Disjoncteur haute tension

Tension d'arc dans les disjoncteurs à gaz

Dans les disjoncteurs à gaz, la tension d'arc est un paramètre critique qui influence le processus d'interruption et les performances globales du disjoncteur. La tension d'arc peut varier de quelques centaines de volts à plusieurs kilovolts, en fonction de divers facteurs. Voici une explication détaillée des principaux facteurs qui affectent la tension d'arc :

1. Longueur d'arc

• Principe : La chute de tension sur l'arc est directement proportionnelle à la longueur de l'arc. À mesure que la longueur de l'arc augmente, la tension nécessaire pour maintenir l'arc augmente également.

• Explication : Lorsque les contacts d'un disjoncteur à gaz se séparent, un arc se forme entre eux. La longueur de l'arc peut être beaucoup plus longue que l'écart initial des contacts en raison du mouvement de l'arc (étirement de l'arc) influencé par les champs magnétiques ou l'écoulement de gaz. Plus l'arc est long, plus la chute de tension sur celui-ci est élevée, ce qui facilite son extinction car plus d'énergie est requise pour le maintenir.

2. Type de gaz

• Principe : La tension d'arc dépend des propriétés physiques du milieu gazeux environnant, telles que sa pression, sa température et son état d'ionisation.

• Explication : Les différents gaz ont des résistances diélectriques et des conductivités thermiques différentes, ce qui affecte la facilité avec laquelle l'arc peut être maintenu. Par exemple, l'hexafluorure de soufre (SF₆) est couramment utilisé dans les disjoncteurs haute tension en raison de ses excellentes propriétés isolantes et de sa capacité à se désioniser rapidement après le passage du courant à zéro. Les gaz ayant une résistance diélectrique plus élevée nécessitent des tensions plus élevées pour maintenir l'arc, ce qui aide à son extinction.

3. Matériau des contacts

• Principe : Le matériau des contacts d'arc a une influence mineure sur la tension d'arc, affectant principalement la chute de tension dans les régions anode et cathode.

• Explication : La chute de tension principale dans un arc gazeux se produit à travers le corps de l'arc lui-même, et non aux surfaces de contact. Cependant, le matériau des contacts peut influencer la chute de tension locale près de l'anode et de la cathode, connue sous le nom de chute d'anode et de cathode. Les matériaux ayant des fonctions de travail plus faibles (par exemple, cuivre, argent) ont tendance à avoir des chutes de cathode plus faibles, mais cet effet est relativement petit comparé à la tension d'arc totale. Ainsi, le choix du matériau de contact a un impact marginal sur la tension d'arc totale.

4. Refroidissement de l'arc

• Principe : La puissance interne de l'arc est le produit du courant et de la tension d'arc. Si l'arc perd plus de chaleur en raison du refroidissement, il augmentera sa puissance en augmentant la tension d'arc.

• Explication : Le refroidissement de l'arc peut se produire par conduction, convection et rayonnement. Dans les disjoncteurs à gaz, l'écoulement de gaz (souvent induit par des mécanismes de soufflage ou des bobines de soufflage magnétique) aide à refroidir l'arc et à réduire sa température. À mesure que l'arc se refroidit, il devient moins conducteur, entraînant une augmentation de la tension d'arc. Cette tension accrue rend plus difficile le maintien de l'arc, aidant ainsi à son extinction.

5. Courant dans l'arc

• Principe : Les arcs gazeux présentent une caractéristique volt-ampère négative, ce qui signifie que la tension d'arc augmente lorsque le courant diminue et vice versa.

• Explication : Lorsque le courant s'approche de zéro lors du passage par zéro, la tension d'arc tend à augmenter fortement. Cela est dû au fait que l'arc devient moins stable à faible courant, et le nombre réduit de porteurs de charge conduit à une résistance plus élevée, résultant en une chute de tension plus importante. Inversement, à des courants plus élevés, l'arc est plus stable et la chute de tension est plus faible. Ce comportement est important pour comprendre comment l'arc se comporte près du passage par zéro, où l'interruption réussie est cruciale.

6. Excursions aléatoires et effondrements de la tension d'arc près du passage par zéro

• Principe : Près du passage par zéro, la tension d'arc présente des excursions aléatoires et des effondrements, qui sont cruciaux pour l'extinction de l'arc.

• Explication : À mesure que le courant s'approche de zéro, l'arc devient de plus en plus instable. La tension d'arc peut fluctuer de manière aléatoire en raison des changements rapides de l'état physique de l'arc, tels que la densité des particules chargées et la température. Ces fluctuations peuvent provoquer des pics soudains de la tension d'arc, conduisant à un effondrement de l'arc. Si la tension d'arc augmente suffisamment, elle peut dépasser la tension de récupération du système, provoquant l'extinction de l'arc. Ce phénomène est crucial pour s'assurer que l'arc est interrompu avec succès au passage par zéro.

Résumé

La tension d'arc dans les disjoncteurs à gaz est influencée par plusieurs facteurs, y compris la longueur d'arc, le type de gaz, le matériau des contacts, les effets de refroidissement et le courant dans l'arc. La tension d'arc joue un rôle vital dans le processus d'interruption, en particulier près du passage par zéro, où les excursions aléatoires et les effondrements peuvent déterminer si l'arc est interrompu avec succès. Comprendre ces facteurs est essentiel pour concevoir et opérer des disjoncteurs à gaz efficaces et fiables.