Un article pour comprendre les étapes de séparation des contacts d'un disjoncteur à vide

Étapes de séparation des contacts d'un disjoncteur à vide : Initiation de l'arc, extinction de l'arc et oscillation

Étape 1 : Ouverture initiale (phase d'initiation de l'arc, 0–3 mm)
La théorie moderne confirme que la phase initiale de séparation des contacts (0–3 mm) est cruciale pour la performance d'interruption des disjoncteurs à vide. Au début de la séparation des contacts, le courant de l'arc passe toujours d'un mode restreint à un mode diffus—plus cette transition est rapide, meilleure est la performance d'interruption.

Trois mesures peuvent accélérer la transition d'un arc restreint à un arc diffus :

• Réduire la masse des composants mobiles : au cours du développement des disjoncteurs à vide, réduire la masse de la pince conductrice aide à diminuer l'inertie des parties mobiles. Des tests comparatifs montrent que cette approche améliore la vitesse d'ouverture initiale dans diverses mesures.

• Augmenter la force du ressort d'ouverture, en s'assurant qu'elle devient effective pendant la phase d'ouverture initiale (0–3 mm).

• Minimiser le déplacement de compression des contacts (idéalement 2–3 mm), permettant au ressort d'ouverture d'intervenir dans le processus de séparation dès que possible.

Les disjoncteurs traditionnels utilisent généralement un design de contact à emboîtement. Sous un courant de court-circuit, les forces électromagnétiques provoquent une prise serrée des contacts doigt sur la tige conductrice, entraînant une force nulle dans la direction du mouvement. En revanche, les disjoncteurs à vide utilisent une interface de contact plane. Lorsqu'un courant de court-circuit se produit, la forte force électromagnétique agit comme une force répulsive sur les contacts.

Cela signifie que la séparation des contacts n'a pas besoin d'attendre la libération complète du ressort de compression des contacts—la séparation se produit presque simultanément avec le mouvement de l'arbre principal (avec un retard négligeable ou minimal). Par conséquent, avec un déplacement de compression minimal, le ressort d'ouverture peut agir plus tôt, améliorant ainsi la vitesse d'ouverture initiale. Puisque la force motrice initiale dans cette phase est la répulsion électromagnétique, la masse à minimiser inclut tous les composants mobiles. Ainsi, des conceptions structurelles telles que des mécanismes de type divisé ou assemblés—impliquant souvent des liaisons longues et nombreuses—ne sont pas adaptées aux disjoncteurs à vide, car elles entravent l'atteinte de hautes vitesses d'ouverture initiales.

Étape 2 : Extinction de l'arc (3–8 mm)
Lorsque les contacts se séparent à 3–4 mm, la transition de l'arc vers un mode diffus est généralement complète—c'est la fenêtre optimale pour l'extinction de l'arc. De nombreux tests ont confirmé que l'écart d'arc idéal pour l'interruption est de 3–4 mm. Si le zéro de courant se produit à ce point, la densité de vapeur métallique décroît rapidement, et la résistance diélectrique à travers l'écart se rétablit rapidement, aboutissant à une interruption réussie. La force motrice dans cette deuxième étape est le ressort d'ouverture.

Dans un système triphasé, si l'extinction de l'arc se produit au premier zéro de courant, le temps d'arc est d'environ 3 ms (en supposant que les contacts se séparent à mi-chemin entre deux zéros de courant, auquel moment l'écart est suffisamment grand). Pour atteindre l'extinction à un écart de 3–4 mm, la vitesse moyenne d'ouverture pendant cette phase devrait être de 0,8 à 1,1 m/s. Converti en mesure courante de 6 mm, la vitesse moyenne d'ouverture équivalente est d'environ 1,1 à 1,3 m/s—une plage largement adoptée par les disjoncteurs à vide dans le monde entier. Cependant, ces données sont obtenues à partir de tests de fonctionnement mécanique sous charge nulle. Pendant l'interruption de forts courants, la vitesse d'ouverture réelle est significativement plus élevée en raison de la force répulsive électromagnétique supplémentaire contribuant au mouvement des contacts. Ainsi, dans le même laps de temps, le contact mobile peut parcourir 6–8 mm.

Pour minimiser le temps d'arc, des mesures d'amortissement spéciales doivent être appliquées lors de la deuxième étape pour réduire rapidement la vitesse de la tige conductrice. Le moment d'engagement du tampon d'huile doit être soigneusement contrôlé. La première étape nécessite une séparation rapide, mais le ressort d'ouverture n'est pas encore pleinement engagé. Dans la deuxième étape, la vitesse doit être réduite—le ressort d'ouverture ne doit pas être trop puissant, sinon il empêchera la réduction de la vitesse, prolongera le temps d'arc et compliquera la troisième étape.

Étape 3 : Oscillation (8–11 mm)
En raison de l'écart de contact réduit et de la courte durée d'ouverture des disjoncteurs à vide, les contacts en mouvement doivent être arrêtés dans un temps extrêmement court. Quel que soit le mode d'amortissement utilisé, le taux de changement de vitesse reste élevé, rendant inévitable un choc mécanique fort. Les vibrations résiduelles persistent généralement pendant environ 30 ms. Actuellement, les disjoncteurs à vide, tant nationaux qu'internationaux, prennent environ 10–12 ms pour que le contact mobile se sépare et entre dans la zone de vibration, tandis que la durée de l'arc est généralement de 12–15 ms. Il est clair que la surface de contact localement fondue commence à refroidir et à se solidifier seulement après être entrée dans la zone de vibration. Cette intense vibration éclabousse inévitablement le métal fondu, formant des saillies aiguisées sur la surface de contact et laissant des particules métalliques suspendues entre les contacts—des facteurs externes clés contribuant aux reprises. Ces défauts de conception ne sont souvent pas pleinement révélés lors des essais de type limités, conduisant à une insuffisance de conscience de ce problème pendant longtemps.

Conclusion
Les concepteurs de disjoncteurs à vide doivent prêter une attention particulière à l'ensemble du processus de séparation des contacts. Les stratégies clés comprennent : la réduction de la masse mobile, l'augmentation de la vitesse d'ouverture initiale, la réduction rapide de la vitesse lors de la deuxième étape, et la minimisation du temps d'arc afin que l'arc s'éteigne avant que les contacts n'entrent dans la zone de vibration. Cela fournit un temps de refroidissement suffisant pour la surface de contact et réduit l'intensité des vibrations. Un profil de séparation bien conçu, aligné sur ces principes mécaniques et électriques, améliore considérablement la durée de vie mécanique et électrique, augmentant ainsi la fiabilité et les performances globales.