Analyse et discussion sur la panne de l'arbre principal du disjoncteur à vide dans le mécanisme EIB-Business

Un disjoncteur à vide est un type de disjoncteur dans lequel le milieu d'extinction d'arc et le milieu isolant dans l'espace entre les contacts après extinction d'arc sont sous vide. En tant qu'unité de protection et de contrôle pour les équipements électriques et les équipements à entraînement électrique dans les entreprises industrielles et minières, les disjoncteurs à haute tension à vide pour intérieur ont des applications diverses et peuvent être installés dans des armoires fixes, des armoires à montage central et des armoires à double couche. Comme dispositif électrique crucial parmi les appareillages de coupure, les disjoncteurs à haute tension sont adaptés aux endroits nécessitant une opération fréquente au courant de travail nominal ou plusieurs interruptions de courant de court-circuit.

Cet article analyse le problème du disjoncteur à vide IEE-Business qui ne s'ouvre pas ou ne se ferme pas correctement en raison d'une opération fréquente. Par des expériences, il a été constaté que la chute du ressort de déclenchement sur le côté droit de l'arbre principal est la cause de la non-ouverture ou de la non-fermeture correcte du disjoncteur. Une mesure d'amélioration consistant à installer des calles d'ajustement est proposée pour assurer le fonctionnement normal du disjoncteur, ce qui a une certaine valeur de référence pour la construction sécuritaire de la production de l'entreprise.

Structure du disjoncteur à vide

Un disjoncteur à vide est principalement composé de composants tels qu'une chambre d'extinction d'arc à vide, un mécanisme d'exploitation et un support.

Chambre d'extinction d'arc à vide

Aussi connue sous le nom de tube à commutateur à vide, le principe de fonctionnement de la chambre d'extinction d'arc à vide est d'utiliser l'excellente propriété d'isolation du milieu sous vide à l'intérieur du tube, permettant ainsi au circuit moyen et élevé de rapidement éteindre l'arc et de couper le courant après la coupure de l'alimentation. Ses principales structures sont les suivantes :

• Système d'isolation étanche : Il s'agit d'un conteneur fermé dans un environnement sous vide, principalement composé d'un cylindre d'isolation étanche, d'une plaque de couverture mobile, d'une plaque de couverture fixe et d'un soufflet en acier inoxydable. Pour assurer l'étanchéité, des processus opérationnels stricts sont requis pour les joints d'étanchéité. De plus, des matériaux avec une très faible perméabilité à l'air sont nécessaires, et la quantité de gaz libérée à l'intérieur doit également être limitée à une valeur minimale.

• Système conducteur : Il est principalement composé d'un électrode fixe et d'un électrode mobile. L'électrode fixe comprend un contact fixe, une tige de conduction fixe et une surface de course d'arc fixe, tandis que l'électrode mobile comprend un contact mobile, une tige de conduction mobile et une surface de course d'arc mobile. Les types de structure de contact peuvent être grossièrement divisés en type de champ magnétique transversal avec une surface de course d'arc à rainures hélicoïdales, type de champ magnétique longitudinal et type cylindrique. Le mécanisme d'exploitation fait se rapprocher les deux contacts par le mouvement de la tige de conduction mobile, achevant ainsi la connexion du circuit.

• Système de blindage : Il est principalement composé d'un cylindre de blindage, d'un capot de blindage et d'autres dispositifs. Les capots de blindage couramment utilisés actuellement comprennent des types tels que le capot de blindage à soufflet et le capot de blindage principal entourant les contacts. Le capot de blindage principal peut réduire l'intensité du champ local, améliorer l'uniformité de la distribution du champ électrique interne de la chambre d'extinction d'arc, ce qui est favorable à la miniaturisation de la chambre d'extinction d'arc à vide. En outre, il peut empêcher les produits d'arc de gicler sur la paroi intérieure du boîtier isolant pendant le processus d'arc, assurant que l'effet d'isolation du boîtier n'est pas affecté par la décharge d'arc. Il peut également absorber l'énergie d'arc, condenser les produits d'arc et accélérer la récupération de la résistance diélectrique dans l'espace post-arc.

