Un article pour comprendre comment sélectionner les paramètres mécaniques des disjoncteurs à vide

1. Espacement nominal des contacts

Lorsqu'un disjoncteur sous vide est en position ouverte, la distance entre les contacts mobiles et fixes à l'intérieur de l'interupteur sous vide est appelée espacement nominal des contacts. Ce paramètre est influencé par plusieurs facteurs, y compris la tension nominale du disjoncteur, les conditions de fonctionnement, la nature du courant d'interception, le matériau des contacts et la résistance diélectrique de l'espace sous vide. Il dépend principalement de la tension nominale et du matériau des contacts.

L'espacement nominal des contacts affecte considérablement les performances d'isolement. À mesure que l'espacement augmente à partir de zéro, la résistance diélectrique s'améliore. Cependant, au-delà d'un certain point, une augmentation supplémentaire de l'espacement n'apporte que des avantages marginaux en termes de performance d'isolement et peut réduire sérieusement la durée de vie mécanique de l'interupteur.

Sur la base de l'expérience d'installation, de fonctionnement et de maintenance, les plages typiques d'espacement nominal des contacts sont :

• 6 kV et moins : 4–8 mm

• 10 kV et moins : 8–12 mm

• 35 kV : 20–40 mm

2. Course des contacts (surcourse)

La course des contacts doit être choisie de manière à assurer une pression de contact suffisante même après l'usure des contacts. Elle fournit également à l'contact mobile une énergie cinétique initiale lors de l'ouverture, augmentant ainsi la vitesse d'ouverture initiale pour briser les joints soudés, réduire le temps d'arc et accélérer la récupération diélectrique. Lors de la fermeture, elle permet au ressort de contact de fournir un amortissement en douceur, minimisant le rebond des contacts.

Si la course des contacts est trop petite :

• Pression de contact insuffisante après usure

• Vitesse d'ouverture initiale faible, affectant la capacité de coupure et la stabilité thermique

• Rebond et vibration sévères lors de la fermeture

Si la course des contacts est trop grande :

• Énergie de fermeture requise accrue

• Fiabilité de l'opération de fermeture réduite

Généralement, la course des contacts représente 20% à 40% de l'espacement nominal des contacts. Pour les disjoncteurs sous vide de 10 kV, cela est généralement de 3 à 4 mm.

3. Pression de fonctionnement des contacts

La pression de fonctionnement des contacts d'un disjoncteur sous vide a un impact significatif sur les performances. C'est la somme de la force de fermeture intrinsèque de l'interupteur sous vide et de la force du ressort de contact. Le choix approprié doit répondre à quatre exigences :

• Maintenir la résistance de contact dans les limites spécifiées

• Satisfaire aux exigences des tests de stabilité dynamique

• Réduire le rebond de fermeture

• Réduire la vibration d'ouverture

La fermeture sous un courant de court-circuit est la condition la plus exigeante : les courants pré-arc génèrent une répulsion électromagnétique, provoquant un rebond des contacts, tandis que la vitesse de fermeture est à son minimum. Cette situation teste de manière critique si la pression de contact est suffisante.

Si la pression de contact est trop faible :

• Temps de rebond de fermeture accru

• Résistance du circuit principal plus élevée, entraînant une élévation excessive de température en fonctionnement continu

Si la pression de contact est trop élevée :

• Force de ressort accrue (puisque la force de fermeture intrinsèque est constante)

• Exigence d'énergie de fermeture plus élevée

• Impact et vibration plus importants sur l'interupteur sous vide, risquant d'endommager celui-ci

En pratique, la force électromagnétique des contacts dépend non seulement du courant de court-circuit maximal, mais aussi de la structure, de la taille, de la dureté et de la vitesse d'ouverture des contacts. Une approche globale est essentielle.

Données empiriques pour la pression de contact en fonction du courant d'interception :

• 12,5 kA : 50 kg

• 16 kA : 70 kg

• 20 kA : 90–120 kg

• 31,5 kA : 140–180 kg

• 40 kA : 230–250 kg

4. Vitesse d'ouverture

La vitesse d'ouverture affecte directement la vitesse de récupération de la résistance diélectrique après le passage à zéro du courant. Si la récupération de la résistance diélectrique est plus lente que la montée en tension de récupération, un ré-allumage de l'arc peut se produire. Pour prévenir le ré-allumage et minimiser le temps d'arc, une vitesse d'ouverture adéquate est essentielle.

