Interrupteurs à disjoncteur sous vide pour le commutation de bancs de condensateurs

Compensation de la puissance réactive et commutation des condensateurs dans les systèmes électriques

La compensation de la puissance réactive est un moyen efficace d'augmenter la tension de fonctionnement du système, de réduire les pertes réseau et d'améliorer la stabilité du système.

Charges conventionnelles dans les systèmes électriques (types d'impédance) :

• Résistance

• Réactance inductive

• Réactance capacitive

Courant d'inrush lors de l'énergisation des condensateurs

Dans le fonctionnement des systèmes électriques, les condensateurs sont commutés pour améliorer le facteur de puissance. Au moment de la fermeture, un grand courant d'inrush est généré. Cela se produit car, lors de la première énergisation, le condensateur n'est pas chargé, et le courant qui y pénètre est limité uniquement par l'impédance de boucle. Étant donné que la condition du circuit est proche d'un court-circuit et que l'impédance de boucle est très faible, un grand courant transitoire d'inrush s'écoule vers le condensateur. Le pic de courant d'inrush se produit à l'instant de la fermeture.

Si le condensateur est ré-énergisé peu de temps après sa déconnexion sans décharge suffisante, le courant d'inrush résultant peut être jusqu'à deux fois celui de l'énergisation initiale. Cela se produit lorsque le condensateur conserve encore une charge résiduelle, et que la re-fermeture se produit au moment où la tension du système est égale en magnitude mais opposée en polarité à la tension résiduelle du condensateur, entraînant une grande différence de tension et donc un fort courant d'inrush.

Problèmes clés dans la commutation des condensateurs

• Réallumage

• Ré-étincellement

• NSDD (Décharge Destructive Non Soutenue)

Le réallumage est autorisé lors des tests de commutation de courant capacitif. Les disjoncteurs sont classés en deux catégories en fonction de leurs performances de ré-étincellement :

• Classe C1 : Vérifié par des essais de type spécifiques (6.111.9.2), présentant une faible probabilité de ré-étincellement lors de la commutation de courant capacitif.

• Classe C2 : Vérifié par des essais de type spécifiques (6.111.9.1), présentant une très faible probabilité de ré-étincellement, adapté aux commutations fréquentes et à forte demande de bancs de condensateurs.

Amélioration du taux de réussite des disjoncteurs à vide pour la commutation des condensateurs

1. Renforcer la résistance diélectrique des interrupteurs à vide

L'interrupteur à vide est le cœur d'un disjoncteur à vide et joue un rôle crucial dans la commutation réussie des condensateurs. Les fabricants doivent optimiser la conception et les matériaux pour atteindre :

• Une distribution uniforme du champ électrique

• Une haute résistance à la soudure

• Un niveau de coupure de courant plus faible

Les améliorations structurelles et matérielles sont essentielles pour assurer une interruption fiable.

2. Contrôler le processus de fabrication des interrupteurs à vide

• Minimiser et éliminer les bavures lors de l'usinage des pièces métalliques ; améliorer la finition de surface et la propreté.

• Effectuer un nettoyage ultrasonique des composants avant l'assemblage pour éliminer les micro-particules.

• Contrôler l'humidité et les particules en suspension dans la salle d'assemblage.

• Réduire le temps de stockage des composants de contact et assembler rapidement pour minimiser l'oxydation et la contamination.

3. Améliorer la conception et la qualité d'assemblage du disjoncteur

Assurer que les caractéristiques mécaniques sont dans des plages optimales :

• Alignement et installation verticale des tiges conductrices pour éviter les contraintes.

• Énergie de sortie correcte du mécanisme de commande.

• Vitesses de fermeture et d'ouverture dans des limites acceptables.

• Minimiser le rebond à la fermeture et le rebond à l'ouverture.

• Contrôle strict de la qualité des composants et de la précision de l'assemblage.

4. Opération à vide et rodage (burn-in)

Après l'assemblage, effectuer 300 opérations à vide pour stabiliser les caractéristiques mécaniques. Effectuer un rodage sous tension et à haut courant sur l'interrupteur complet pour éliminer les protubérances microscopiques et réduire le taux de réallumage lors de la commutation des condensateurs.

Le rodage parallèle des condensateurs peut rapidement améliorer la résistance diélectrique du produit.

5. Optimiser la vitesse d'ouverture

Après l'interruption, l'écart des contacts d'un disjoncteur à vide doit supporter deux fois la tension du système (2×Um) pendant jusqu'à 13 ms. Les contacts doivent atteindre une distance ouverte sûre dans ce laps de temps. Par conséquent, la vitesse d'ouverture doit être suffisante — en particulier pour les disjoncteurs de 40,5 kV.

6. Rodage (vieillissement) des interrupteurs à vide

• Méthodes à faible effet : le rodage haute tension/bas courant, basse tension/haut courant, ou par impulsion de tension a un effet limité pour réduire le réallumage lors de la commutation des condensateurs.

• Méthode efficace : le rodage haute tension et haut courant monophasé peut considérablement améliorer les performances.

• Le rodage par circuit d'essai synthétique est également utilisé pour simuler les conditions réelles de commutation des condensateurs.

Pour les applications générales, un rodage standard est appliqué. Cependant, pour les tâches de commutation des condensateurs, un rodage spécial est nécessaire pour améliorer les performances électriques et la capacité initiale d'interruption.

Paramètres de rodage :

• Rodage de courant :
  3 kA à 10 kA, demi-onde de 200 ms, 12 impulsions par polarité (positive et négative).

• Rodage de pression :

• Pression statique (pour les contacts à champ magnétique axial) : appliquer 15–30 kN pendant 10 secondes.

• Rodage de fermeture/ouverture (pour les contacts à champ magnétique transversal) : effectuer des opérations de fermeture et d'ouverture sur un banc d'essai simulant le mouvement réel du disjoncteur.

• Rodage de tension :
  Appliquer une tension AC de 50 Hz largement supérieure à la tension nominale (par exemple, 110 kV pour un interrupteur de 12 kV) pendant 1 minute.

Paramètres d'essai pour la commutation des condensateurs

• GB/T 1984 : Bancs de condensateurs face à face, courant d'inrush 20 kA, fréquence 4250 Hz.

• IEC 62271-100 / Normes ANSI :

• Commutation de bancs de condensateurs : courant 600 A, inrush 15 kA, fréquence 2000 Hz

• Commutation de courant 1000 A, inrush 15 kA, fréquence 1270 Hz

• ANSI permet jusqu'à 1600 A pour la commutation des condensateurs.

Après un rodage approprié, un disjoncteur à vide de 12 kV peut généralement passer :

• 400 A de commutation de bancs de condensateurs face à face

• 630 A de commutation de bancs de condensateurs individuels

Cependant, pour les systèmes de 40,5 kV, ceci est extrêmement difficile. Les solutions courantes incluent :

• Utiliser des disjoncteurs SF₆ avec des caractéristiques d'interruption plus douces

• Utiliser des disjoncteurs à double interruption à vide, où deux interrupteurs sont connectés en série. Cela améliore considérablement la force de récupération diélectrique, permettant de dépasser le taux de montée de la surtension transitoire lors de la commutation des condensateurs, permettant ainsi une extinction d'arc réussie.