Schéma de protection des circuits FC pour les systèmes auxiliaires d'alimentation de 3 à 12 kV : Conception, sélection et cas d'application

I. Vue d'ensemble de la solution​
Cette solution vise à fournir un système complet basé sur la combinaison d'un contacteur haute tension sous vide (Contactor) et d'un fusible haute tension limitant le courant (Fuse), collectivement appelé circuit FC. Conçu pour les systèmes moyenne tension allant de 3 à 12 kV, il est particulièrement adapté aux applications nécessitant des opérations fréquentes, une grande fiabilité et un bon rapport coût-efficacité. Dans le circuit FC, le contacteur sous vide gère l'établissement et l'interruption des courants normaux et de surcharge, ainsi que les opérations fréquentes, tandis que le fusible haute tension fournit une protection robuste contre les courts-circuits. Ensemble, ils forment une unité de protection et de commande entièrement fonctionnelle et haute performance.

​II. Caractéristiques des composants clés​
L'avantage majeur du circuit FC réside dans les performances exceptionnelles et la coordination précise de ses deux composants clés.

​​(I) Contactor haute tension sous vide (composant d'opération et d'interruption de surcharge)​​
En tant que cœur opérationnel du circuit, le contacteur sous vide présente les caractéristiques suivantes :

1. ​Structure avancée et principe d'interruption :​​
• Il dispose d'une chambre d'interruption sous vide (niveau de vide jusqu'à 1,33×10⁻⁴ Pa) dont les contacts principaux sont scellés dans un boîtier en céramique. Lors de l'ouverture, les contacts mobiles et fixes se séparent rapidement, profitant de la condensation rapide des vapeurs métalliques au passage par zéro du courant pour éteindre efficacement l'arc et restaurer la résistance diélectrique.
• Équipé d'un mécanisme de déclenchement couplé qui assure le déclenchement en cas de fusion d'une phase du fusible, empêchant le fonctionnement en absence de phase, et inclut une fonction de prévention de la fermeture incorrecte lorsque les fusibles ne sont pas installés.
• Courant de coupure extrêmement faible (≤0,5 A), supprimant efficacement les surtensions de commutation et protégeant l'isolation des charges inductives telles que les moteurs.
2. ​Mécanisme de fonctionnement hautement fiable :​​
• Utilise un mécanisme de fonctionnement électromagnétique capable de réaliser des fréquences de commutation allant jusqu'à 2 000 opérations par heure, répondant aux exigences les plus strictes en termes d'opérations fréquentes.
• Méthodes de maintien flexibles : Maintien électrique (maintenu par une bobine de maintien après la fermeture, avec une consommation d'énergie faible) et maintien mécanique (par exemple, série LHJCZR, verrouillé mécaniquement après la fermeture, n'exigeant pas d'alimentation continue) sont disponibles pour s'adapter à différents besoins de contrôle.
• Compatibilité forte avec les sources d'alimentation de commande, supportant DC/AC 110 V/220 V.
3. ​Paramètres nominatifs excellents et durée de vie :​​
• Paramètres électriques clés :

• Durée de vie prolongée : Vie électrique allant jusqu'à 300 000 opérations et vie mécanique allant jusqu'à 1 000 000 opérations, réduisant considérablement les efforts de maintenance et les coûts de cycle de vie.
• Chambres d'interruption sous vide dédiées : Telles que le type TJC 12/630, présentant une faible perte, une faible impulsion, une haute résistance à l'usure et une résistance de contact ≤60 μΩ.

​​(II) Fusible haute tension limitant le courant (composant de protection contre les courts-circuits)​​
En tant que cœur de la protection contre les courts-circuits dans le circuit, son choix et son application sont cruciaux.