Mécanisme d'exploitation

Différents types de disjoncteurs utilisent différents mécanismes d'exploitation. Les mécanismes d'exploitation couramment utilisés incluent les mécanismes à ressort, les mécanismes à accumulation d'énergie de ressort IEE-Business, les mécanismes à accumulation d'énergie de ressort CT8, les mécanismes à accumulation d'énergie de ressort CT19, les mécanismes électromagnétiques CD10, les mécanismes électromagnétiques CD17, etc. Parmi eux, le mécanisme à ressort présente les avantages d'une petite taille, d'un petit courant de fermeture et d'une grande fiabilité, et est actuellement largement utilisé dans les appareillages de coupure de différents niveaux de tension.

Fonction et principe du disjoncteur à vide

Fonction et caractéristiques

Dans des conditions de fonctionnement normales, un disjoncteur à vide qui répond à la plage de paramètres techniques peut assurer son fonctionnement sûr et fiable dans le réseau électrique du niveau de tension correspondant. La durée de vie mécanique d'un disjoncteur à vide est d'environ 20 000 fois, et le nombre d'interruptions de courant de court-circuit à pleine capacité est de 50 fois. Il peut être opéré fréquemment ou interrompre le courant de court-circuit plusieurs fois dans la plage de courant de travail. Les disjoncteurs à haute tension à vide présentent les avantages d'une grande fiabilité, d'une opération en toutes saisons, d'une maintenance nulle, de fonctions complètes, d'une bonne interchangeabilité et d'une forte polyvalence, et peuvent être appliqués à des opérations de reclosing avec diverses caractéristiques. Les disjoncteurs à vide adoptent un cylindre d'isolation vertical et une structure de poteau monobloc solide intégrée, qui peuvent résister à l'influence de divers environnements spéciaux et ne nécessitent aucune maintenance. De plus, les disjoncteurs à vide ont de multiples méthodes d'utilisation, pouvant être installés de manière fixe, utilisés de manière extractible ou montés sur un châssis.

Introduction du principe

Lorsque les contacts mobiles et fixes d'un disjoncteur à vide s'ouvrent sous charge, un arc à vide se produit entre les contacts. L'arc augmente la température de surface des contacts, provoquant l'apparition de vapeur métallique sur la surface des contacts. Sur la base de la forme particulière des contacts, lorsque le courant passe, sous l'action du champ magnétique qu'il génère, l'arc se déplace rapidement dans la direction tangentielle de la surface des contacts. La vapeur métallique et les particules chargées dans la colonne d'arc diffusent continuellement vers l'extérieur, et la densité de la vapeur métallique et des particules chargées diminue constamment. Lorsque l'arc passe naturellement par zéro, le milieu entre les contacts se rétablit rapidement d'un conducteur à un isolant, le courant est coupé, et l'arc est éteint.

Résumé et analyse des causes de panne

En analysant la situation où le disjoncteur à vide ne s'ouvre pas ou ne s'ouvre pas complètement en raison d'une opération fréquente, l'inspection sur site révèle que la vis à l'extrémité droite de l'arbre principal du disjoncteur tombe, causant la chute du ressort de déclenchement du côté droit et son blocage sur l'arbre principal en même temps. Le mécanisme de déclenchement ne repose que sur le ressort de déclenchement du côté gauche de l'arbre principal, ce qui entraîne une ouverture incomplète du disjoncteur. Bien que la probabilité de survenue de cette panne soit relativement faible, son occurrence peut toujours conduire à des accidents de sécurité de production. Il est donc nécessaire d'analyser la cause de la panne, d'éliminer les dangers potentiels et d'assurer une production sûre.

Solution et plan de vérification

Les vis fixant les ressorts de déclenchement des deux côtés de l'arbre principal du disjoncteur à mécanisme IEE-Business sont des vis ordinaires + rondelles élastiques (voir Figure 1). Après des années d'opérations fréquentes du disjoncteur, la vis fixant le ressort de déclenchement du côté droit de l'arbre principal tombe en raison des vibrations, causant la chute du ressort de déclenchement du côté droit et son blocage sur l'arbre principal en même temps. Le mécanisme de déclenchement ne repose que sur le ressort de déclenchement du côté gauche de l'arbre principal, ce qui entraîne une ouverture incomplète du disjoncteur. Par l'intermédiaire d'une enquête sur site, il a été constaté qu'il existe une différence de longueur axiale d'environ 4 mm entre l'arbre à cannelures du côté droit de l'arbre principal et le boîtier extérieur, et que la plaque de fin de course est déformée et enfoncée vers l'intérieur (voir Figure 2). Face à cette panne, c'est-à-dire la panne du disjoncteur due à la chute du ressort de déclenchement en raison du desserrage de la vis de fin de course de l'arbre de fermeture et d'ouverture, pour vérifier, un disjoncteur avec une structure correspondante est ensuite reconstitué pour simuler la panne :

