Qu'est-ce qu'un Arc ? | Arc dans le Disjoncteur

Avant d'aborder les détails des technologies de extinction d'arc ou suppression d'arc utilisées dans les disjoncteurs, nous devrions d'abord savoir ce qu'est un arc.

Qu'est-ce qu'un Arc?

Lors de l'ouverture des contacts conducteurs de courant dans un disjoncteur, le milieu entre les contacts en train de s'ouvrir devient fortement ionisé, ce qui offre au courant d'interruption un chemin de faible résistance et permet à ce courant de continuer à circuler même si les contacts sont physiquement séparés. Pendant que le courant circule d'un contact à l'autre, le chemin devient tellement chauffé qu'il brille. Cela est appelé un arc.

Arc dans un Disjoncteur

Chaque fois que les contacts sous charge d'un disjoncteur s'ouvrent, un arc dans le disjoncteur est établi entre les contacts en train de se séparer.

Tant que cet arc est maintenu entre les contacts, le courant à travers le disjoncteur ne sera pas interrompu définitivement car l'arc est lui-même un chemin conducteur d'électricité. Pour une interruption totale du courant, il est essentiel d'éteindre l'arc aussi rapidement que possible. Le critère principal de conception d'un disjoncteur est de fournir une technologie appropriée d'extinction d'arc dans le disjoncteur pour assurer une interruption rapide et sûre du courant. Ainsi, avant d'aborder différentes techniques d'extinction d'arc utilisées dans les disjoncteurs, essayons de comprendre ce qu'est un arc et la théorie de base de l'arc dans le disjoncteur, discutons-en.

Ionisation Thermique du Gaz

Il y a un certain nombre d'électrons libres et d'ions présents dans un gaz à température ambiante en raison des rayons ultraviolets, des rayons cosmiques et de la radioactivité de la Terre. Ces électrons libres et ions sont si peu nombreux qu'ils sont insuffisants pour soutenir la conduction de l'électricité. Les molécules de gaz se déplacent de manière aléatoire à température ambiante. On constate qu'une molécule d'air à une température de 300oK (température ambiante) se déplace de manière aléatoire avec une vitesse moyenne approximative de 500 mètres/seconde et heurte d'autres molécules à un taux de 1010 fois/seconde.

Ces molécules se déplaçant de manière aléatoire se heurtent très fréquemment, mais l'énergie cinétique des molécules n'est pas suffisante pour extraire un électron des atomes des molécules. Si la température augmente, l'air sera chauffé et par conséquent, la vitesse des molécules augmentera. Une vitesse plus élevée signifie un impact plus important lors des collisions intermoléculaires. Dans cette situation, certaines des molécules se dissocient en atomes. Si la température de l'air est encore plus élevée, de nombreux atomes sont privés d'électrons de valence et rendent le gaz ionisé. Alors, ce gaz ionisé peut conduire l'électricité en raison de suffisamment d'électrons libres. Cette condition de tout gaz ou air est appelée plasma. Ce phénomène est appelé ionisation thermique du gaz.

Ionisation due aux Collisions Électroniques

Comme nous l'avons mentionné, il y a toujours quelques électrons libres et ions présents dans l'air ou le gaz, mais ils sont insuffisants pour conduire l'électricité. Chaque fois que ces électrons libres rencontrent un champ électrique fort, ils sont dirigés vers des points de potentiel plus élevé dans le champ et acquièrent une vitesse suffisamment élevée. En d'autres termes, les électrons sont accélérés le long de la direction du champ électrique en raison d'un gradient de potentiel élevé. Au cours de leur trajet, ces électrons heurtent d'autres atomes et molécules de l'air ou du gaz et extraient des électrons de valence de leurs orbites.

Une fois extraits des atomes parents, les électrons se déplaceront également le long de la direction du même champ électrique en raison du gradient de potentiel. Ces électrons heurteront également d'autres atomes et créeront plus d'électrons libres qui seront également dirigés le long du champ électrique. En raison de cette action conjointe, le nombre d'électrons libres dans le gaz deviendra si élevé que le gaz commencera à conduire l'électricité. Ce phénomène est connu sous le nom d'ionisation du gaz due aux collisions électroniques.

Déionisation du Gaz

Si toutes les causes d'ionisation du gaz sont supprimées d'un gaz ionisé, il revient rapidement à son état neutre par recombinaison des charges positives et négatives. Le processus de recombinaison des charges positives et négatives est connu sous le nom de processus de déionisation. Dans la déionisation par diffusion, les ions négatifs ou les électrons et les ions positifs se déplacent vers les parois sous l'influence des gradients de concentration, complétant ainsi le processus de recombinaison.

Rôle de l'Arc dans un Disjoncteur

Lorsque deux contacts conducteurs de courant s'ouvrent, un arc relie l'écart entre les contacts, offrant au courant un chemin de faible résistance pour circuler, il n'y aura donc pas d'interruption soudaine du courant. Comme il n'y a pas de changement soudain et brutal du courant lors de l'ouverture des contacts, il n'y aura pas de tension de commutation anormale dans le système. Si i est le courant qui circule à travers les contacts juste avant qu'ils ne s'ouvrent, L est l'inductance du système, la tension de commutation lors de l'ouverture des contacts peut être exprimée comme V = L.(di/dt) où di/dt est le taux de variation du courant par rapport au temps lors de l'ouverture des contacts. Dans le cas d'un courant alternatif, l'arc est momentanément éteint à chaque zéro de courant. Après avoir franchi chaque zéro de courant, le milieu entre les contacts séparés est à nouveau ionisé pendant le cycle suivant du courant et l'arc dans le disjoncteur est rétabli. Pour rendre l'interruption complète et réussie, cette ré-ionisation entre les contacts séparés doit être empêchée après un zéro de courant.

