Comment choisir correctement les disjoncteurs à vide ?
01 Préface
Dans les systèmes à moyenne tension, les disjoncteurs sont des composants primaires indispensables. Les disjoncteurs à vide dominent le marché intérieur. Par conséquent, une conception électrique correcte est indissociable de la sélection appropriée des disjoncteurs à vide. Dans cette section, nous discuterons de la façon de choisir correctement les disjoncteurs à vide et des idées reçues courantes dans leur sélection.
02 La capacité d'interception du courant de court-circuit n'a pas besoin d'être excessivement élevée
La capacité d'interception de court-circuit d'un disjoncteur n'a pas besoin d'être excessivement élevée, mais elle doit avoir une marge pour s'adapter à l'expansion future de la capacité du réseau qui peut entraîner une augmentation des courants de court-circuit. Cependant, dans la conception électrique réelle, la capacité d'interception des disjoncteurs sélectionnés est souvent trop élevée.
Par exemple, dans les postes de transformation des utilisateurs finaux au sein des systèmes 10kV, le courant de court-circuit de la barre est généralement autour de 10kA, et dans les systèmes de plus grande capacité, il peut atteindre jusqu'à 16kA. Pourtant, dans les plans de conception électrique, la capacité d'interception des disjoncteurs à vide est fréquemment spécifiée aussi haute que 31.5kA, voire 40kA. Une telle capacité d'interception élevée entraîne un investissement gaspillé. Dans les cas mentionnés ci-dessus, une capacité d'interception de 20kA ou 25kA serait suffisante. Actuellement, cependant, les disjoncteurs à vide avec une capacité d'interception de 31.5kA sont en forte demande et produites en masse, ce qui conduit à une réduction des coûts de fabrication et des prix, devenant ainsi plus largement adoptés.
Dans la conception électrique, les courants de court-circuit calculés sont généralement du côté élevé. La raison en est que l'impédance du système et la résistance de contact dans la boucle de circuit sont souvent négligées lors du calcul. Bien sûr, la capacité d'interception des disjoncteurs doit être choisie en fonction du courant de court-circuit maximum possible. Cependant, la valeur de réglage de la protection contre les courts-circuits ne devrait pas être basée sur le courant de court-circuit maximum.
Cela est dû au fait qu'il y a souvent des arcs pendant les courts-circuits, et la résistance des arcs est très élevée. Dans les calculs de conception, les courts-circuits sont traités comme des courts-circuits triphasés purement métalliques, supposant qu'il n'y a ni arc ni résistance de contact. Dans les statistiques de défaillances réelles, plus de 80% des courts-circuits sont monophasés, et des arcs sont presque toujours présents lors des événements de court-circuit. Par conséquent, le courant de court-circuit réel est beaucoup plus faible que la valeur calculée idéale.
Si la valeur de réglage de la protection est trop élevée, cela réduit la sensibilité de la protection ou cause un échec de la protection instantanée. En pratique, le problème n'est souvent pas que le disjoncteur ne parvient pas à interrompre, mais que l'élément de protection ne se déclenche pas en raison de valeurs de réglage excessives. À noter, les courts-circuits triphasés purement métalliques se produisent rarement—ils ne se produisent que lorsque les câbles de terre ne sont pas retirés après la maintenance avant de fermer le disjoncteur. Cependant, la mise à la terre est généralement effectuée via des interrupteurs de terre ou des chariots de terre, et des fonctions d'interverrouillage sont en place, rendant les courts-circuits purement métalliques extrêmement improbables.
Dans les plans de construction électrique, il est courant de voir la capacité d'interception du disjoncteur principal entrant spécifiée un niveau plus élevé que celle des disjoncteurs de distribution. Ceci est inutile. Le disjoncteur principal gère les défauts de court-circuit de la barre, tandis que les disjoncteurs de distribution gèrent les défauts de leurs circuits respectifs. Cependant, près du côté charge d'un disjoncteur de distribution, en raison de sa proximité avec la barre, le courant de court-circuit n'est pas significativement différent du courant de court-circuit de la barre. Par conséquent, les capacités d'interception du disjoncteur principal et des disjoncteurs de distribution devraient être les mêmes.