Réglez la longueur axiale entre l'arbre à cannelures du côté droit de l'arbre principal de ce disjoncteur simulé et le boîtier extérieur pour créer un espace d'environ 4 mm (voir Figure 3), et utilisez une clé dynamométrique pour le serrer avec un couple de 45 Nm. Poussez-le dans la chambre de rodage mécanique pour le rodage mécanique. Le compteur initial est de 26 fois, et la plaque de fin de course montre un phénomène de légère enfoncement après serrage. Le processus est illustré à la Figure 4.

En conclusion, lorsque le couple spécifié est de 45 Nm, même si la longueur axiale entre le manchon et l'arbre à cannelures atteint 4 mm et que la plaque de fin de course est déformée et enfoncée, elle reste bien fixée jusqu'à plus de 2 200 opérations. On passe ensuite à la vérification de la deuxième étape.

Réglez la longueur axiale entre l'arbre à cannelures du côté droit de l'arbre principal de ce disjoncteur simulé et le boîtier extérieur pour créer un espace de 4 mm. Utilisez une clé dynamométrique pour le serrer avec un couple de 35 Nm, et utilisez la plaque de fin de course déformée et enfoncée de la première phase. Marquez-la avec une ligne de marquage. Poussez-le dans la chambre de rodage mécanique pour le rodage mécanique. Le compteur initial est de 2 252. En résumé, lorsque le couple est de 35 Nm, même si la longueur axiale entre le manchon et l'arbre à cannelures atteint 4 mm et que la plaque de fin de course est déformée et enfoncée, elle reste bien fixée jusqu'à plus de 1 887 opérations. On passe ensuite à la vérification de la troisième étape (voir Figure 6).

Réglez la longueur axiale entre l'arbre à cannelures du côté droit de l'arbre principal de ce disjoncteur simulé et le boîtier extérieur pour créer un espace de 4 mm. Utilisez une clé dynamométrique pour le serrer avec un couple de 20 Nm, et utilisez la plaque de fin de course déformée et enfoncée de la troisième phase. Marquez-la avec une ligne de marquage. Poussez-le dans la chambre de rodage mécanique pour le rodage mécanique. Le compteur initial est de 4 139 (voir Figure 7).

En conclusion, lorsque le couple est de 20 Nm, même si la longueur axiale entre le manchon et l'arbre à cannelures atteint 4 mm et que la plaque de fin de course est déformée et enfoncée, elle reste bien fixée jusqu'à plus de 1 671 opérations. On passe ensuite à la vérification de la quatrième étape (voir Figure 8 et Figure 9).

Réglez la longueur axiale entre l'arbre à cannelures du côté droit de l'arbre principal de ce disjoncteur simulé et le boîtier extérieur pour créer un espace de 4 mm. Utilisez une clé dynamométrique pour le serrer avec un couple de 10 Nm, et utilisez la plaque de fin de course déformée et enfoncée de la quatrième phase. Marquez-la avec une ligne de marquage. Poussez-le dans la chambre de rodage mécanique pour le rodage mécanique. Le compteur initial est de 5 810 (voir Figure 10).

Au cours du processus de test, il a été constaté que lorsque le compteur atteignait 551 opérations, la plaque de fin de course commençait à tourner légèrement par rapport à la position initiale (voir Figure 11) ; lorsque le compteur augmentait à 820 opérations, la plaque de fin de course tournait légèrement par rapport à la position à 551 opérations (voir Figure 12) ; lorsque le compteur atteignait 1 122 opérations, le ressort de déclenchement était visiblement lâche à l'œil nu (voir Figure 13) ; lorsque le compteur augmentait à 1 261 opérations, le ressort de déclenchement tombait (voir Figure 14).

