Que se passe-t-il lorsque l'interrupteur à vide perd son vide? Résultats réels des tests révélés

Qu'arrive-t-il lorsque l'interrupteur à vide perd son vide ?

Si un interrupteur à vide perd son vide, les scénarios opérationnels suivants doivent être pris en compte :

• Ouverture des contacts

• Opération de fermeture

• Fermé et fonctionnant normalement

• Ouverture et interruption d'un courant normal

• Ouverture et interruption d'un courant de défaut

Les cas a, b et c sont relativement simples. Dans ces situations, le système n'est généralement pas affecté par la perte de vide.

Cependant, les cas d et e nécessitent une discussion plus approfondie.

Supposons qu'un disjoncteur à vide triphasé perde son vide sur une phase. Si la charge alimentée par le disjoncteur défectueux est une charge connectée en triangle (non mise à la terre), les opérations de commutation ne conduiront pas à une panne. En substance, rien ne se passe. Les deux phases saines (par exemple, la phase 1 et la phase 2) interrompent avec succès le circuit, et le courant dans la phase défectueuse (phase 3) cesse naturellement.

Une situation différente se présente avec les charges mises à la terre. Dans ce cas, l'interruption par les deux phases saines ne stoppe pas le flux de courant dans la phase défectueuse. Un arc persiste dans la phase 3 sans rien pour l'éteindre, et ce courant continue jusqu'à ce que la protection de secours intervienne. Le résultat est généralement une dégradation catastrophique du disjoncteur.

Comme les disjoncteurs à vide dans la plage de 3 à 15 kV sont principalement utilisés dans des systèmes mis à la terre, nous avons étudié les effets d'un interrupteur défectueux dans notre laboratoire d'essai il y a des années. Nous avons délibérément exposé un interrupteur à vide à la pression atmosphérique (« aplati ») puis soumis le disjoncteur à un test complet d'interruption de court-circuit.

Comme prévu, l'interrupteur « aplati » n'a pas réussi à éliminer le défaut dans la phase affectée et a été détruit. Le disjoncteur de secours du laboratoire a réussi à éliminer le défaut.

Après le test, le disjoncteur a été retiré de la cellule de distribution. Il était fortement encrassé mais mécaniquement intact. La fumée et la suie ont été nettoyées du disjoncteur et de la distribution, l'unité défectueuse a été remplacée, et le disjoncteur a été réinséré dans la cellule. Plus tard le même jour, un autre test de court-circuit a été effectué avec succès. Des années d'expérience sur le terrain ont confirmé les résultats de ces tests en laboratoire.

L'un de nos clients, une grande entreprise chimique, a connu des pannes isolées sur des configurations de circuits similaires (un avec un disjoncteur à air-magnétique, un avec un disjoncteur à vide) dans deux installations différentes dans différents pays. Tous partageaient une configuration de circuit commune et un mode de panne commun : un circuit de liaison où les sources d'alimentation de chaque côté du disjoncteur étaient hors synchronisme, appliquant presque deux fois la tension nominale à travers l'écart de contact. Cela a causé la panne du disjoncteur.

Ces pannes résultaient de conditions d'utilisation violant les directives ANSI/IEEE et dépassant largement les limites de conception du disjoncteur. Elles n'indiquent pas un défaut de conception. Cependant, l'étendue des dommages est instructive :

• Dans le cas du disjoncteur à air-magnétique, l'enveloppe de l'unité a éclaté violemment. Les cellules de distribution adjacentes des deux côtés ont subi des dommages importants, nécessitant une reconstruction majeure. Le disjoncteur a été une perte totale.

• Dans le cas du disjoncteur à vide, la panne a été significativement moins violente. L'interrupteur à vide défectueux a été remplacé, les sous-produits de l'arc (suie) ont été nettoyés du disjoncteur et de la cellule, et le système a été remis en service.

Nos tests en laboratoire approfondis, où nous poussons régulièrement les interrupteurs à vide à leurs limites, confirment ces résultats réels.

