, transformant les oscillations non amorties en oscillations décroissantes et améliorant considérablement la stabilité de l'interruption du disjoncteur.
Dans les configurations à souffle axial, le transfert rapide de l'arc assure que la résistance s'engage avant le passage par zéro du courant, fournissant un contrôle d'amortissement dès le début du processus transitoire. Cette conception est particulièrement adaptée aux applications EHT nécessitant une limitation des surtensions de commutation, car l'effet synergique de la résistance et de l'arc permet une dissipation ordonnée de l'énergie électromagnétique pendant l'interruption.
Résumé des fonctions de la commutation par résistance
En résumé, une résistance placée en parallèle avec les contacts du disjoncteur peut remplir une ou plusieurs des fonctions suivantes :
Réduit le TMSR (Taux de Montée de la Tension de Rétablissement) sur le disjoncteur
En détournant le courant de l'arc et en accélérant la déionisation du canal de l'arc, la résistance atténue le taux de montée de la tension de rétablissement transitoire (TRV), allégeant le fardeau de récupération de la résistance diélectrique sur l'interrupteur du disjoncteur.
Atténue les transitoires de tension de réamorçage à haute fréquence lors de la commutation de charges inductives/capacitives
Lors de l'interruption de courants inductifs (par exemple, transformateurs sans charge) ou de courants capacitifs (par exemple, câbles de charge), la résistance de déviation limite les amplitudes de surtension oscillatoire par dissipation d'énergie, prévenant les risques de rupture d'isolation.
Égalise la distribution de la TRV dans les disjoncteurs multi-interrupteurs
Dans les disjoncteurs avec plusieurs espaces d'interruption, la résistance assure une distribution uniforme de la TRV entre les espaces de contact via la division de tension, évitant le réamorçage dû à la concentration de tension dans un seul espace.
Scénarios où la commutation par résistance n'est pas nécessaire
Les disjoncteurs conventionnels avec une faible résistance post-arc dans l'espace de contact (par exemple, disjoncteurs d'air à moyenne/basse tension) n'ont pas besoin de résistances de déviation supplémentaires. Leurs canaux d'arc se déionisent naturellement assez rapidement pour répondre aux exigences d'interruption sans résistance externe.
Analyse du principe technique
La valeur fondamentale de la commutation par résistance réside dans son mécanisme synergique de "appariement d'impédance-dissipation d'énergie-amortissement d'oscillation", qui contrôle les transitoires de commutation dans les limites de tolérance de l'équipement. Cette technologie est particulièrement cruciale dans les systèmes EHT (110 kV et plus), traitant efficacement :
Ces solutions surmontent les limitations des méthodes traditionnelles d'extinction d'arc dans le contrôle des surtensions transitoires.
