Comportement des disjoncteurs à vide d'extérieur dans des environnements simulés
Les disjoncteurs à vide extérieurs sont principalement utilisés dans le segment de tension moyenne élevée (MHV). Ils jouent un rôle crucial dans le secteur de la distribution, en particulier au sein des réseaux 11 kV et 33 kV. Une variété de matériaux composites est employée dans la construction de ces disjoncteurs. Parmi eux, l'interrupteur à vide se distingue comme le composant le plus vital. Pour les disjoncteurs extérieurs, l'interrupteur à vide est généralement logé dans un boîtier en porcelaine.
Ces disjoncteurs sont reliés au mécanisme d'exploitation via des tiges d'exploitation moulées en résine renforcée de fibres de verre, qui sont, à leur tour, liées à une tige d'exploitation commune en métal - acier. Le mécanisme d'exploitation des disjoncteurs à vide extérieurs adopte généralement un design à ressort, logé dans un boîtier en tôle d'acier. Étant donné l'utilisation de multiples matériaux, il est essentiel d'évaluer la compatibilité de ces matériaux, ainsi que la conception et la qualité de fabrication, sous diverses conditions environnementales où les disjoncteurs sont destinés à fonctionner. Cette évaluation garantit un fonctionnement sans problème et, par conséquent, la stabilité du réseau électrique dont ils font partie.
Les tests environnementaux pour les disjoncteurs, en particulier les tests de basse et haute température, sont couverts par l'article 6.101.3 de la norme IEC 62271-100[1]. Pour les climats froids, la plage de température préférée pour les valeurs minimales et maximales est de -50°C à +40°C, tandis que pour les climats très chauds, elle est de -5°C à +50°C. À des altitudes allant jusqu'à 1000 mètres, les températures ambiantes minimales préférées pour le test de basse température sont de -10°C, -25°C, -30°C et -40°C. Dans les applications extérieures, la conception des disjoncteurs à vide doit tenir compte des changements rapides de température. En Inde, de nombreux endroits dans des régions telles que le Cachemire, l'Himachal Pradesh, l'Uttarakhand et le Sikkim rencontrent de telles variations de température.
Les températures peuvent descendre jusqu'à -25°C. Dans ces endroits, les problèmes liés aux conditions froides sont exacerbés par des phénomènes fréquents tels que l'effet de vent et les tempêtes de neige. Pendant l'été, dans de nombreuses parties de l'Inde, les températures peuvent atteindre 50°C. Les fabricants exportant des disjoncteurs vers des pays connaissant des températures extrêmement basses ou élevées doivent déterminer la performance de leurs produits dans ces conditions climatiques extrêmes.
Ce document s'intéresse à la performance des disjoncteurs à vide extérieurs de classe 36 kV sous des conditions environnementales simulées conformément à la norme IEC 62271-100. Les tests discutés ici incluent (a) le test de basse température et (b) le test de haute température. De plus, le document explore le temps d'exploitation, la différence de temps entre les pôles et le temps de charge du mécanisme d'exploitation pour un disjoncteur à vide extérieur de classe 36 kV.
Test de basse température
Pour comprendre la performance des disjoncteurs à vide extérieurs dans des conditions de basse température, la procédure spécifiée dans la norme IEC-62271-100 a été adoptée comme référence. Cette norme IEC stipule que pour les disjoncteurs à un seul boîtier avec un mécanisme d'exploitation commun, des tests triphasés doivent être effectués. Pour les disjoncteurs à plusieurs boîtiers avec des pôles indépendants, le test d'un pôle complet est autorisé. Dans les cas où les limitations de l'installation de test existent, les disjoncteurs à plusieurs boîtiers peuvent être testés en utilisant l'une ou plusieurs des alternatives suivantes, à condition que les conditions mécaniques d'exploitation du disjoncteur dans l'installation de test ne soient pas plus favorables que les conditions normales :
Pendant le test, toute maintenance, remplacement de pièces ou readjustement du disjoncteur est interdit. Sauf si la conception du disjoncteur nécessite une source de chaleur, les approvisionnements en liquide ou en gaz pour le disjoncteur devraient être à la température de l'air du test.
Les caractéristiques opérationnelles suivantes du disjoncteur doivent être testées :
Temps de fermeture
Temps d'ouverture
Différence de temps entre les pôles
Écart de temps entre les unités d'un pôle (si test multi-pôles)
Temps de recharge du dispositif d'exploitation
Consommation du circuit de commande
Consommation des dispositifs de déclenchement et enregistrement des relais de déclenchement
Durée des impulsions de commande de fermeture et d'ouverture
Test d'étanchéité si applicable
Pression de gaz si applicable
Résistance du circuit principal
Diagramme temps-déplacement
Ces caractéristiques doivent être enregistrées à :
Les paramètres modifiés par la pression ne s'appliquent pas aux disjoncteurs à vide car le contacteur est logé dans des bouteilles sous vide et cet ensemble d'interrupteur à vide est encapsulé dans un boîtier en porcelaine isolé par air pour l'application extérieure.
