Disjoncteurs à souffle d'air : Fonctionnement, avantages et types

Un disjoncteur à souffle d'air utilise de l'air ou un gaz comprimé comme milieu d'extinction d'arc. L'air comprimé est stocké dans un réservoir et, lorsque nécessaire, libéré par une buse pour générer un jet à haute vitesse. Ce jet joue un rôle crucial dans l'extinction de l'arc qui se forme lorsque le disjoncteur interrompt le courant électrique.

Les disjoncteurs à souffle d'air sont couramment utilisés pour les applications intérieures dans la gamme de tension moyenne-élevée avec des capacités de rupture moyennes. Ils sont généralement adaptés pour des tensions allant jusqu'à 15 kV et des capacités de rupture de 2500 MVA. De plus, ils sont maintenant utilisés dans les postes extérieurs à haute tension pour des lignes de 220 kV.

Bien que divers gaz tels que le dioxyde de carbone, l'azote, le fréon ou l'hydrogène puissent potentiellement servir de milieux d'extinction d'arc, l'air comprimé est devenu le choix préféré pour les disjoncteurs à souffle de gaz. Il y a plusieurs raisons convaincantes pour cela :

• Azote : Ses capacités de coupure sont comparables à celles de l'air comprimé, offrant aucun avantage significatif en termes de performance.

• Dioxyde de carbone : L'un de ses principaux inconvénients est la difficulté de contrôler son flux. Il a tendance à geler aux valves et autres passages étroits, ce qui peut perturber le bon fonctionnement du disjoncteur.

• Fréon : Bien qu'il présente une forte résistance diélectrique et d'excellentes propriétés d'extinction d'arc, il est coûteux. De plus, lorsqu'il est exposé à un arc, il se décompose en éléments formant des acides, posant des risques pour l'équipement et l'environnement.

Les disjoncteurs à souffle d'air offrent plusieurs caractéristiques souhaitables :

• Fonctionnement à haute vitesse : Dans les grands réseaux électriques interconnectés, maintenir la stabilité du système est primordial. Les disjoncteurs à souffle d'air excellent à cet égard en raison de l'intervalle très court entre la décharge de l'impulsion de déclenchement et la séparation des contacts. Cette réponse rapide aide à minimiser l'impact des défauts sur le réseau électrique global.

• Adaptabilité à une opération fréquente : Contrairement aux disjoncteurs qui utilisent de l'huile, qui peuvent rapidement carboniser et se dégrader avec des commutations répétées, les disjoncteurs à souffle d'air peuvent supporter une opération fréquente. L'absence d'huile signifie également qu'il y a un usure minimale des surfaces de contact conductrices. Cependant, il est essentiel de s'assurer d'un approvisionnement continu et suffisant en air comprimé lorsque des commutations fréquentes sont attendues.

• Maintenance négligeable : La capacité à gérer des commutations répétées avec facilité se traduit par des besoins en maintenance réduits. Cela non seulement économise sur les coûts de maintenance mais aussi améliore la fiabilité et la disponibilité du disjoncteur.

• Élimination du risque d'incendie : Comme les disjoncteurs à souffle d'air ne contiennent pas d'huile, le risque d'incendie associé aux disjoncteurs à huile est complètement éliminé, les rendant une option plus sûre pour les installations électriques.

• Réduction de la taille : La croissance rapide de la résistance diélectrique dans les disjoncteurs à souffle d'air permet un espace final beaucoup plus petit requis pour l'extinction d'arc. Cette conception compacte donne lieu à des dispositifs de taille réduite, qui peuvent être plus facilement intégrés dans les systèmes électriques et occupent moins d'espace.

Principe d'extinction d'arc

Un disjoncteur à souffle d'air repose sur un système d'air comprimé supplémentaire pour alimenter le récepteur d'air. Lorsque le disjoncteur doit s'ouvrir, l'air comprimé est dirigé vers la chambre d'extinction d'arc. Cet air sous haute pression exerce une force sur les contacts mobiles, les faisant séparer. Alors que les contacts se séparent, le souffle d'air balaye le gaz ionisé formé par l'arc, l'éteignant efficacement.

L'arc est généralement éteint en un ou plusieurs cycles. Après l'extinction de l'arc, la chambre d'arc est remplie d'air sous haute pression, ce qui aide à empêcher les reprises. Les disjoncteurs à souffle d'air relèvent de la catégorie des types d'énergie d'extinction externe. L'énergie utilisée pour éteindre l'arc provient de l'air sous haute pression, indépendamment du courant interrompu.

Types de disjoncteurs à souffle d'air

Tous les disjoncteurs à souffle d'air fonctionnent sur le principe de la séparation de leurs contacts dans un flux d'air formateur d'arc créé en ouvrant une vanne de souffle. L'arc qui se forme est rapidement centré par une buse, où il est maintenu à une longueur fixe et soumis à la force maximale du flux d'air. Selon la direction du souffle d'air comprimé autour des contacts, les disjoncteurs à souffle d'air peuvent être classés en trois types :

• Disjoncteur à souffle d'air axial : Dans ce type, le flux d'air est parallèle à l'arc, circulant longitudinalement le long de sa longueur. Les disjoncteurs à souffle d'air axial peuvent être davantage catégorisés comme à simple souffle ou à double souffle. Certaines configurations à double souffle, où le souffle d'air circule radialement vers la buse ou l'espace entre les contacts, sont parfois appelées disjoncteurs à souffle radial, malgré le concept de conception axiale principal.