Résumé du processus de test

La conception de l'arbre du mécanisme à ressort IEE-Business est basée sur la conception de la société belge IEE. Après que les bras oscillants soient positionnés précisément, les vis de chaque côté sont serrées à la valeur de couple spécifiée. Des rondelles élastiques (fabriquées en acier ressort) sont utilisées pour l'anti-déverrouillage par friction. Après l'assemblage, les rondelles sont aplatie, et leur force de rappel maintient la force de serrage et la friction entre les filetages. Cette conception de structure d'arbre et ces mesures d'anti-déverrouillage ont été prouvées fiables lors des tests de type de durée de vie mécanique à l'Institut de Recherche Électrique de Chine (IREC).

Problèmes de processus précoce de l'arbre du mécanisme IEE

Dans le processus d'assemblage précoce, les ouvriers devaient ajuster des manchons de différentes tolérances pour équilibrer les dimensions, rendant la qualité de l'assemblage incohérente et difficile à contrôler. Après l'assemblage de l'arbre du disjoncteur, les erreurs cumulatives causaient des écarts de longueur axiale entre l'arbre à cannelures interne et le manchon externe. Lorsque les vis étaient serrées à la valeur de couple spécifiée, le milieu des plaques de fin de course s'affaissait vers l'intérieur. Comme les plaques de fin de course sont fabriquées en matériaux élastiques non-acier ressort, elles ne peuvent pas se rétablir après la déformation. De plus, le manchon de l'arbre peut se déformer en raison des impacts lors de l'opération, ce qui peut graduellement réduire le couple de serrage des vis (sans changements évidents dans les fixations comme les vis et les plaques de fin de course jusqu'à ce que le couple affaibli de manière significative). La maintenance conventionnelle peine également à appliquer un couple suffisant avec des clés ordinaires. Finalement, lorsque le couple descend en dessous de 10 Nm, les plaques de fin de course accélèrent leur desserrage, détruisant l'effet anti-déverrouillage des rondelles élastiques.

Processus amélioré

Pour éliminer l'affaiblissement du couple causé par l'affaissement des plaques de fin de course, le processus a été ajusté : après l'assemblage global, des calles d'ajustement sont ajoutées de manière uniforme pour l'équilibrage. Un adhésif de verrouillage de filetage est appliqué sur les vis, qui sont ensuite serrées à 45 Nm avec une clé dynamométrique. Avec les calles installées, il n'y a plus d'espace pour que les plaques de fin de course s'affaissent vers l'intérieur. Les plaques de fin de course ne réduiront pas progressivement le couple de serrage en raison de la déformation plastique, assurant un fonctionnement stable et fiable du disjoncteur tout au long de sa durée de service avec un couple suffisant.

Mesures de redressement

Pour le disjoncteur présentant cette panne, comme illustré à la Figure 15, installez des calles d'ajustement. Après avoir aligné la face d'extrémité de l'arbre principal interne avec le manchon externe, bloquez-le avec des vis. Appliquez un adhésif de verrouillage de filetage sur les vis et utilisez une clé dynamométrique pour les serrer à un couple de 45 Nm.

Pour prévenir la survenue de tels événements de faible probabilité, effectuez un examen complet des disjoncteurs déjà mis en service, et installez des calles d'ajustement en conséquence pour assurer que les disjoncteurs mis en service puissent fonctionner normalement et de manière fiable.

Conclusion

Cet article se concentre sur la situation où le disjoncteur à haute tension à courant alternatif à vide ne s'ouvre pas correctement. Par le biais d'une analyse par simulation et de vérifications expérimentales, il analyse les causes de la chute du ressort de déclenchement. Il a été constaté que le joint de fin de course se déforme en raison de l'écart de l'arbre principal, puis, après des vibrations de fermeture et d'ouverture à long terme, le ressort de déclenchement tombe, rendant le disjoncteur incapable de s'ouvrir. Pour cela, une solution est proposée, et la faisabilité de la solution est démontrée en détail. Des mesures de redressement correspondantes sont mises en avant, afin d'éliminer la panne, de restaurer l'utilisation normale du disjoncteur à haute tension à vide, et d'assurer la production normale de l'entreprise.