La séquence de test pour le test de basse température est définie dans l'article 6.101.3.3 de la norme IEC 62271-100. Les caractéristiques opérationnelles initiales [1.4] sont caractérisées après avoir exposé le disjoncteur à 20 ± 5°C. Après un examen initial avec le disjoncteur en position fermée, la température sera abaissée à la température ambiante minimale selon la catégorie de température. Le disjoncteur restera en position fermée pendant 24 heures avec les chauffages anti-condensation allumés. Après 24 heures, le disjoncteur sera ouvert et fermé à la valeur nominale de la tension d'alimentation. Les temps d'ouverture et de fermeture sont enregistrés pour établir les caractéristiques opérationnelles de basse température. Ensuite, l'alimentation des chauffages anti-condensation sera coupée pendant une période (t₁) spécifiée par le fabricant, soumise à un minimum de deux heures. Pendant cet intervalle, les alarmes sont admissibles mais les blocages ne le sont pas. Après le temps t₁, le disjoncteur est ouvert et le temps d'ouverture est enregistré. Si possible, les caractéristiques de déplacement mécanique sont également mesurées pour permettre l'évaluation de la capacité d'interrompre.
Le disjoncteur restera en position ouverte pendant 24 heures, après quoi le disjoncteur sera fermé et ouvert. Ensuite, 50 opérations CO seront effectuées, les trois premières opérations CO étant effectuées sans aucun délai. Les opérations CO restantes sont effectuées selon le schéma C - tₑ - O - tₑ. Le temps tₑ est la période entre les opérations. Un intervalle de 3 minutes sera accordé pour chaque cycle ou séquence. Après la réalisation des 50 opérations CO, la température de la chambre de test climatique sera augmentée à un taux de 10 K/heure. Pendant la période de transition, les opérations C - tₑ - O - tₑ et O - tₑ - C - tₑ - O sont effectuées de manière que le disjoncteur reste en position fermée et ouverte pendant une période de 30 minutes entre les séquences d'opérations. Après que le disjoncteur se soit stabilisé à la température ambiante, une mesure répétée des caractéristiques opérationnelles est effectuée à 20 ± 5°C pour comparaison avec les caractéristiques initiales à 20 ± 5°C.
CPRI effectue des tests de basse et haute température sur des appareils de manœuvre de tension moyenne élevée (MHV) jusqu'à 36 kV depuis plus de dix ans. La figure 1 montre un arrangement de test typique pour un disjoncteur à vide extérieur de 36 kV installé dans la chambre de test pour les tests de haute et basse température.
Les résultats expérimentaux pour un disjoncteur à vide extérieur de classe 36 kV lors des tests de basse et haute température sont présentés. Les disjoncteurs testés étaient équipés de mécanismes d'exploitation à ressort.
Le test de haute température a été effectué à +55°C, et les tests de basse température ont été effectués à -10°C et -25°C. Les caractéristiques suivantes ont été examinées pour analyser la performance du disjoncteur à vide :
Temps de fermeture et d'ouverture (temps d'exploitation) : Le temps de fermeture est défini comme l'intervalle de temps entre l'alimentation du circuit de fermeture, avec le disjoncteur en position ouverte, et l'instant où les contacts entrent en contact dans tous les pôles.Le temps d'ouverture d'un disjoncteur est défini comme l'intervalle de temps entre l'instant d'alimentation du dispositif de libération d'ouverture, avec le disjoncteur en position fermée, et l'instant où les contacts d'arc se séparent dans tous les pôles.
Pour obtenir des données volumétriques, la valeur moyenne des temps d'exploitation de tous les trois pôles est considérée pour des fins de comparaison. Puisque l'écart de temps entre les pôles a été comparé, la variation maximale entre le temps maximal et minimal de chaque pôle est automatiquement représentée.
a) Écart de temps entre les pôles
b) Caractéristiques du dispositif de recharge, telles que le temps de recharge et la consommation de courant.
c) Changement des caractéristiques d'exploitation par rapport aux caractéristiques d'exploitation initiales.
La performance des disjoncteurs lors des tests de haute et basse température a été comparée en référence aux caractéristiques mentionnées ci-dessus, et les résultats sont discutés dans les sections suivantes.
Évaluation de la performance à haute température
Les résultats du test de haute température sont présentés dans le tableau 1. Les caractéristiques initiales ont été mesurées à 20°C. La norme IEC 62271-100 ne spécifie aucune valeur pour le temps d'exploitation ou le temps de fermeture. Les temps d'ouverture initiaux mesurés sont d'environ 36 ms, et le temps de fermeture est d'environ 44 ms. De même, le temps de recharge du dispositif d'exploitation varie de 9,6 secondes à 11,3 secondes, et le courant de recharge se situe entre 2,8 A et 3,1 A.
