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cahiers techniques Merlin Gerin n° 143 / p.1 1. Historique p. 2 2. Coupure par

cahiers techniques Merlin Gerin n° 143 / p.1 1. Historique p. 2 2. Coupure par autosoufflage (auto expansion) p. 2 3. Arc tournant p. 4 4. Coupures et surtensions de manœuvre p. 5 5. Surtensions et ondes à front raide Les réamorçages p. 5 L'arrachement du courant p. 8 Les préamorçages p. 9 6. Isolation des moteurs p. 10 7. Propagation d'ondes à front raide p. 10 8. Isolation moteur d'après les normes Isolation entre spires p. 12 Isolation par rapport à la terre p. 12 9. Performances des disjoncteurs Fluarc Essais de coupure p. 13 Résultats des essais p. 13 Dans la pratique p. 14 Avec l'expérience p. 15 10. Conclusion p. 16 disjoncteurs Fluarc au SF6 et protection des moteurs MT Jacques Hennebert David GibbsP= sommaire dans les moteurs CEI et pratiques courantes Conséquences des phénomènes de surtensions p. 12 cahiers techniques Merlin Gerin n° 143 / p.2 1. historique Jusqu’à la fin des années 70 les disjoncteurs MT (moyenne tension) ont utilisé, principalement, les techniques de coupure dans l’air et dans l’huile. Les disjoncteurs à coupure dans l’huile, à faible ou à fort volume d’huile, étaient en Europe la seule alternative technologique. La majorité des constructeurs de dis- joncteurs, d’envergure internationale, les présentaient dans leurs catalogues. Par ailleurs, les qualités des disjoncteurs à coupure dans l’air étaient très appréciées par leurs utilisateurs dans le domaine de la distribution industrielle de 6,6 et 11 kV en Asie et en Europe, et de 5 et 15 kV sur le continent américain. Avec les disjoncteurs à coupure dans l’air, que ce soit pour des applications BT ou MT, les utilisateurs ne se préoccupaient pas des surtensions et bien souvent, n’étaient même pas conscients de l’existence d’un tel phénomène. En effet grâce au soufflage magnétique dans l’air, le grand allongement de l’arc (fonction de la valeur du courant coupé), et son refroidissement, permettent une coupure en douceur, sans surtension excessive. Les techniques de coupure dans le gaz d’hexafluorure de soufre -SF6- ou dans le vide ont commencé à être utilisées dès les années 70-75 (selon les pays), particulièrement pour les disjoncteurs MT des postes primaires. Le succès de ces deux nouvelles techniques n’est plus à prouver. Leurs avantages sont : I une durée de vie plus grande que celle des disjoncteurs à huile ; I un meilleur comportement en réen- clenchement rapide, coupure de batterie de condensateurs, etc, comparé à ceux de la coupure dans l’huile et dans l’air ; I un volume réduit, par rapport aux disjoncteurs à coupure dans l’air. Pour remplacer les disjoncteurs à coupure dans l’air, dans les applications industrielles, et particulièrement pour la coupure des courants de démarrage des moteurs, le disjoncteur SF6 est la solution, offrant : I l’avantage d’une coupure en douceur, et, I par rapport aux disjoncteurs à coupure dans l’air, un faible encombrement. Pour toutes ces raisons, après avoir fabriqué pendant 35 ans des disjoncteurs à coupure dans l’air de type Solenarc, Merlin Gerin a opté dès 1970 pour la technologie à coupure dans le SF6 dans le secteur de la moyenne tension. 2. coupure par autosoufflage (auto expansion) Tous les Fluarc sont des disjoncteurs à auto-soufflage. Cela signifie que pendant toute la durée de vie d’un disjoncteur - 20 ou 30 ans - c’est la même masse de gaz SF6, contenue dans une enceinte fermée étanche et scellée à vie, qui participe à la coupure et à l’isolement. Pendant la période d’arc, celui-ci est refroidi par convection du SF6 et échange thermique entre le gaz “chauffé” par l’arc et le gaz froid. Plus précisément, le gaz froid est insufflé perpendiculairement à la colonne d’arc pour renforcer le mélange du gaz chaud et du gaz froid (phénomène tourbillon- naire). En comparaison, l’énergie calori- fique échangée par conduction radiale est très faible. On pourrait s’attendre à un échange calorifique par rayonnement dû à la température élevée de l’arc. En fait, les échanges sont infimes car le rayonnement est produit uniquement par les couches périphériques de l’arc. Les échanges de température pendant la période d’arc s’effectuent donc surtout par convection. L’énergie fournie par le système, dans un temps dt à une masse de gaz dm, est : dw = V.I.dt = h.dm, avec : V = tension de l’arc, h = enthalpie par unité de masse ; ou encore : V.I.dt = h.ρ. s.dx avec : ρ = densité, s = section en coupe de l’arc dx = chemin parcouru par la masse dm pendant un temps dt. D’où V.I = h.