1. ​Principe de fonctionnement :​​ Lorsque le courant dépasse une valeur spécifiée pendant une certaine durée, l'élément de fusible fond instantanément et interrompt le courant de défaut. Sa caractéristique clé est que plus le courant d'interruption est élevé, plus le temps de fonctionnement est court, offrant une forte capacité de limitation du courant.
2. ​Principes de sélection :​​
• Tension nominale : Doit être au moins égale à la tension nominale du système ; elle peut être légèrement supérieure mais jamais inférieure.
• Courant nominal : Doit prendre en compte de manière globale le courant d'exploitation normal du circuit, le courant de surcharge et les caractéristiques de démarrage de l'équipement (par exemple, courant de démarrage du moteur et temps). En tant que protection de secours, il n'agit que lorsque le courant de défaut dépasse la capacité de rupture du contacteur ou si le contacteur ne fonctionne pas.
3. ​Coordination de protection avec différents équipements :​​
• Moteurs haute tension (≤1200 kW) : Le fusible doit supporter le courant de démarrage du moteur, tandis que la protection contre la surcharge est assurée par un relais de protection général. Assurez-vous que la courbe caractéristique temps-courant du fusible intersecte correctement la courbe du relais pour atteindre la division de la protection.
• Exemple : Pour un moteur de 250 kW avec un temps de démarrage de 6 s et un courant de démarrage de 220 A, un élément de fusible de 100 A est approprié (pour 2-3 démarrages par heure).
• Transformateurs (≤1600 kVA) : Le fusible doit supporter les courants d'apport lors de l'alimentation et les courants de surcharge soutenus. La sélection est directement adaptée en fonction de la capacité nominale et du niveau de tension du transformateur.
• Exemple : Pour un transformateur 10 kV/800 kVA, un fusible de 80 A est approprié.
• Blocs de condensateurs (≤1200 kvar) : Doivent supporter les courants d'apport lors de la commutation, et leur énergie de passage doit être inférieure à la capacité de résistance du condensateur. Le courant nominal est généralement de 1,5 à 2 fois le courant nominal du condensateur. Pour les applications avec des courants d'apport excessifs ou des commutations fréquentes, des réactances en série sont recommandées.

​III. Portée d'application et cas typiques​

​​(I) Portée d'application​

• ​Scénarios appropriés :​​
• Circuits de protection et de commande pour les transformateurs allant jusqu'à 1600 kVA dans les usines industrielles.
• Circuits de démarrage fréquent et de protection pour les moteurs haute tension allant jusqu'à 1200 kW.
• Circuits de commutation pour les blocs de condensateurs allant jusqu'à 1200 kvar.
• ​Scénarios inappropriés :​​ Pour les charges dépassant les capacités ci-dessus, des panneaux de disjoncteurs sous vide doivent être utilisés.

​​(II) Cas réussis​
La solution de circuit FC a été largement appliquée dans de nombreux projets de centrales électriques, avec une fiabilité éprouvée :

1. ​Centrale thermique :​​ Utilisation de 8 panneaux de disjoncteurs sous vide + 36 panneaux FC. Parmi eux, les contacteurs LHJCZR avec des fusibles WFNHO protègent les moteurs, tandis que les fusibles XRNT protègent les transformateurs.
2. ​Centrale électrique :​​ Utilisation de 10 panneaux de disjoncteurs sous vide + 36 panneaux FC (21 pour la protection des moteurs, 12 pour la protection des transformateurs et 3 pour la protection des condensateurs).

​IV. Avantages de la solution et conclusion​
Cette solution de circuit FC intègre les avantages doubles des contacteurs sous vide et des fusibles limitant le courant, offrant les avantages clés suivants :

1. ​Rentabilité :​​ Coûts d'investissement significativement inférieurs par rapport aux panneaux de disjoncteurs sous vide, offrant un excellent rapport qualité-prix.
2. ​Performance spécialisée :​​ Les contacteurs excèlent dans les opérations fréquentes et l'interruption de surcharge, tandis que les fusibles excèlent dans l'interruption rapide des forts courants de court-circuit, assurant une répartition claire des tâches et une protection supérieure.
3. ​Sécurité et fiabilité :​​ Temps d'interruption de court-circuit extrêmement court (au niveau milliseconde), excellentes caractéristiques de limitation du courant et protection efficace de l'équipement du système. Le mécanisme de déclenchement couplé empêche le fonctionnement en absence de phase.
4. ​Sans entretien et longue durée de vie :​​ Les chambres d'interruption sous vide ne nécessitent aucun entretien, avec des durées de vie électrique et mécanique allant jusqu'à un million d'opérations, réduisant considérablement les coûts de cycle de vie.
5. ​Conception compacte et flexible :​​ Structure compacte économisant l'espace d'installation. Haute polyvalence permettant l'interchangeabilité entre produits similaires, facilitant la maintenance et la gestion des pièces de rechange.

​Conclusion :​​ Le circuit FC est un choix idéal pour la protection des transformateurs, moteurs et condensateurs de petite à moyenne capacité dans les systèmes de puissance industriels tels que les centrales électriques, les pétrochimiques et la métallurgie. Cette solution est technologiquement mature, largement validée et offre des avantages exceptionnels, en faisant la meilleure pratique pour équilibrer les performances, les coûts et la fiabilité. Pour les applications dépassant sa plage de capacité, des solutions de disjoncteurs sous vide sont recommandées.