La structure et le fonctionnement fondamentaux d'un disjoncteur à souffle d'air sont illustrés dans le diagramme ci-dessus. Dans des conditions de fonctionnement normales, les contacts fixes et mobiles restent fermés, maintenus ensemble par la force exercée par des ressorts. Un réservoir d'air est lié à la chambre d'arc via une vanne d'air. Cette vanne est activée par un mécanisme d'impulsion triple, qui déclenche son ouverture lorsqu'un défaut ou la nécessité d'interrompre le courant se produit.

Lorsqu'un défaut se produit dans le système électrique, l'impulsion de déclenchement sert de catalyseur. Cette impulsion active la vanne d'air qui relie le réservoir d'air à la chambre d'arc, la faisant s'ouvrir. Alors que l'air sous haute pression du réservoir s'engouffre dans la chambre d'arc, il exerce une force significative sur les contacts mobiles. Une fois que la pression de l'air dépasse la résistance fournie par la force des ressorts qui maintiennent normalement les contacts fermés, les contacts mobiles commencent à se séparer, initiant le processus d'interruption du courant électrique et l'extinction de l'arc.

Lorsque les contacts se séparent en raison de la pression de l'air à haute vitesse, un arc se forme entre eux. L'air, circulant à haute vitesse axialement le long de la longueur de l'arc, retire efficacement la chaleur de la périphérie de l'arc. À mesure que le courant approche de zéro, cette extraction continue de chaleur cause une diminution significative du diamètre de l'arc. Au moment où le courant atteint zéro, l'arc est interrompu avec succès. Ensuite, de l'air frais, passant par la buse, remplit l'espace entre les contacts. Ce flux d'air frais élimine les gaz ionisés chauds présents dans l'espace des contacts, restaurant rapidement la résistance diélectrique entre les contacts et empêchant toute reprise potentielle de l'arc.

Disjoncteur à souffle transversal d'air

Dans un disjoncteur à souffle transversal d'air, le mécanisme d'extinction d'arc fonctionne différemment. Ici, le souffle d'arc est dirigé perpendiculairement à l'arc lui-même. Le schéma ci-dessous fournit une illustration schématique du principe de souffle transversal utilisé dans ce type de disjoncteur. Lorsque le bras de contact mobile est actionné dans un espace confiné, un arc est généré. Immédiatement, un souffle transversal d'air propulse cet arc vers les plaques diviseuses. Les plaques diviseuses fragmentent l'arc en segments plus petits, dissipant son énergie. Ce processus affaiblit effectivement l'arc au point que, après le passage du courant par zéro, il manque d'énergie pour reprendre, assurant ainsi l'interruption réussie du circuit électrique.

Commutation par résistance et inconvénients des disjoncteurs à souffle d'air

Commutation par résistance

Typiquement, la commutation par résistance n'est pas une nécessité absolue dans les disjoncteurs à souffle d'air. Lorsque l'arc est éteint, il crée intrinsèquement une certaine résistance, ce qui aide à réguler la tension transitoire de reprise. Cependant, si une résistance supplémentaire est jugée bénéfique pour des applications spécifiques, elle peut être incorporée en connectant une résistance à travers la section de division d'arc. Cette résistance ajoutée fournit une couche supplémentaire de contrôle sur la tension transitoire, améliorant les performances du disjoncteur dans certaines conditions.

Inconvénients des disjoncteurs à souffle d'air

L'une des principales limitations des disjoncteurs à souffle d'air est la stricte exigence d'un approvisionnement continu en air comprimé à la pression précise. Pour assurer cette disponibilité, des installations de grande envergure sont souvent nécessaires, comprenant généralement deux compresseurs ou plus. Le maintien de cette installation de compression complexe n'est pas une tâche minime ; il nécessite un entretien régulier pour maintenir les compresseurs en fonctionnement efficace et traiter tout problème mécanique qui pourrait survenir.

De plus, les fuites d'air aux raccords de tuyaux sont un problème persistant. Même les fuites mineures peuvent graduellement épuiser la pression d'air, compromettant les performances du disjoncteur. Détecter et corriger ces fuites peut être chronophage et laborieux. Ces défis de maintenance, combinés à la nécessité d'un système d'alimentation en air sophistiqué, contribuent à des coûts d'exploitation plus élevés.

Par rapport aux disjoncteurs à huile ou d'autres types de disjoncteurs à air, les disjoncteurs à souffle d'air sont particulièrement coûteux pour les applications à basse tension. L'infrastructure extensive requise pour la production d'air comprimé et les frais de maintenance associés les rendent moins rentables dans les scénarios impliquant des tensions plus basses, limitant leur utilisation généralisée dans de tels contextes.