Introduction
Dans les systèmes électriques, les disjoncteurs sont utilisés pour commuter les équipements électriques et les réseaux en conditions normales et de défaut. La fonction principale d'un disjoncteur est d'interrompre le flux de courant (charge ou court-circuit) en ouvrant ses contacts et en isolant ainsi les parties commutées du système. La conception et le fonctionnement d'un disjoncteur dépendent de son application et de sa tension nominale. La technologie de boîtier moulé (avec de l'air à pression atmosphérique) est utilisée à basses tensions (< 1000 V), tandis que les disjoncteurs à air comprimé et à vide sont courants à moyennes tensions (< 72 kV). Les disjoncteurs SF6 sont normalement utilisés pour les systèmes à haute tension (> 72 kV).
Déconnexion d'une charge Interruption d'un défaut
Gaz SF6
Les disjoncteurs SF6 utilisent le hexafluorure de soufre (SF6) comme milieu isolant environnant pour éteindre l'arc établi entre les contacts mobiles du disjoncteur. Il possède de nombreuses caractéristiques favorables qui en font un candidat idéal pour l'isolation dans les appareillages de commutation haute tension modernes :
- Haute résistance diélectrique (environ 8 à 9 fois supérieure à celle de l'air à 5 bars de pression).
- Électronégatif par nature, c'est-à-dire qu'il capture les électrons libres formant des ions lourds à faible mobilité qui empêchent une rupture de type avalanche.
- Bonne capacité de transfert thermique, haute énergie d'ionisation et basse température de dissociation résultant en excellentes propriétés d'extinction d'arc.
- Très haute conductivité électrique à des températures élevées prouvant une faible tension d'arc
- Incolore, inodore, inerte et non toxique.
Certains des inconvénients du gaz SF6 sont son coût élevé, sa tendance à former des fluorures métalliques corrosifs lors de l'arc et le fait qu'il s'agit d'un gaz à effet de serre.
Types de Disjoncteurs SF6
Actuellement, les disjoncteurs SF6 peuvent être classés en deux grandes catégories :
- Cuve morte – enceinte à potentiel de terre.
- Cuve sous tension – enceinte à potentiel de ligne.
Les conceptions de cuve morte peuvent offrir une plus grande capacité de coupure de courant de court-circuit et une résistance sismique mais sont relativement volumineuses (nécessitent plus de gaz SF6), tandis que les conceptions de cuve sous tension sont modulaires et plus compactes.
Disjoncteur Cuve Sous Tension
Disjoncteur Cuve Morte
Il existe également plusieurs façons d'interrompre le courant électrique (et l'arc résultant) dans un disjoncteur SF6. Ces types incluent : double pression (désormais obsolète), simple pression (également appelé puffer), auto-blast (où l'énergie de l'arc soutient la montée en pression dans la chambre d'arc), arc rotatif (l'arc tourne électrodynamiquement dans un gaz de fond frais) et technologie à double mouvement (avec deux contacts mobiles). De plus, le mécanisme d'entraînement du disjoncteur peut être de type hydraulique ou à ressort.
Pour le reste de cet article, nous examinerons plus en détail l'assemblage de base et le fonctionnement d'un disjoncteur à gaz SF6 isolé utilisant la technologie à simple pression (puffer) avec un mécanisme de fonctionnement à ressort; c'est le type le plus largement utilisé dans l'industrie haute tension.
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Construction et Principaux Composants
Un assemblage complet d'un disjoncteur SF6 de type puffer à simple pression se compose des parties suivantes :
Unité d'Interruption
La ségrégation des contacts du disjoncteur, l'extinction de l'arc résultant et l'interruption du courant se produisent dans l'unité d'interruption. Elle abrite deux ensembles de contacts communément appelés les ‘principaux’ ou ‘normaux contacts porteurs de courant’ et les ‘contacts d'arc’. Les deux types de ces ensembles de contacts ont un contact fixe tandis que l'autre contact est capable de se déplacer. Les porteurs de courant (fournissant la connexion aux bornes externes du disjoncteur) sont connectés aux contacts principaux fixes et mobiles. Les pointes de tous les contacts du disjoncteur sont revêtues d'un matériau résistant à l'arc en cuivre-tungstène.
