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n° 171 la coupure par auto-expansion CT 171 édition décembre 1993 Georges Berna

n° 171 la coupure par auto-expansion CT 171 édition décembre 1993 Georges Bernard Est diplômé ingénieur IEG -Institut Electrotechnique de Grenoble- en 1960. Entre la même année chez Merlin Gerin, d'abord au Service des Brevets, puis aux Services des Recherches. En 1966, il soutient avec succès une thèse de Docteur ès Sciences sur la mesure du courant par voie optique. Depuis 1961, il participe aux études relatives à la coupure dans le SF6, et oeuvre dans le domaine de la coupure statique et hybride. En 1993, au sein de la Direction Recherche et Développement de Merlin Gerin, il conduit de nouvelles études sur la coupure, pour les disjoncteurs de l'avenir. Cahier Technique Merlin Gerin n° 171 / p.2 densité électronique nombre d’électrons libres par unité de volume (≈1017/cm3 dans les arcs de coupure) HTA - HTB ces termes sont utilisés dans ce document conformément à la législation française (décret du 14 novembre 1988). Ils correspondent aux niveaux de tension suivants : I HTA : 1 à 50 kV, I HTB : > 50 kV. Au niveau européen (Circulaire du 27 juillet 1992 du CENELEC -Comité Européen de Normalisation Electrotechnique-) sont aussi employés les termes MT et HT : I MT : 1 à 35 kV, I HT : > 35 kV. GIS Gas Insulated Switchgear : appareillage hermétiquement clos (cf. CEI 298) interférométrie méthode de mesure de très grande précision fondée sur les phénomènes d’interférence (interférence : phénomène résultant de la superposition d’oscillations ou d’ondes de même nature et de fréquences égales ou voisines). organismes Les plus importants sont : de certification I l’ASTA -Association of Short-circuit Testing Authority- en Angleterre, I le CESI -Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano- en Italie, I l’ESF -Ensemble des Stations d’essais à grande puissance Françaises-, I la KEMA -Keuring Elektrotechnische Materialen Arnhem- en Hollande. Ces organismes sont membres au niveau international du STL -Short-circuit Testing Liaison-. strioscopie méthode optique révélant les variations d’indice de réfraction d’un fluide (gaz). Elle permet d’observer les variations de pression ou de température d’un gaz contenu dans un volume, et d’en connaître ainsi les mouvements. SF6 hexafluorure de soufre. vide pression inférieure à 10-1 Pascal. lexique Cahier Technique Merlin Gerin n° 171 / p.3 la coupure par auto-expansion sommaire 1. Historique des techniques de Les techniques de coupure en p. 4 HTA et HTB Les techniques particulières de p. 5 coupure dans le SF6 2. La coupure par auto-expansion L'auto-expansion : un nouveau p. 7 palier technique La réalisation p. 7 3. Disjoncteurs à auto-expansion Le disjoncteur du RM6 200 A - p. 12 24 kV / 16 kA Le disjoncteur SB6 2 000 A - p. 12 72 kV / 31,5 kA Essais de développement et de p. 13 certification 4. Conclusion p. 14 5. Bibliographie p. 15 coupure dans le SF6 Le mot auto-expansion est attaché à différentes techniques, ou mode de coupure, selon les documents techniques et les constructeurs de disjoncteurs. Dans ce Cahier Technique après avoir signalé les différences notables qui peuvent être cachées sous ce même terme, tant sur les principes de coupure que sur leurs particularités, l'auteur présente la coupure par auto- expansion dans le SF6. Elle est, à ce jour, seulement mise en pratique dans les disjoncteurs Merlin Gerin. Pour terminer sont présentés deux modèles de disjoncteurs dont les performances montrent tout l’intérêt de ce mode de coupure. Cahier Technique Merlin Gerin n° 171 / p.4 1. historique des techniques de coupure Dans le numéro de décembre 1992 de la Revue Générale de l’Electricité, J. CLADE, contrôleur général à l’EDF, écrivait : «Les matériels électrotechniques, depuis maintenant une centaine d’années, sont à la base du développement des réseaux électriques. En particulier, les postes seraient devenus monstrueux si des progrès, peu spectaculaires sur l’instant mais nombreux et constants, n’avaient permis d’augmenter en permanence les performances spécifiques de ces matériels». L’appareillage de commande et de protection, qu’il soit du domaine Basse Tension -BT- ou Haute Tension -HT-, n’échappe pas à cette règle. Si, en BT, la coupure magnétique dans l’air utilisée dès l’origine a encore de l’avenir, l’évolution de la coupure en Moyenne -MT- et haute tension s’est appuyée sur les changements du milieu diélectrique. En effet, chaque changement de fluide motivé par l’amélioration des trois critères : I performance, I sécurité, I fiabilité, et par une diminution des coûts, a entraîné une modification radicale de la technique de coupure. La technique de coupure, en elle- même, présente peu