Tension de Récupération Transitoire (TRV) lors de l'Interruption de Petits Courants Inductifs par les Disjoncteurs

Analyse des phénomènes transitoires dans les systèmes linéaires en utilisant le principe de superposition

Pour analyser les phénomènes transitoires causés par les opérations de commutation dans les systèmes linéaires, le principe de superposition est un outil puissant. En combinant la solution d'état stable qui existait avant l'opération de circuit ouvert avec les réponses transitoires induites par les sources de tension de court-circuit et les sources de courant de circuit ouvert, et en tenant compte du courant injecté à travers les contacts de l'interrupteur, on peut obtenir une description complète du processus de commutation.

Analyse transitoire des opérations de circuit ouvert

Lors d'une opération de circuit ouvert, le courant qui circule à travers les bornes de l'interrupteur doit devenir nul après l'opération. Par conséquent, le courant injecté dans le système doit être égal au courant qui circulait à travers les bornes de l'interrupteur avant l'ouverture. Lorsque les contacts de l'interrupteur commencent à se séparer, une tension de récupération transitoire (TRV) se développe immédiatement entre les contacts. La TRV apparaît immédiatement après que le courant atteint zéro et dure généralement quelques millisecondes dans les systèmes réels. Dans les systèmes de puissance pratiques, les caractéristiques de la TRV sont cruciales pour la performance et la fiabilité des disjoncteurs.

Importance de la tension de récupération transitoire (TRV)

Une compréhension approfondie des phénomènes transitoires associés aux opérations de disjoncteurs dans les systèmes de puissance peut considérablement améliorer les pratiques de test et renforcer la fiabilité des équipements de commutation. Les normes spécifient des valeurs caractéristiques recommandées pour simuler la TRV, ce qui aide les ingénieurs à mieux prédire et concevoir le comportement des dispositifs de commutation.

Différents types de commutation de circuit

Le diagramme suivant illustre la TRV aux bornes du disjoncteur lors de l'interruption du courant dans des circuits très simples. Chaque cas donne lieu à des formes d'onde différentes, selon la nature du circuit :

• Charge résistive : Pour les charges purement résistives, le courant tombe rapidement à zéro après l'opération de commutation, ce qui entraîne une forme d'onde de TRV relativement lisse.

• Charge inductive : Pour les charges inductives, la tension à travers l'inductance atteint sa valeur maximale lorsque le courant devient nul. Comme l'inducteur stocke de l'énergie, qui doit être dissipée par d'autres composants (comme les condensateurs), des oscillations se produisent. Ces oscillations sont causées par le transfert d'énergie entre l'inducteur et le condensateur.

• Charge capacitive : Pour les charges capacitatives, le courant diminue progressivement après l'opération de commutation, tandis que la tension augmente rapidement. La forme d'onde de TRV montre généralement un pic de tension rapide.

Interruption de faibles courants et phénomènes de découpage de courant

Dans les systèmes de puissance, l'interruption de faibles courants peut conduire à des phénomènes connus sous le nom de découpage de courant et de découpage virtuel. Ces phénomènes ont des impacts significatifs sur la tension de récupération transitoire (TRV) et peuvent entraîner des surtensions et des problèmes de reallumage.

Interruption normale vs. découpage de courant

• Interruption normale : Lorsque le courant est interrompu naturellement à son point de passage par zéro, c'est l'opération de commutation idéale. Dans ce cas, la TRV reste généralement dans les limites spécifiées, et aucune surtension ni reallumage ne se produit.

• Découpage de courant : Si le courant est interrompu prématurément avant d'atteindre zéro, ce phénomène est appelé découpage de courant. L'interruption soudaine du courant conduit à la génération de surtensions transitoires, qui peuvent causer des reallumages à haute fréquence. Ce type d'interruption anormale pose des dangers potentiels pour le disjoncteur et le système.

Conséquences du découpage de courant

Lorsqu'un disjoncteur interrompt le courant près de son pic, la tension augmente presque instantanément. Si cette surtension dépasse la résistance diélectrique spécifiée pour le disjoncteur, un reallumage se produit. Lorsque ce processus se répète plusieurs fois, la tension continue à augmenter rapidement en raison des reallumages à haute fréquence. Cette oscillation à haute fréquence est contrôlée par les paramètres électriques du circuit associé, la configuration du circuit et la conception du disjoncteur, aboutissant à un passage par zéro avant que le courant de fréquence nominale atteigne zéro.

Différence entre le découpage de courant et le découpage virtuel

• Découpage de courant : Se produit lorsque le courant est interrompu avant d'atteindre zéro, entraînant des surtensions transitoires et des reallumages à haute fréquence.

• Découpage virtuel : Se produit lorsque le courant est interrompu juste avant d'atteindre zéro, bien qu'il soit très proche de zéro. Cela peut encore causer de légères surtensions et des reallumages.

Comparaison de la tension côté charge et de la TRV

Le diagramme suivant compare la tension côté charge et la TRV dans deux scénarios différents :

1. Interruption au point de passage par zéro du courant : Dans ce cas, la tension côté charge augmente régulièrement, et la TRV reste dans les limites spécifiées, assurant un fonctionnement normal du système.