Le corps principal de l'interrupteur (qui est rempli de gaz SF6) contient un cylindre puffer mobile qui peut glisser axialement vers le haut et vers le bas le long des contacts. Il y a un piston fixe à l'intérieur du cylindre qui est fixé avec d'autres parties fixes du disjoncteur SF6, de telle manière qu'il ne peut pas changer de position pendant le mouvement du cylindre. Une buse est située à l'ouverture du cylindre.
Principaux Composants de l'Interrupteur de Disjoncteur SF6
Colonne Isolante
L'unité d'interruption est montée verticalement sur une colonne isolante qui est constituée d'un isolant creux encapsulant la tige d'entraînement qui relie le mécanisme de fonctionnement mécanique du disjoncteur aux contacts mobiles logés dans l'interrupteur. Selon la tension nominale du système, la colonne isolante peut être une seule pièce ou plusieurs segments couplés mécaniquement en série. Comme tout autre isolant, elle fournit une distance de décharge sèche et de fuite adéquate pour éviter les amorçages associés aux surtensions transitoires et à la pollution ambiante. L'ensemble du disjoncteur est généralement fixé sur une structure en acier qui le sécurise à une fondation en béton encastrée.
Mécanisme de Fonctionnement Mécanique
L'appareil de commande fournit l'énergie cinétique nécessaire pour ouvrir et fermer les contacts du disjoncteur. Il se compose d'un ensemble de ressorts d'ouverture et de fermeture qui sont chargés manuellement ou à l'aide d'un petit moteur électrique.
Panneau de Contrôle
Le tableau de commande communique entre le mécanisme de fonctionnement mécanique du disjoncteur, la protection du système (relais) et les dispositifs de supervision. Il peut être configuré pour un réglage de fonctionnement ‘à distance’ ou ‘manual’.
Disjoncteur SF6 Cuve Sous Tension 245-kV (Interrupteur Unique)
Composants Supplémentaires
À très haute tension (généralement 380-kV et plus), en raison des exigences économiques de fabrication et de conception, le disjoncteur SF6 peut présenter des différences notables dans la construction et peut également comporter des composants supplémentaires :
- Au lieu d'une unité d'interruption unique, deux ou plusieurs unités d'interruption sont connectées en série (et montées horizontalement sur la colonne isolante). Pour ces disjoncteurs, des condensateurs de répartition (C) sont connectés à travers les interrupteurs pour égaliser la tension à travers eux.
- Pour les applications de commutation de lignes de transmission, ces disjoncteurs peuvent être équipés de résistances de pré-insertion (PIR) pour amortir les magnitudes élevées des surtensions transitoires de commutation. Ces PIR (normalement de 300 à 600 ohms) sont connectées en parallèle avec les contacts principaux du disjoncteur. Elles sont insérées dans le circuit pour un intervalle de temps spécifié (8 à 12 ms) avant que les contacts principaux du disjoncteur ne soient fermés.
Différentes Configurations de Disjoncteur SF6
- Les bornes de connexion externes sont équipées de anneaux de répartition pour garantir que les contraintes de champ électrique à la surface de la borne ne dépassent pas le seuil de couronne
Disjoncteur SF6 Cuve Sous Tension 550-kV (Deux Interrupteurs en Série)
Comment Fonctionnent les Disjoncteurs SF6
Condition Normale
En condition normale, les contacts du disjoncteur sont fermés et le courant circule d'un porteur de contact à l'autre via les contacts principaux et le cylindre puffer coulissant.
