Rôle des cloches dans les interrupteurs sous vide
Présentation des interupteurs à vide et des soufflets
Avec les progrès technologiques et la préoccupation croissante concernant le réchauffement climatique, les disjoncteurs à vide sont devenus une considération importante dans le domaine de l'ingénierie électrique.
Les futurs réseaux électriques imposent des exigences de plus en plus strictes sur les performances de commutation des disjoncteurs, avec une emphase particulière sur des vitesses de commutation plus rapides et des durées de vie opérationnelles prolongées. Dans les disjoncteurs moyenne tension, les interupteurs à vide (VIs) ont gagné une préférence généralisée. Cela est dû au fait que l'utilisation du vide comme milieu d'interruption offre des avantages inégalés dans cette plage d'applications spécifique. L'interupteur à vide sert de composant central dans un disjoncteur à vide, et les soufflets jouent un rôle crucial et efficace au sein des interupteurs à vide.
Les soufflets métalliques sont conçus pour maintenir un joint étanche ultra-haut-vide tout en permettant le mouvement de translation du contact électrique mobile à l'intérieur de la chambre d'interruption. Cependant, la durée de vie mécanique d'un interupteur à vide est principalement limitée par les dits soufflets à vide. Dans le contexte des futurs disjoncteurs, la recherche de vitesses de commutation plus rapides entraînera inévitablement des charges de type impact dynamique plus élevées. Ces charges peuvent provoquer des oscillations des soufflets avec des amplitudes plus grandes, réduisant ainsi significativement leur durée de vie. De plus, compte tenu de l'augmentation prévue de la fréquence des opérations de commutation dans les futurs réseaux électriques, la simulation des soufflets à vide devient indispensable pour optimiser leur conception et, par conséquent, améliorer la durée de vie mécanique des interupteurs à vide.
Le rôle des soufflets dans les interupteurs à vide
Les soufflets, généralement fabriqués à partir de fines feuilles d'acier inoxydable, sont conçus pour faciliter l'ouverture et la fermeture des contacts tout en assurant le maintien d'un environnement sous vide à l'intérieur de l'interrupteur.
La résistance à la fatigue des soufflets est un facteur clé qui détermine la durée de vie mécanique d'un interupteur à vide. Chaque opération d'ouverture et de fermeture des contacts soumet les soufflets à des contraintes, en particulier les plis situés près des extrémités. En plus des contraintes mécaniques directes dues au mouvement opérationnel, les soufflets subissent également des oscillations post-opérationnelles une fois que le mouvement des contacts cesse. Ces oscillations contribuent davantage à l'usure des soufflets, accélérant leur dégradation au fil du temps.
La figure 1 illustre un type spécifique de soufflets pour interupteurs à vide fabriqués par la société Sigma-Netics.
Fig 1: Soufflets d'interupteur à vide par la société Sigma-Netics
La durée de vie mécanique des interupteurs à vide est significativement influencée par plusieurs paramètres critiques du mouvement des contacts :
Course ou écart des contacts en régime permanent : cela détermine la distance de séparation des contacts pendant l'opération, affectant l'isolation électrique et les capacités d'extinction d'arc.
Vitesse d'ouverture et de fermeture : des vitesses plus rapides peuvent améliorer les performances de commutation mais imposent également des charges dynamiques plus importantes sur les composants, y compris les soufflets.
Amortissement à la fin de la course d'ouverture et de fermeture : un amortissement adéquat est essentiel pour minimiser les vibrations et réduire la contrainte mécanique sur les soufflets et autres pièces.
Dépassement et rebond lors de l'ouverture : ces phénomènes peuvent causer un usure supplémentaire des contacts et des soufflets, potentiellement raccourcissant la durée de vie globale.
Résilience de montage : la manière dont l'interupteur à vide est monté peut affecter la distribution des forces pendant l'opération, influençant la durée de vie mécanique des soufflets.
Basculement des contacts lors de la fermeture : un basculement excessif des contacts peut conduire à des arcs et à une augmentation de la contrainte sur les soufflets, dégradant leurs performances au fil du temps.
Les soufflets jouent un double rôle dans les interupteurs à vide. Ils permettent le mouvement du contact mobile tout en maintenant un joint étanche sous vide. Fabriqués en acier inoxydable, généralement avec une épaisseur d'environ 150 µm, ils sont conçus pour résister aux conditions d'exploitation difficiles à l'intérieur de l'interrupteur. Trois types de soufflets ont été intégrés avec succès dans la conception des interupteurs à vide :
Soufflets hydroformés sans couture : ceux-ci sont formés sans coutures visibles, offrant potentiellement une intégrité et des performances améliorées.
Soufflets hydroformés soudés : fabriqués en soudant les coutures après hydroformage, ils équilibrent les coûts et les exigences de performance.
Soufflets fabriqués à partir de rondelles d'acier inoxydable minces soudées aux bords : construits en soudant des rondelles minces ensemble, ils offrent une solution économique pour certaines applications.
Des détails complets concernant la conception et les performances des soufflets peuvent être trouvés dans les normes EJMA.
Une extrémité des soufflets est solidement fixée en la brasant à la plaque de fond de l'interupteur à vide, tandis que l'autre extrémité est brasée au terminal mobile et se déplace en tandem avec lui lorsque les contacts s'ouvrent et se ferment. Dans un interupteur à vide, les soufflets sont soumis à un mouvement impulsif pendant les opérations de contact. La vitesse d'ouverture du contact mobile peut rapidement augmenter de 0 m/s à 2 m/s en moins de 100 µs. À la fin de la course de contact, que ce soit en ouverture ou en fermeture, l'extrémité mobile des soufflets s'arrête brusquement.
