Conditionnement sous courant de court-circuit pour les équipements de distribution
Explication détaillée du flux de courant d'établissement et du phénomène de pré-étincelle dans les appareils de commutation
Dans les appareils de commutation, en particulier dans les disjoncteurs (CB) et les interrupteurs de charge (LBS), le flux de courant d'établissement fait référence au processus par lequel un arc électrique est initié lorsque les contacts commencent à se fermer. Ce processus ne commence pas exactement lorsque les contacts entrent physiquement en contact, mais peut se produire plusieurs millisecondes plus tôt en raison d'un phénomène connu sous le nom de pré-étincelle. Voici une explication détaillée de ce phénomène et de ses implications.
1. Pré-étincelle : Initiation de l'arc avant le contact
• Effondrement diélectrique : Lorsque les contacts s'approchent l'un de l'autre pendant l'opération de fermeture, le milieu isolant (tel que l'air, le SF6 ou le vide) entre eux subit un effondrement diélectrique. Cela se produit car le champ électrique dans l'espace entre les contacts augmente alors qu'ils se rapprochent. Lorsque la force du champ dépasse la résistance diélectrique du milieu isolant, l'espace s'effondre, et un arc de commutation est initié.
• Accumulation du champ électrique : Le champ électrique entre les contacts s'accumule alors qu'ils se déplacent l'un vers l'autre. Ce champ est proportionnel à la tension entre les contacts et inversement proportionnel à la distance qui les sépare. Lorsque le champ devient suffisamment fort, il provoque l'ionisation des molécules de gaz dans l'espace, conduisant à la formation d'un chemin conducteur pour le flux de courant.
• Initiation de l'arc : L'arc est initié avant que les contacts ne se touchent effectivement, généralement plusieurs millisecondes plus tôt. Cette initiation précoce de l'arc est appelée pré-étincelle. Pendant la pré-étincelle, l'arc se forme dans l'espace étroit entre les contacts, et le courant commence à circuler à travers l'arc plutôt que d'attendre que les contacts entrent en contact physique.
2. Implications de la pré-étincelle
• Fusion excessive des surfaces de contact : Si l'énergie impliquée dans la pré-étincelle est importante, elle peut causer une fusion excessive des surfaces de contact. Cela est particulièrement problématique dans les conditions de court-circuit, où le courant peut être extrêmement élevé. Le métal fondu sur les surfaces de contact peut entraîner la soudure des contacts, où les deux surfaces se fondent ensemble.
• Soudure des contacts : Les contacts soudés peuvent empêcher l'appareil de commutation de répondre correctement à la prochaine commande d'ouverture. Si le mécanisme d'exploitation de l'appareillage ne fournit pas une force suffisante pour briser les points soudés, l'appareil peut ne pas s'ouvrir correctement, ce qui peut entraîner des risques de sécurité et des dommages aux équipements.
• Caractéristiques du courant de court-circuit : Les courants de court-circuit contiennent souvent une composante continue, ce qui peut faire que la valeur crête du courant soit beaucoup plus élevée que celle d'un courant de court-circuit purement alternatif. Cette augmentation de la valeur crête du courant peut exacerber les effets de la pré-étincelle, entraînant des dommages plus graves aux contacts et des soudures.
• Dépendance de la tension d'arc : La tension à travers l'arc (tension d'arc) dépend fortement du milieu d'interruption utilisé dans l'appareillage. Même avec des longueurs d'arc très courtes, il peut y avoir des chutes de tension significatives près des électrodes. Cela est dû au fait que la résistance de l'arc n'est pas uniforme le long de sa longueur, et les régions près des électrodes ont tendance à avoir une résistance plus élevée en raison de la concentration de chaleur et de particules ionisées.
3. Établissement sous conditions de court-circuit
• Disjoncteurs (CB) : Dans les disjoncteurs, l'opération d'établissement sous conditions de court-circuit est particulièrement difficile. Les niveaux de courant élevés et la présence d'une composante continue peuvent entraîner des arcs intenses et des dommages aux contacts. Les disjoncteurs modernes sont conçus avec des matériaux avancés et des mécanismes de refroidissement pour atténuer ces effets, mais la pré-étincelle reste une préoccupation.