2. Interruption avant le point de passage par zéro du courant (découpage de courant) : Ici, la tension côté charge augmente rapidement, et la TRV augmente considérablement, potentiellement entraînant des surtensions et des reallumages. Il est clair, à partir de cet exemple, que le second scénario est plus grave.

Importance de la compréhension du découpage de courant

Pour mieux comprendre l'impact du découpage de courant, considérez l'ignorance des effets des pertes côté charge. Après l'interruption du courant au point de passage par zéro, l'énergie stockée côté charge est principalement dans les condensateurs, où la tension atteint sa valeur maximale. Cependant, si le courant est coupé avant d'atteindre zéro, l'énergie dans les condensateurs ne peut pas être entièrement dissipée, entraînant une augmentation rapide de la tension et des problèmes de surtension et de reallumage subséquents.

(a) Circuit équivalent. (b) Interruption de l'arc au point de passage par zéro du courant. (c) Interruption de l'arc avant le point de passage par zéro du courant.

Découpage de courant et phénomènes transitoires à haute fréquence

Dans le cas du découpage de courant, l'instabilité de l'arc près du point de passage par zéro du courant peut conduire à des courants transitoires à haute fréquence qui coulent vers les composants de réseau adjacents. Ce courant à haute fréquence se superpose sur le courant de fréquence nominale plus petit, qui est effectivement coupé à zéro. Spécifiquement :

• Instabilité de l'arc près du point de passage par zéro du courant : Lorsque le courant s'approche de zéro, l'arc peut devenir instable, générant des courants transitoires à haute fréquence. Ces courants se superposent sur le courant de fréquence nominale déjà faible, compliquant davantage la réponse transitoire du système.

• Impact des courants transitoires à haute fréquence : La présence de courants transitoires à haute fréquence peut causer des surtensions et des reallumages, surtout dans les charges inductives. En raison des changements rapides de ces courants, ils peuvent produire des pics de tension extrêmement élevés en peu de temps, posant une menace pour les matériaux d'isolation du système.

Découpage virtuel et ses effets

Dans le cas du découpage virtuel, l'instabilité de l'arc est exacerbée par les oscillations avec les phases adjacentes, conduisant à la génération de courants à haute fréquence même avant que le courant atteigne zéro. Spécifiquement :

• Mécanisme du découpage virtuel : Le découpage virtuel se produit généralement lorsque le courant est proche mais n'a pas encore atteint zéro. À ce stade, l'arc peut interagir avec les oscillations des phases adjacentes, générant des courants à haute fréquence. Cela déstabilise davantage le système et augmente le risque de reallumage.

• Phénomène observé : Le découpage virtuel a été observé dans les arcs gazeux dans l'air, le SF6 et l'huile. Les arcs dans le vide sont également très sensibles au découpage de courant car l'arc dans un environnement de vide est plus sensible aux conditions externes, entraînant une instabilité accrue.

Causes du découpage et du reallumage

Les phénomènes de découpage et de reallumage, ainsi que les surtensions oscillatoires à haute fréquence associées, sont principalement attribués à la conception du disjoncteur. Spécifiquement :

• Conception pour les forts courants de défaut : Les disjoncteurs sont généralement conçus pour gérer des forts courants de défaut. Si la conception se concentre uniquement sur la performance efficace pour les forts courants, elle peut également être tout aussi efficace pour les petits courants, tentant de les interrompre avant leur passage naturel par zéro.

• Conséquences néfastes : Cette approche de conception peut conduire au découpage de courant et au reallumage, entraînant des surtensions et d'autres effets indésirables. Par exemple, les surtensions peuvent endommager l'isolation du système, entraînant des pannes d'équipement ou une durée de vie raccourcie.

Optimisation de la conception des disjoncteurs

Pour répondre efficacement aux petits et grands courants, la conception des disjoncteurs doit intégrer plusieurs caractéristiques pour assurer une performance fiable dans diverses conditions. Des recommandations spécifiques incluent :

• Équilibrage de la performance pour les petits et grands courants : La conception des disjoncteurs doit prendre en compte les petits et grands courants, évitant une optimisation excessive pour un type au détriment de l'autre. Par exemple, l'ajustement des matériaux de contact, la conception de la chambre d'extinction d'arc et des stratégies de contrôle peuvent aider à équilibrer la performance à différents niveaux de courant.

• Réduction des oscillations à haute fréquence : La conception doit viser à minimiser les oscillations à haute fréquence, en particulier près du point de passage par zéro du courant. Cela peut être réalisé en introduisant des éléments de freinage appropriés ou en optimisant les paramètres du circuit pour supprimer les courants transitoires à haute fréquence.

• Amélioration de la performance d'isolation : Pour gérer les surtensions potentielles, la conception de l'isolation du disjoncteur doit avoir une résistance diélectrique suffisante. Le choix de matériaux d'isolation haute performance et l'optimisation de la structure d'isolation peuvent assurer une isolation fiable même dans des conditions extrêmes.