La vitesse d'ouverture dépend principalement de la tension nominale. Pour une tension et un espacement de contact fixés, la vitesse requise varie en fonction du courant d'interception, du type de charge et de la tension de récupération. Les courants d'interception plus élevés et les courants capacitifs (avec une tension de récupération élevée) nécessitent des vitesses d'ouverture plus élevées.

Vitesse d'ouverture typique pour les disjoncteurs sous vide de 10 kV : 0,8–1,2 m/s, parfois supérieure à 1,5 m/s.

En pratique, la vitesse d'ouverture initiale (mesurée sur les premiers millimètres) a un impact plus important sur les performances de coupure que la vitesse moyenne. Les disjoncteurs de haute performance et de 35 kV spécifient souvent cette vitesse initiale.

Bien qu'une vitesse plus élevée semble bénéfique, une vitesse excessive augmente la vibration d'ouverture et la surcourse, intensifiant la contrainte sur les soufflets et conduisant à une fatigue prématurée et à des fuites. Elle augmente également la contrainte mécanique sur le mécanisme, risquant la défaillance des composants.

5. Vitesse de fermeture

En raison de la forte résistance diélectrique statique des interupteurs sous vide à l'espacement nominal, la vitesse de fermeture requise est nettement inférieure à la vitesse d'ouverture. Une vitesse de fermeture adéquate est nécessaire pour minimiser l'érosion électrique pré-arc et empêcher la soudure des contacts. Cependant, une vitesse de fermeture excessive augmente l'énergie de fermeture et soumet l'interupteur à un impact plus important, réduisant sa durée de vie.

Vitesse de fermeture typique pour les disjoncteurs sous vide de 10 kV : 0,4–0,7 m/s, pouvant atteindre 0,8–1,2 m/s si nécessaire.

6. Temps de rebond de fermeture

Le temps de rebond de fermeture est un indicateur clé des performances des disjoncteurs sous vide. Il est influencé par la pression de contact, la vitesse de fermeture, l'espacement des contacts, le matériau des contacts, la conception de l'interupteur, la structure du disjoncteur et la qualité de l'installation/ajustement.

Un temps de rebond plus court indique de meilleures performances. Un rebond excessif cause une érosion électrique sévère, augmente le risque de surtension et peut conduire à la soudure des contacts lors des opérations de court-circuit ou de commutation de condensateurs, ainsi que lors des tests de stabilité thermique. Un rebond prolongé accélère également la fatigue des soufflets.

Pour les disjoncteurs sous vide de 10 kV avec des contacts en cuivre-chrome, le temps de rebond de fermeture ne doit pas dépasser 2 ms. Pour d'autres matériaux, il peut être légèrement plus élevé, mais ne doit pas dépasser 5 ms.

7. Synchronisation des trois pôles

La synchronisation des trois pôles mesure le degré de simultanéité de la fermeture ou de l'ouverture des trois pôles. Puisque les valeurs de synchronisation d'ouverture et de fermeture sont similaires, seule la synchronisation de fermeture est généralement spécifiée.

Une mauvaise synchronisation affecte gravement la capacité de coupure et allonge le temps d'arc. En raison des vitesses de fonctionnement rapides et des petits espacements, un ajustement précis peut facilement répondre aux exigences. La synchronisation de fermeture est généralement requise pour être inférieure à 1 ms.

8. Alignement des contacts mobiles et fixes (coaxialité)

Un alignement coaxial correct des contacts mobiles et fixes est crucial pour les performances de l'interupteur sous vide et est assuré par la précision de fabrication. Que cet alignement soit maintenu après l'installation dépend du type de mécanisme de fonctionnement et du processus d'assemblage.

Pour les mécanismes suspendus, l'alignement est principalement déterminé par le mécanisme lui-même. Pour les types au sol, l'alignement mécanique est également important. Lors de l'installation, évitez d'appliquer des forces de cisaillement ou latérales à l'interupteur.

Tolérance de coaxialité typique : ≤2 mm.