• Interrupteurs de charge (LBS) : Les interrupteurs de charge sont également sensibles à la pré-étincelle lors de l'opération d'établissement, en particulier dans les applications à haut courant. Cependant, les dispositifs LBS sont généralement utilisés dans des applications de basse tension et de faible intensité par rapport aux disjoncteurs, donc le risque de dommages graves aux contacts est généralement moindre.
4. Étapes de l'opération d'établissement dans l'appareillage
L'opération d'établissement de l'appareillage peut être divisée en plusieurs étapes, comme illustré dans la figure :
• Étape 1 : Approche initiale des contacts : Les contacts commencent à se déplacer l'un vers l'autre, et le champ électrique entre eux commence à s'accumuler. À ce stade, aucun courant ne circule, mais le potentiel de pré-étincelle augmente.
• Étape 2 : Formation de l'arc de pré-étincelle : Alors que les contacts se rapprochent, le champ électrique dépasse la résistance diélectrique du milieu isolant, provoquant un effondrement diélectrique. Un arc de pré-étincelle se forme, et le courant commence à circuler à travers l'arc avant que les contacts ne se touchent.
• Étape 3 : Contact et transfert de l'arc : Les contacts finissent par entrer en contact physique, et l'arc se transfère de l'espace entre les contacts aux surfaces de contact. Le courant continue de circuler à travers le circuit maintenant fermé.
• Étape 4 : Fonctionnement en régime permanent : Après que les contacts se soient complètement fermés, le système entre en fonctionnement en régime permanent, et le courant circule à travers les contacts fermés sans arcing.
5. Stratégies d'atténuation
Pour minimiser les effets de la pré-étincelle et de la soudure des contacts, plusieurs stratégies de conception et opérationnelles peuvent être mises en œuvre :
• Utilisation de milieux isolants à haute résistance diélectrique : L'utilisation de milieux isolants à haute résistance diélectrique, tels que le gaz SF6 ou le vide, peut réduire la probabilité de pré-étincelle en nécessitant un champ électrique plus élevé pour initier l'effondrement.
• Matériaux de contact avancés : L'utilisation de matériaux de contact ayant des points de fusion élevés et une bonne conductivité thermique peut aider à réduire les dommages aux contacts pendant la pré-étincelle. Des alliages cuivre-tungstène sont couramment utilisés dans les appareillages haute tension.
• Mécanismes de refroidissement : L'incorporation de mécanismes de refroidissement, tels que des systèmes à soufflet ou des flux de gaz forcés, peut aider à dissiper la chaleur de l'arc et à réduire la température des surfaces de contact, minimisant ainsi le risque de soudure.
• Améliorations de la conception mécanique : S'assurer que le mécanisme d'exploitation fournit une force suffisante pour briser tout point soudé lors de l'opération d'ouverture peut empêcher l'appareillage de ne pas s'ouvrir correctement.
• Systèmes de protection : La mise en œuvre de systèmes de protection, tels que des relais de surintensité et des mécanismes de détection de défauts, peut aider à détecter et à répondre plus rapidement aux conditions de court-circuit, réduisant ainsi la durée et l'intensité de l'arc.
Conclusion
Le phénomène de pré-étincelle, où l'arc est initié avant que les contacts ne se touchent physiquement, est un aspect critique de l'opération d'établissement dans l'appareillage. Il peut entraîner des dommages excessifs aux contacts, des soudures et un éventuel dysfonctionnement de l'appareil de commutation. Comprendre les facteurs contribuant à la pré-étincelle, tels que l'accumulation du champ électrique et les caractéristiques du milieu isolant, est essentiel pour concevoir et exploiter des appareillages fiables. En mettant en œuvre des stratégies d'atténuation appropriées, telles que l'utilisation de milieux isolants à haute résistance diélectrique, de matériaux de contact avancés et de mécanismes de refroidissement, les effets de la pré-étincelle peuvent être minimisés, assurant un fonctionnement sûr et fiable de l'appareillage, tant dans les disjoncteurs que dans les interrupteurs de charge.