Après 24 heures d'exposition à 55°C avec le disjoncteur en position fermée, le temps d'ouverture et de fermeture a uniformément augmenté d'environ 5%. Après une exposition supplémentaire de 24 heures à 55°C avec le disjoncteur en position ouverte, le temps de fermeture a augmenté d'environ 2,5%, et le temps d'ouverture a augmenté de 4%.
Il n'y a eu aucun changement significatif dans l'écart de temps entre les pôles pour les trois échantillons de test pendant l'ensemble du test. Il peut donc être déduit que le comportement est similaire dans tous les pôles du disjoncteur à vide. Le temps de recharge a diminué de 11,3 secondes à 9,6 secondes, mais le courant a changé de 2,9 A à 3,4 A.
Lors de la comparaison des temps d'ouverture et de fermeture entre les valeurs initiales et finales à température ambiante, un changement inférieur à 1% dans le temps d'exploitation a été observé, ce qui est négligeable.
Les caractéristiques opérationnelles initiales ont été mesurées à 20°C. Les valeurs initiales mesurées du temps d'ouverture étaient d'environ 36 ms, et le temps de fermeture était de 44 ms. De même, le temps de recharge du dispositif d'exploitation était de 10,6 secondes, et le courant du dispositif de recharge était de 2,8 A.
Après 24 heures d'exposition à -10°C avec le disjoncteur en position fermée, le temps d'ouverture a diminué d'environ 0,7%, et le temps de fermeture a augmenté d'environ 2%, sans changement significatif.
Pendant la période de deux heures sans chauffages anti-condensation, le temps d'ouverture a diminué de 1,36%. Après une exposition supplémentaire de 24 heures à -10°C avec le disjoncteur en position ouverte, le temps de fermeture a augmenté d'environ 3%, et le temps d'ouverture a diminué d'environ 2%.
Lors du test final à température ambiante, le changement était inférieur à 1%. Tout au long de la période de test de basse température à -10°C, il n'y a eu aucun changement significatif dans l'écart de temps entre les pôles.
La performance du disjoncteur à différentes températures, commençant par +55°C, -10°C, et -25°C, est présentée dans le tableau 1.
Des changements significatifs dans le temps d'exploitation ont été observés lorsque le disjoncteur a fonctionné à une basse température de -25°C. Les résultats du tableau 3 indiquent que le disjoncteur a montré une lenteur lors de l'ouverture et de la fermeture à -25°C. Le pourcentage de changement dans le temps d'exploitation à -25°C était notablement différent. Après 24 heures d'exposition, le temps d'ouverture a augmenté de 30%, et le temps de fermeture a augmenté d'environ 25%. De même, après que les éléments chauffants anti-condensation aient été coupés pendant deux heures, le temps d'ouverture a augmenté de 46%. Une exposition supplémentaire de 24 heures à -25°C avec le disjoncteur en position ouverte et l'alimentation des éléments chauffants anti-condensation restaurée a conduit à une augmentation de 44% du temps d'ouverture et de 21% du temps de fermeture. Les graphiques de timing pour le temps de fermeture et d'ouverture enregistrés pendant le test montrent clairement ces changements.
Le test à une température ambiante de 20°C est montré dans la figure 2. Les graphiques de timing du temps de fermeture enregistrés après 50 heures d'exposition à -25°C sont fournis dans la figure 3. Lorsqu'ils sont comparés, la lenteur du disjoncteur à -25°C est clairement visible.
Comparé à sa performance à -10°C, où le changement dans le temps d'exploitation n'était que d'environ 0,5% à 3%, les caractéristiques du disjoncteur à -25°C se sont nettement détériorées. À -25°C, les changements de temps d'exploitation pendant les différentes étapes du test ont atteint environ 45%.
Ce document présente les résultats expérimentaux de la comparaison de la performance des disjoncteurs à vide extérieurs de classe 36 kV lors des tests de basse et haute température conformément à la norme IEC 62271-100.
Les principales conclusions de ce document sont les suivantes :
Lors du test de haute température à 55°C, les disjoncteurs à vide extérieurs ont bien performé. Les changements observés dans le temps d'exploitation et les écarts de temps entre les pôles étaient insignifiants.
Lors du test de basse température à -10°C, les changements dans le temps d'exploitation et les écarts de temps entre les pôles étaient insignifiants.
Des changements significatifs dans le temps d'exploitation ont été observés lorsque le disjoncteur a fonctionné à une basse température de -25°C. Les changements observés dans le temps d'ouverture variaient de 20% à 46%, et les changements dans le temps de fermeture se situaient entre 25% et 43%.
Les tests effectués indiquent qu'il est essentiel de vérifier la performance du disjoncteur à la basse température requise, même si un disjoncteur à vide extérieur peut fonctionner normalement à -10°C, il n'y a aucune garantie qu'il se comportera de la même manière dans des conditions plus froides, telles que -25°C.