La fréquence de ces opérations d'ouverture et de fermeture varie selon le cycle de service. Dans certains cas, elles peuvent se produire de nombreuses fois, tandis que dans d'autres, elles sont rares. Le mouvement transmis aux soufflets est loin d'être uniforme, et il est courant que les soufflets oscillent plusieurs fois lors d'une seule opération d'ouverture ou de fermeture. Pour ceux intéressés par l'analyse de ce mouvement des soufflets, une approche analytique générale a été développée pour déterminer les contraintes dynamiques subies par les soufflets sous mouvement impulsif.
La plupart des fabricants d'interupteurs à vide achètent leurs soufflets auprès de fabricants de soufflets bien établis et collaborent avec eux pour atteindre la durée de vie souhaitée des soufflets. Cela est généralement réalisé en intégrant les soufflets dans un interupteur à vide pratique et en effectuant des tests de durée de vie mécanique sur un nombre statistiquement significatif d'échantillons d'interupteurs à vide. Une durée de vie mécanique spécifiée peut alors être attribuée à l'interupteur à vide avec ces soufflets en utilisant l'analyse de Weibull. Généralement, la limite de durée de vie mécanique d'un interupteur à vide est déterminée par le nombre d'opérations que les soufflets peuvent endurer avant l'échec par fatigue.
Lors du test mécanique d'un interupteur à vide, il est crucial de soumettre les soufflets aux mêmes paramètres de fonctionnement qu'ils rencontreront dans un dispositif de commutation. Ces paramètres incluent le déplacement total (écart de fonctionnement plus le dépassement), la vitesse maximale d'ouverture, la vitesse maximale de fermeture, et les effets de l'accélération et du décélération. Tester les soufflets à l'intérieur de l'interupteur à vide assure qu'ils subissent toutes les étapes de fabrication que le dispositif fini subira. Par exemple, ils doivent être exposés à tous les cycles de chauffage et de refroidissement nécessaires pour la fabrication de l'interupteur à vide. Ces processus annealeront inévitablement le métal des soufflets, modifiant sa microstructure granulaire et, par conséquent, ses caractéristiques de performance.
La durée de vie mécanique d'un soufflet spécifique dépend non seulement des paramètres de fonctionnement mentionnés ci-dessus, mais aussi de ses propres attributs physiques. Ceux-ci incluent le type d'acier inoxydable utilisé, sa longueur, son diamètre, son épaisseur, le nombre de plis, et sa capacité à amortir le mouvement une fois que le contact cesse de bouger. Il est possible de concevoir des soufflets qui peuvent fiablement effectuer les 30 000 opérations requises pour la plupart des disjoncteurs à vide et des reclosers à vide, et même dépasser 10^6 opérations pour les contacteurs à vide. Cependant, malgré les efforts des fabricants d'interupteurs à vide pour concevoir leurs produits pour répondre à la durée de vie mécanique spécifiée de divers dispositifs de commutation, la plupart des interupteurs à vide n'atteignent pas leur durée de vie mécanique déclarée lorsqu'ils sont déployés sur le terrain.Pour plus d'informations sur les raisons d'échec des interupteurs à vide (VIs), veuillez vous référer à l'article pertinent.
Le concepteur d'interupteurs à vide doit prendre des précautions pour empêcher l'utilisateur de tordre les soufflets lors de l'installation de l'interupteur à vide dans un mécanisme. Un soufflet tordu peut voir sa durée de vie mécanique considérablement réduite, potentiellement à moins de 1% de sa durée de vie conçue. Le couple qui peut être appliqué aux soufflets à paroi fine d'un interupteur à vide avant torsion permanente est relativement faible, environ 8,5 à 11,5 Nm. Pour éviter la torsion des soufflets, le concepteur devrait insérer un buisson anti-torsion. Ce buisson peut être verrouillé en place en l'attachant à la plaque de fond de l'interrupteur. La surface intérieure du buisson est façonnée ou comporte une rainure pour empêcher toute rotation du terminal mobile en cuivre attaché aux soufflets (comme illustré à la figure 2). Le matériau du buisson peut être métallique ou plastique, comme le Nylatron. Lors de l'utilisation de matériaux plastiques comme le Nylatron et le Valox, la prudence est de mise. Ces matériaux ne peuvent être utilisés que dans des applications où la température maximale permise qu'ils subiront est limitée. Par exemple, pour le Nylatron, la température à laquelle sa résistance à la traction est réduite à 50% après 100 000 heures est d'environ 125°C (il peut supporter des températures plus élevées pendant de courtes périodes sans se déformer en raison de son contenu en fibre de verre), et pour le Valox DR48, elle est d'environ 140°C. Il existe également des plastiques plus chers, à haute température, tels que "Ultem 2310 R".
Fig 2: Exemples de buissons anti-torsion pour la protection des soufflets
Le matériau utilisé pour ces buissons anti-torsion a une température maximale permise d'environ 180°C. Il peut supporter une exposition à court terme (environ 1 heure) à des températures supérieures à cette limite sans déformation significative.
Pour les interupteurs à vide fonctionnant à des tensions de disjoncteur plus élevées, une course de contact plus longue est nécessaire. Par exemple, à 72,5 kV, une course d'environ 40 mm est requise. Pour accommoder cette course allongée, les soufflets doivent être proportionnellement allongés. Cependant, des soufflets très longs ne s'ouvrent et ne se ferment pas de manière uniforme. Au lieu de cela, ils tendent à se tortiller pendant le mouvement. Ainsi, les plis internes des soufflets peuvent frotter contre le terminal en cuivre (Cu). Ce frottement peut considérablement réduire la durée de vie des soufflets.
Pour résoudre ce problème, des soufflets spécialisés avec des patins internes ont été développés. Ces patins glissent le long des terminaux en Cu, minimisant l'usure. Un exemple de tel design de soufflets est illustré à la figure 3.
