Interrupteurs à vide vs interrupteurs d'air : principales différences

Disjoncteurs à air basse tension vs. disjoncteurs à vide : Structure, performances et applications

Les disjoncteurs à air basse tension, également connus sous le nom de disjoncteurs universels ou disjoncteurs à cadre moulé (MCCBs), sont conçus pour des tensions alternatives de 380/690V et des tensions continues allant jusqu'à 1500V, avec des courants assignés allant de 400A à 6300A ou même 7500A. Ces disjoncteurs utilisent l'air comme milieu d'extinction de l'arc. L'arc est éteint par allongement, division et refroidissement grâce à un guide d'arc (couloir d'arc). Ces disjoncteurs peuvent interrompre des courants de court-circuit de 50kA, 80kA, 100kA, ou jusqu'à 150kA.

Composants principaux et fonctionnalité

• Mécanisme de commande : Situé à l'avant du disjoncteur, il fournit la vitesse nécessaire pour la séparation et la fermeture des contacts. Le mouvement rapide des contacts aide à allonger et refroidir l'arc, facilitant ainsi son extinction.

• Unité de déclenchement intelligente : Montée à côté du mécanisme de commande, c'est le "cerveau" du disjoncteur basse tension. Elle reçoit les signaux de courant et de tension via des capteurs, calcule les paramètres électriques et les compare avec les réglages de protection LSIG prédéfinis :

• L : Retard long (protection contre les surcharges)

• S : Retard court (protection contre les courts-circuits)

• I : Instantané (déclenchement instantané)

• G : Protection contre les défauts de terre
  Sur la base de ces réglages, l'unité de déclenchement envoie un signal au mécanisme pour ouvrir le disjoncteur en cas de surcharge ou de court-circuit, offrant une protection complète.

• Chambre d'arc et bornes : Situées à l'arrière, la chambre d'arc contient les contacts et le guide d'arc. Les trois bornes de sortie triphasées inférieures sont équipées de :

• Capteurs de courant électroniques (pour l'entrée de signal à l'unité de déclenchement)

• Transformateurs de courant électromagnétiques (CT) (pour fournir l'alimentation de fonctionnement à l'unité de déclenchement)

Le mécanisme de commande a généralement une durée de vie mécanique de moins de 10 000 opérations.

Évolution de l'interruption à l'air vers l'interruption sous vide

Historiquement, des disjoncteurs à air moyenne tension existaient mais étaient volumineux, avaient une capacité d'interruption limitée et produisaient un flash d'arc significatif (non nul), ce qui les rendait dangereux et peu pratiques.

En revanche, les disjoncteurs à vide (VCBs) partagent une disposition globale similaire : le mécanisme de commande à l'avant et l'interrupteur à l'arrière. Cependant, l'interrupteur utilise un interrupteur sous vide (ou "bouteille sous vide"), qui est structuralement similaire à une ampoule à incandescence — une enveloppe en verre ou céramique scellée évacuée à un vide élevé.

Dans le vide :

• Seul un petit espace de contact est nécessaire pour répondre aux exigences d'isolation et de tenue en tension.

• L'arc est rapidement éteint en raison de l'absence de milieu ionisable et de la diffusion efficace de la vapeur métallique.

Applications des disjoncteurs à vide

Les disjoncteurs à vide se sont développés rapidement et sont maintenant largement utilisés dans les systèmes basse, moyenne et haute tension :

• Disjoncteurs à vide basse tension : Généralement classés à 1,14kV, avec des courants assignés allant jusqu'à 6300A et une capacité d'interruption de court-circuit jusqu'à 100kA.

• Disjoncteurs à vide moyenne tension : Les plus courants dans la plage de 3,6 à 40,5kV, avec des courants allant jusqu'à 6300A et une capacité d'interruption jusqu'à 63kA. Plus de 95% des tableaux de distribution moyenne tension utilisent maintenant l'interruption sous vide.

• Disjoncteurs à vide haute tension : Les interrupteurs monophasés ont atteint 252kV, et des disjoncteurs à vide de 550kV ont été réalisés grâce à des interrupteurs en série.

Différences clés de conception

Contrairement aux disjoncteurs à air qui utilisent des ressorts de contact, les disjoncteurs à vide nécessitent que le mécanisme de commande :

• Fournisse une vitesse d'ouverture et de fermeture suffisante

• Assure une pression de contact adéquate

Cette pression de contact doit rester suffisante même après un usure des contacts pouvant aller jusqu'à 3 mm, afin de transporter de manière fiable le courant assigné et de résister au courant de crête de courte durée en cas de défaut.

Avantages des disjoncteurs à vide

• Haute fiabilité et sécurité

• Immunisé contre les conditions environnementales (poussière, humidité, altitude)

• Zéro flash d'arc (pas d'arcing externe)

• Taille compacte et intervalles de maintenance longs

Ces avantages font des disjoncteurs à vide le choix idéal pour les environnements dangereux tels que les usines chimiques, les mines de charbon, les installations pétrolières et gazières, où les risques d'explosion et la sécurité incendie sont critiques.

Étude de cas réelle : Performance des disjoncteurs à vide vs. à air en cas de défaut

Une grande usine chimique a installé deux disjoncteurs — un disjoncteur à air et un disjoncteur à vide — dans des configurations de circuit identiques et les a soumis aux mêmes conditions de défaut.

Le circuit était une configuration de liaison, où les sources d'énergie de chaque côté du disjoncteur n'étaient pas synchronisées. Cela a entraîné une tension transitoire à travers l'espace de contact approchant deux fois la tension nominale, conduisant à la défaillance du disjoncteur.

Résultats :

• Disjoncteur à air :
  A subi une destruction complète. Le boîtier du disjoncteur s'est rompu, et le matériel de commutation adjacent de chaque côté a été gravement endommagé. Une reconstruction et un remplacement extensifs ont été nécessaires.

• Disjoncteur à vide :
  La défaillance a été beaucoup moins violente. Après le remplacement de l'interrupteur sous vide et le nettoyage des produits d'arc (suie) du disjoncteur et du compartiment, le matériel de commutation a pu être rapidement remis en service.

Conclusion

Les disjoncteurs à vide démontrent une meilleure maîtrise des défauts, une sécurité et une fiabilité supérieures par rapport aux disjoncteurs à air, surtout en cas de surtensions transitoires sévères. Leurs interrupteurs sous vide scellés empêchent la propagation de l'arc, minimisant les dommages et les temps d'arrêt.

Dans les environnements explosifs ou inflammables tels que les usines chimiques et les mines de charbon, l'opération sans arc et la performance robuste des disjoncteurs à vide offrent un avantage technologique et de sécurité clair.