03 Les exigences de durée de vie électrique et mécanique n'ont pas besoin d'être excessivement élevées
La durée de vie électrique mentionnée ici ne fait pas référence au nombre de fois où un disjoncteur peut ouvrir et fermer sous un courant nominal ou partiel à intervalles spécifiés, mais plutôt au nombre de fois où il peut interrompre le courant de court-circuit sans nécessiter de maintenance. Il n'existe pas de norme nationale pour ce nombre. Généralement, les fabricants conçoivent pour 30 interruptions de ce type. Certains produits de fabricants peuvent gérer 50. Dans les documents d'appel d'offres pour les projets d'utilisateurs, il est courant de voir des exigences excessivement élevées pour le nombre d'interruptions de court-circuit. Par exemple, un document d'appel d'offres a exigé qu'un disjoncteur à vide de protection de ligne 12kV interrompe le courant de court-circuit nominal 100 fois, avec une durée de vie mécanique de 100 000 opérations et une interruption de courant nominal de 20 000 fois—ces exigences sont irrationnelles.
Des nombres excessivement élevés d'interruptions de court-circuit sont inutiles. Un défaut de court-circuit est un incident électrique majeur. Chaque occurrence doit être traitée comme un accident grave nécessitant une analyse des causes racines et des mesures correctives pour prévenir la récurrence. Par conséquent, au cours de la durée de vie effective d'un disjoncteur, il n'interrompra que quelques fois des défauts de court-circuit. Plus la tension du système est élevée, plus les dommages causés par les courts-circuits sont importants, mais moins la probabilité de survenue est élevée. Ainsi, un disjoncteur à moyenne tension capable d'interrompre 30 défauts de court-circuit est suffisant. Les tests de type pour l'interruption de court-circuit sont coûteux. Pour un disjoncteur à vide de 12kV, chaque test d'interruption de court-circuit coûte actuellement environ 10 000 RMB. Effectuer des tests excessifs entraîne des coûts élevés et est inutile.
Un nombre plus élevé d'interruptions réussies signifie-t-il une meilleure capacité d'interception ? C'est une autre idée reçue courante. La clé des tests d'interruption de court-circuit de disjoncteurs à vide réside dans les dix premières opérations. Tant que le disjoncteur interrompt avec succès le courant spécifié dans les dix premiers tests, ses performances ultérieures sont généralement fiables. Les données statistiques des tests de type montrent que la probabilité de défaillance est la plus élevée lors des dix premières interruptions et diminue progressivement à mesure que le nombre d'interruptions augmente. Après 30 interruptions, la probabilité de défaillance lors des tests ultérieurs est presque nulle. Par conséquent, être capable d'interrompre 30 fois ne signifie pas qu'il ne peut pas interrompre 50—cela signifie simplement qu'il n'est pas nécessaire de poursuivre les tests.
En ce qui concerne la durée de vie mécanique des disjoncteurs à vide, il n'est pas nécessaire d'avoir des exigences excessivement élevées. La classe M1 est initialement d'au moins 2 000 opérations, et la classe M2 est seulement de 10 000. Maintenant, les fabricants se disputent la durée de vie mécanique—l'un affirme 25 000, l'autre 100 000. Dans les processus d'appel d'offres, les participants comparent les valeurs de durée de vie mécanique, ce qui est sans signification pour les disjoncteurs à vide utilisés en distribution. Cependant, dans des applications spécifiques telles que le commutation fréquente de moteurs, de fours à arc, ou de circuits de compensation automatique de condensateurs, les contacteurs à vide sont plus adaptés (les disjoncteurs SF6 sont couramment utilisés pour le commutation de bancs de condensateurs à moyenne tension). Les contacteurs ont des durées de vie mécaniques et électriques dépassant un million d'opérations (leur durée de vie électrique est mesurée par l'interruption de courant nominal, pas de courant de court-circuit). Il n'est pas nécessaire de rivaliser sur la durée de vie mécanique des disjoncteurs.