Si l'arc dans le disjoncteur est absent lors de l'ouverture des contacts conducteurs de courant, il y aurait une interruption soudaine et brutale du courant, ce qui causerait une tension de commutation énorme suffisante pour stresser gravement l'isolation du système. D'autre part, l'arc fournit une transition progressive mais rapide, de l'état de conduction de courant à l'état d'interruption de courant des contacts.

Théorie de l'Interruption, de l'Extinction ou de la Suppression d'Arc

Caractéristiques de la Colonne d'Arc

À haute température, les particules chargées dans un gaz se déplacent rapidement et de manière aléatoire, mais en l'absence de champ électrique, aucun mouvement net ne se produit. Lorsqu'un champ électrique est appliqué dans le gaz, les particules chargées gagnent une vitesse de dérive superposée à leur mouvement thermique aléatoire. La vitesse de dérive est proportionnelle au gradient de tension du champ et à la mobilité des particules. La mobilité des particules dépend de la masse de la particule, plus la particule est lourde, plus la mobilité est faible. La mobilité dépend également des chemins libres moyens disponibles dans le gaz pour le mouvement aléatoire des particules. Chaque fois qu'une particule heurte, elle perd sa vitesse dirigée et doit être réaccélérée dans la direction du champ électrique. Par conséquent, la mobilité nette des particules est réduite. Si le gaz est à haute pression, il devient plus dense et par conséquent, les molécules de gaz se rapprochent, ce qui entraîne des collisions plus fréquentes, réduisant ainsi la mobilité des particules. Le courant total par les particules chargées est directement proportionnel à leur mobilité. Par conséquent, la mobilité des particules chargées dépend de la température, de la pression du gaz et de la nature du gaz. De plus, la mobilité des particules de gaz détermine le degré d'ionisation du gaz.

Ainsi, d'après l'explication ci-dessus, on peut dire que le processus d'ionisation du gaz dépend de la nature du gaz (particules de gaz plus lourdes ou plus légères), de la pression du gaz et de la température du gaz. Comme nous l'avons dit précédemment, l'intensité de la colonne d'arc dépend de la présence d'un milieu ionisé entre les contacts électriques séparés, il convient donc de prêter une attention particulière à la réduction de l'ionisation ou à l'augmentation de la déionisation du milieu entre les contacts. C'est pourquoi la caractéristique principale de conception d'un disjoncteur est de fournir différentes méthodes de contrôle de pression, de refroidissement pour différents milieux d'arc entre les contacts du disjoncteur.

Perte de Chaleur d'un Arc

La perte de chaleur d'un arc dans un disjoncteur se produit par conduction, convection et radiation. Dans un disjoncteur avec un arc simple dans l'huile, un arc dans des chicanes ou des fentes étroites, presque toute la perte de chaleur est due à la conduction. Dans un disjoncteur à souffle d'air ou dans un disjoncteur où un flux de gaz est présent entre les contacts électriques, la perte de chaleur du plasma d'arc se produit par le processus de convection. À pression normale, la radiation n'est pas un facteur significatif, mais à haute pression, la radiation peut devenir un facteur très important de dissipation de chaleur du plasma d'arc. Lors de l'ouverture des contacts électriques, l'arc dans le disjoncteur est produit et s'éteint à chaque passage par zéro du courant, puis est à nouveau rétabli lors du cycle suivant. L'extinction finale de l'arc ou l'extinction d'arc dans le disjoncteur est réalisée par une augmentation rapide de la résistance diélectrique du milieu entre les contacts afin que le rétablissement de l'arc après le passage par zéro ne soit pas possible. Cette augmentation rapide de la résistance diélectrique entre les contacts du disjoncteur est obtenue soit par la déionisation du gaz dans le milieu d'arc, soit par le remplacement du gaz ionisé par un gaz frais et froid.
Il existe divers processus de déionisation appliqués pour l'extinction d'arc dans les disjoncteurs, examinons-les brièvement.

Déionisation du Gaz en Raison de l'Augmentation de la Pression

Si la pression du chemin d'arc augmente, la densité du gaz ionisé augmente, ce qui signifie que les particules dans le gaz se rapprochent les unes des autres et, par conséquent, la longueur libre moyenne des particules est réduite. Cela augmente le taux de collision et, comme nous l'avons discuté précédemment, à chaque collision, les particules chargées perdent leur vitesse dirigée le long du champ électrique et sont à nouveau réaccélérées vers le champ. On peut dire que la mobilité globale des particules chargées est réduite, donc la tension nécessaire pour maintenir l'arc est augmentée. Un autre effet de l'augmentation de la densité des particules est un taux de déionisation du gaz plus élevé en raison de la recombinaison des particules chargées opposées.

Déionisation du Gaz en Raison de la Diminution de la Température

Le taux d'ionisation du gaz dépend de l'intensité de l'impact lors des collisions des particules de gaz. L'intensité de l'impact lors des collisions des particules dépend de la vitesse des mouvements aléatoires des particules. Ce mouvement aléatoire d'une particule et sa vitesse augmentent avec l'augmentation de la température du gaz. Il peut donc être conclu que si la température d'un gaz est augmentée, son processus d'ionisation est augmenté et l'affirmation inverse est également vraie, c'est-à-dire que si la température est diminuée, le taux d'ionisation du gaz est diminué, ce qui signifie que la déionisation du gaz est augmentée. Par conséquent, une tension plus élevée est nécessaire pour maintenir le plasma d'arc avec une température réduite. Finalement, on peut dire que le refroidissement augmente effectivement la résistance de l'arc.
Différents types de disjoncteurs utilisent différentes techniques de refroidissement que nous aborderons ultérieurement dans le cadre des disjoncteurs.

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