Récemment, plusieurs tests de haute puissance ont été effectués dans notre laboratoire pour évaluer les tentatives d'interruption à l'aide d'interrupteurs à vide « fuyards ». Un petit trou (environ 3 mm de diamètre) a été percé dans le boîtier de l'interrupteur pour simuler la perte de vide. Les résultats étaient révélateurs :

• Un courant normal de 1 310 A (courant continu nominal : 1 250 A) a été interrompu par une phase d'un disjoncteur à vide. Le courant a circulé à travers le disjoncteur « défectueux » pendant 2,06 secondes avant que le disjoncteur de secours du laboratoire n'élimine le défaut. Aucune pièce n'a été éjectée, le disjoncteur n'a pas explosé, et seule la peinture du boîtier de l'interrupteur a cloqué. Aucun autre dommage n'est survenu.

• Une deuxième phase du même disjoncteur a tenté d'interrompre 25 kA (courant de rupture nominal : 25 kA). L'arc a duré 0,60 seconde avant que le disjoncteur du laboratoire n'élimine le défaut. L'arc a brûlé un trou dans le côté du boîtier de l'interrupteur. Aucune explosion ou projection de débris n'a eu lieu. Des particules incandescentes ont été éjectées du trou, mais aucun composant mécanique ni disjoncteur adjacent n'a été endommagé. Tous les dommages ont été confinés à l'interrupteur défectueux.

Ces tests confirment que les conséquences d'une panne d'un interrupteur à vide sont significativement moins graves comparées aux pannes dans d'autres technologies d'interruption.

Mais la vraie question n'est pas qu'arrive-t-il lorsqu'il tombe en panne, mais plutôt quelle est la probabilité qu'il tombe en panne ?

Les taux de défaillance des interrupteurs à vide sont extrêmement faibles. La perte de vide n'est plus une préoccupation majeure.

Au début des années 1960, les interrupteurs à vide étaient sujets aux fuites - c'était un problème majeur. Les premières conceptions utilisaient des joints brasés ou soudés entre des matériaux différents, sans matériau organique. La fabrication artisanale était courante, surtout avec des isolateurs en verre borosilicate, qui ne pouvaient pas supporter des températures élevées.

Aujourd'hui, la soudure mécanisée et le brasage par four à induction en lots sont utilisés avec des contrôles de processus extrêmement stricts. La seule pièce mobile à l'intérieur d'un interrupteur à vide est le contact en cuivre, relié à la plaque de finition via un soufflet en acier inoxydable soudé. Puisque les deux extrémités du soufflet sont soudées, le taux de défaillance de ce joint mobile est exceptionnellement bas - démontrant la haute fiabilité des disjoncteurs à vide modernes.

En fait, le MTTF (Mean Time To Failure) des interrupteurs à vide modernes est maintenant estimé à 57 000 ans.

Les préoccupations des clients concernant la perte de vide étaient justifiées dans les années 1960, lorsque les disjoncteurs à vide étaient nouveaux dans les applications de puissance. À cette époque, les interrupteurs à vide fuyaient souvent, et les problèmes de surtension étaient courants. Seule une entreprise proposait des disjoncteurs à vide, et les rapports indiquaient de nombreux problèmes.

D'ici la mi-années 1970, les interrupteurs à vide développés en Europe - comme les conceptions modernes de Siemens - différaient fondamentalement des modèles des années 1960 en termes de matériaux et de contrôle de processus. Les contacts en cuivre-bismuth étaient plus sensibles aux surtensions que les alliages de chrome-cuivre d'aujourd'hui. Les interrupteurs fabriqués à la main étaient plus sujets aux fuites que les unités fabriquées avec précision d'aujourd'hui.

Aujourd'hui, le contrôle rigoureux des processus et l'automatisation ont éliminé la plupart des variations humaines. En conséquence, les interrupteurs à vide modernes offrent une longue durée de vie, et le stress diélectrique qu'ils imposent au matériel connecté n'est pas pire que celui des disjoncteurs traditionnels à air-magnétique ou à huile.