04 Exigences excessives pour d'autres paramètres électriques
Le courant de tenue à court terme d'un disjoncteur fait référence à sa capacité à résister à la contrainte thermique du courant de court-circuit lors d'un défaut. Ceci n'est pas la même chose que la montée en température. Les tests de montée en température impliquent de passer un courant nominal ou spécifié à travers le disjoncteur pendant une longue période et de s'assurer que la montée en température à différents points ne dépasse pas les limites spécifiées. Le courant de tenue à court terme d'un disjoncteur est généralement testé pendant 3 secondes.
Au cours de cette période, la chaleur générée par le courant de court-circuit ne doit pas endommager le disjoncteur. Une capacité de tenue thermique de 3 secondes est suffisante. La raison en est qu'après l'occurrence d'un court-circuit, la protection graduelle en temps peut impliquer un retard intentionnel pour assurer la sélectivité. Pour la protection basée sur le temps, un retard de 0,5 seconde entre les disjoncteurs adjacents assure la sélectivité. Si les disjoncteurs diffèrent de deux niveaux, le retard de déclenchement est de 1 seconde ; si trois niveaux, 1,5 seconde. Une capacité de tenue de 3 secondes est déjà suffisante. Cependant, certains utilisateurs ou concepteurs insistent sur une capacité de tenue thermique de 5 secondes, ce qui est vraiment inutile.
Lors du processus de fermeture d'un disjoncteur, les contacts mobiles et fixes peuvent rebondir. Si le temps de rebond est trop long ou l'asynchronisme de fermeture triphasée est important, des ruptures et des restrikes peuvent se produire entre les contacts. Le restrike provoque un processus de charge-décharge dans le circuit, augmentant la raideur et l'amplitude de la surtension. Cette surtension est connue sous le nom de surtension de restrike des contacts.
Son danger peut même dépasser la surtension de coupure de courant des disjoncteurs à vide, menaçant l'isolation tour à tour des transformateurs et des moteurs. Par conséquent, le temps de rebond des contacts et l'asynchronisme triphasée ne doivent pas dépasser 2 ms. Les paramètres actuels des disjoncteurs sont fabriqués pour répondre à cette exigence. Cependant, certains utilisateurs exigent des valeurs inférieures à 2 ms, exigeant même qu'elles ne dépassent pas 1 ms, ce qui dépasse les capacités techniques actuelles.
05 Problèmes négatifs causés par un courant nominal de démarrage excessivement élevé des interrupteurs à vide
Le courant nominal de démarrage pour les interrupteurs à vide à moyenne tension est de 630A. Actuellement, certains fabricants ne produisent plus de versions 630A, et le courant nominal de démarrage minimum a augmenté à 1250A. Cela est lié à la fabrication des interrupteurs à vide. Cependant, cela entraîne une série de conséquences négatives. Parce que le courant nominal de démarrage des interrupteurs à vide est trop élevé, les disjoncteurs à vide assemblés avec ces interrupteurs doivent correspondre au calibre de courant de l'interrupteur.
Par conséquent, tous les composants associés—comme les pôles, les contacts pluggables sur les pôles, et les contacts fixes dans les tableaux de distribution—doivent également correspondre au calibre de courant de l'interrupteur. Cela conduit à un gaspillage sévère de matériaux non ferreux dans la plupart des cas. Par exemple, un disjoncteur à vide 12kV peut alimenter un transformateur de 1000kVA, dont le courant nominal du côté 10kV n'est que de 57,7A. Cependant, puisque l'interrupteur à vide démarre à 1250A, le disjoncteur doit être classé à 1250A. Par conséquent, tous les accessoires du disjoncteur doivent avoir un courant nominal d'au moins 1250A, et les contacts fixes dans le tableau de distribution doivent également avoir un courant nominal d'au moins 1250A, entraînant un gaspillage significatif de métaux non ferreux.
Pire encore, les utilisateurs ou les concepteurs insistent sur le fait que la capacité de transport de courant des conducteurs principaux dans le tableau de distribution doit correspondre à celle du disjoncteur—c'est-à-dire que la capacité de transport de courant du conducteur est conçue pour 1250A. En réalité, une capacité de 60A est suffisante, et tant que la section minimale du conducteur de circuit passe les vérifications de stabilité dynamique et thermique, il y a une marge considérable pour économiser les matériaux.