ρ. s.u, u étant la vitesse des gaz. L’énergie transmise dépend directement de cette vitesse, mais les lois d’écoule- ment des gaz nous apprennent que le débit massique ne peut pas s’accroître indéfiniment lorsque la vitesse augmente. Les développements techniques actuels font qu’il est intéressant de rester au voisinage de la vitesse du son. Cette vitesse peut être atteinte par une géométrie convenable et pour une certaine énergie développée lors de la coupure. Technologiquement, les contacts tubulaires creux facilitent l’écoulement rapide des gaz chauds et entraînent l’instabilité de la racine de l’arc, évitant l’usure des contacts d’arc. La technique de soufflage est d’une remarquable efficacité, elle nécessite d’injecter seulement une petite quantité de gaz entre les contacts : par exemple, avec les disjoncteurs Fluarc FB et FG, la quantité de gaz comprimé injecté au col de la buse est de cinq grammes pendant l’ouverture. Afin de limiter la température de l’arc qui peut atteindre 10 000 ou 15 000 °C, à l’approche du zéro de courant il faut avoir cahiers techniques Merlin Gerin n° 143 / p.3 fig. 3 : variation de la section de l'arc, de la course des contacts et du débit massique de SF6 pour une coupure : à 10 % du P. de C., à 100 % du P. de C. : effet bouchon. évacué l’énergie calorifique produite (qui atteint approximativement 30 000 joules lors de l’interruption d’un courant de 25 kA). La courbe d’enthalpie du gaz montre qu’un gramme de SF6 suffit à transporter cette énergie (cf. fig. 1). Pendant la période d’arc, l’espace occupé par l’arc au col de la buse dépend de la valeur du courant instantané. La section de l’arc, étant proportionnelle à cette valeur, est donc sujette à la même variation sinusoïdale. A des valeurs élevées de courant, l’arc peut occuper tout l’espace, bloquant ainsi le flux de gaz froid, c’est l’effet «bouchon» (cf. fig. 2). Le débit massique total à la base de la buse est donc faible lorsque les valeurs de courant instantané sont élevées, mais il s’élève rapidement dès que le courant chute, juste avant le zéro de courant. Il est alors plus important que lors de la coupure d’un courant faible (cf. fig. 3). L’effet «bouchon» est bénéfique pour deux raisons : I quand un disjoncteur s’ouvre sur un courant élevé, il conserve une quantité de gaz en réserve plus importante que lorsqu’il interrompt des courants faibles. Il n’agit pas en «aveugle» à l’approche du zéro de courant. Ainsi : I sur fort courant, le gaz participe très efficacement au refroidissement de l’arc et à la désionisation, I et pour les faibles courants, le faible débit massique évite la coupure brutale (arrachement), I l’interruption d’un courant fort entraîne un freinage du mouvement d’ouverture. fig. 1 : enthalpie du SF6 en fonction de la température. Ce freinage limite la distance entre les contacts, c’est à dire la longueur de l’arc et de ce fait l’énergie dissipée dans l’arc. A titre indicatif dans les appareils MT (12, 24 ou 36 kV) la longueur de l’arc est de l’ordre de 15 mm. fig. 2 : effet bouchon. h 50 enthalpie 10 kJ/g 40 30 20 10 5 000° 10 000° 15 000° T °K t 0 course des contacts effet bouchon circuit ouvert circuit fermé : début d'ouverture des contacts d'arc t t section de l'arc (proportionnelle au courant) avec effet bouchon t 0 t débit massique de gaz t 0 effet bouchon sans effet bouchon i t cahiers techniques Merlin Gerin n° 143 / p.4 3. arc tournant Cette technique est utilisée en particulier pour les appareils à grande cadence de manœuvres, dans les contacteurs Rollarc par exemple et dans certains disjoncteurs. Principe Un conducteur parcouru par un courant, et placé dans un champs magnétique, est soumis à une force qui tend à le faire déplacer : c’est la loi de Laplace (champ- force-courant). Et c’est cette même loi qui, appliquée à un arc électrique conducteur, permet d’obtenir un arc tournant. Application Lors de l’écartement des contacts principaux, le courant à couper passe au travers d’un solénoïde jusqu’à une électrode circulaire. Un arc apparaît entre deux anneaux, perpendiculairement au champ magnétique B produit par le solénoïde. L’arc étant conducteur subit donc une force F, et est en conséquence accéléré dans un mouvement circulaire (cf. fig. 4). La technique de l’arc tournant présente plusieurs avantages : I le refroidissement de l’arc est efficace dans le SF6 environnant, produit vectoriel du champ et du courant, deux paramètres qui ne sont pas en phase mais uploads/Industriel/ disjoncteurs-fluarc-au-sf6-et-protection.pdf