d’intérêt pour l’utilisateur mais elle intervient, en plus des critères ci-dessus, sur : I le coût global (appareil - installation - exploitation), I l’encombrement, I les contraintes électriques générées lors de la coupure. En clair, pour un disjoncteur, la technique de coupure est déterminante sur le plan technico-économique. L’histoire de l’appareillage est, de ce fait, intimement liée à celle des techniques de coupure et des milieux diélectriques utilisés. Afin d’éclairer au mieux la situation actuelle, un rappel sur les techniques chronologiquement utilisées s’impose. les techniques de coupure en HTA et HTB Différentes techniques, dans l’air, l’huile, le SF6 et le vide, sont utilisées. La coupure dans l’air Avec la montée en tension et en puissance des réseaux cette coupure a fig. 1 : évolution de la rigidité diélectrique de l’air et du SF6 en fonction de la pression, en champ faiblement inhomogène pour une distance de 12 mm entre électrodes. 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 -1 1 10 0,1 0,2 0,3 0,6 1 2 3 6 10 20 30 60 100 200 300 600 1 000 p en bar tension en kV SF6 air vide Cahier Technique Merlin Gerin n° 171 / p.5 les techniques particulières de coupure dans le SF6 L’objet de ce Cahier Technique étant de présenter le principe de la coupure par auto-expansion, il est nécessaire de situer ce principe parmi les autres techniques utilisant le SF6 comme fluide de coupure. En 30 ans, celles-ci ont évolué, passant peu à peu d’un soufflage de l’arc provoqué mécaniquement (double pression, pistonnage) à un soufflage lié au courant lui-même (arc tournant, expansion). Ces termes correspondent à des actions sur l’arc, différentes ou combinées, dont le but essentiel est de refroidir l’arc. En fait, ils n’ont pas toujours la même signification selon les constructeurs qui les utilisent. Le tableau de la figure n° 3 page 6 décrit, pour chaque technique comment l’arc est soufflé ou refroidi. fait appel successivement aux techniques : I des contacts auxiliaires d’arc, I du soufflage de l’arc, I de l’allongement de l’arc par effet magnétique (principe du SOLENARC). Cette technique, utilisée jusqu’à 20 kV, n’est pratiquement plus employée aujourd’hui en raison de l’encombre- ment important des appareils qui l’intègrent. I de l’air comprimé : l’exploitation des propriétés physiques de ce diélectrique (cf. fig. 1) a permis des progrès déterminants dans la réalisation de disjoncteurs pour les très hautes tensions. Mais, les appareillages qui utilisent cette technique sont assez complexes et coûteux, aussi ne sont-ils encore employés qu’en haute et très haute tension dans les pays froids car l’air présente l’avantage de conserver ses propriétés à très basse température. La coupure dans l’huile Ce mode de coupure est apparu au début du siècle. Il a permis les premières réalisations de disjoncteurs en HTB, puis une diminution importante de l’encombrement grâce à la techni- que VHR (à Volume d’Huile Réduit). Ces disjoncteurs équipent encore les postes HTA et HTB dans certains pays tels que le Brésil et ceux de la CEI (ex URSS). Ils sont en cours de substitution en Europe et aux USA par des disjoncteurs au SF6 ou vide. Leur disparition progressive est due essentiellement aux dangers inhérents à l’huile (inflammable, explosible), aux travaux de génie civil nécessaires à leur installation (bacs de rétention) et à la maintenance préventive. La coupure dans le SF6 et le vide Les techniques exploitant ce mode de coupure, dont l’émergence industrielle date du début des années 60, se caractérisent par l’utilisation de milieux (SF6 et vide) extincteurs d’arc aux propriétés exceptionnelles, dans des pôles de coupure scellés, étanches, de faibles dimensions, intégrant des pièces de contact simples. En effet, le SF6 et le vide présentent deux avantages : I en régime transitoire, une constante de temps de désionisation qui peut être cent fois plus faible que celle de l’air comprimé. Ceci élimine le risque de réarmorçage sans nécessiter l’emploi d’artifices tels que résistances ou condensateurs d’amortissement ; I en régime établi, des propriétés diélectriques remarquables comme l’indique la courbe de Paschen représentée sur la figure 1. Evolution et domaine d’emploi A moyen terme, seules la coupure dans le SF6 et la coupure dans le vide devraient subsister. En ce qui concerne les domaines d’emploi, le SF6 et le vide devraient se partager le marché en HTA, le SF6 étant seul en HTB (> 50 kV). La variation de la tenue diélectrique entre électrodes (cf. fig. 2) montre en effet que si le vide est performant en HTA, il plafonne à 200 kV quelle que soit la distance entre électrodes. fig. 2 : influence de la distance inter-électrodes sur la rigidité diélectrique. uploads/Geographie/ ct-171.pdf