Opération d'Ouverture du Disjoncteur
Lorsque le panneau de contrôle du disjoncteur reçoit une commande d'ouverture (pour dégager un défaut ou déconnecter une partie d'un réseau), il envoie un signal à la bobine de déclenchement du mécanisme de fonctionnement mécanique, qui à son tour libère le verrou retenant le ressort d'ouverture chargé. Lorsque le ressort d'ouverture se décharge, il tire la tige d'entraînement (connectée à l'interrupteur) dans une direction linéaire, ce qui entraîne le mouvement vers le bas des contacts mobiles et du cylindre puffer.
Le mouvement du cylindre puffer contre le piston fixe entraîne une diminution du volume interne du cylindre puffer, ce qui provoque la compression du gaz SF6 à l'intérieur du cylindre. En raison du recouvrement des contacts, la compression du gaz commence avant que les contacts ne s'ouvrent. Au fur et à mesure que le mouvement vers le bas se poursuit, les contacts principaux se séparent et le courant se commue vers les contacts d'arc qui sont encore en position fermée (en raison de leur construction physiquement plus longue). Au cours de l'ouverture ultérieure, les contacts d'arc commencent à se séparer et un arc est établi entre eux.
Opération d'un Disjoncteur SF6 de Type Puffer
Lorsque l'arc circule, il bloque dans une certaine mesure le flux de gaz SF6 à travers la buse. Ainsi, la pression du gaz dans le cylindre puffer continue d'augmenter. Lorsque la forme d'onde du courant sinusoïdal approche de zéro, l'arc devient relativement faible et le gaz SF6 pressurisé à l'intérieur du cylindre puffer s'écoule axialement (à travers la buse) sur la longueur de l'arc. Ce souffle de gaz SF6 élimine l'énergie thermique dans l'écart de contact et réduit le degré d'ionisation (conductivité électrique) de sorte que l'arc est éteint.
Lorsque l'arc est interrompu, la tension de rétablissement transitoire (TRV) commence à apparaître à travers les contacts ; la vitesse d'ouverture des contacts du disjoncteur doit être suffisamment rapide pour créer une distance de séparation de contact adéquate pour résister à cette contrainte de tension. Si la résistance diélectrique de l'écart de contact est inférieure à la contrainte TRV, l'arc sera rétabli dans un phénomène communément appelé ré-allumage ou ré-amorçage du disjoncteur.
Opération de Fermeture du Disjoncteur
Lors de la séquence de fermeture du disjoncteur, la bobine de fermeture libère l'énergie du ressort de fermeture qui entraîne les contacts à se rapprocher, les amenant finalement à leur position fermée normale. En même temps, le gaz SF6 est réintroduit dans le cylindre puffer rendant le disjoncteur prêt pour la prochaine opération.
Lors de la fermeture, un disjoncteur peut parfois subir un événement connu sous le nom de pré-amorçage. Lorsque les contacts se rapprochent pendant la fermeture, la résistance diélectrique de l'écart de contact diminue. À un certain point, la contrainte de tension à travers l'écart de contact dépasse sa résistance diélectrique, produisant ainsi un arc de ‘pré-amorçage’ qui relie les contacts.
Exigences de Conception
En plus des caractéristiques générales normalement associées à un interrupteur électrique, c'est-à-dire basse résistance de contact lorsqu'il est fermé et isolation presque parfaite en condition ouverte, un disjoncteur SF6 haute tension doit répondre à des exigences de conception supplémentaires. Parmi celles-ci, les plus pertinentes sont brièvement décrites ci-dessous :
- Courant nominal – les parties porteuses de courant du disjoncteur doivent être capables de transporter le courant de charge maximal anticipé sans dépasser la montée en température
- Courant de coupure de court-circuit nominal – le disjoncteur doit avoir la capacité d'interrompre le courant de court-circuit maximal du réseau (les valeurs standardisées typiques sont 25, 40 et 63 kA).
- Tension nominale et niveau d'isolation – l'isolation du disjoncteur à l'extérieur et à travers les contacts doit être capable de résister à des magnitudes spécifiées de basse fréquence et de surtensions transitoires.
- Ré-amorçages – lors de la coupure de courant capacitif, la probabilité de ré-amorçage (ré-allumage) entre les contacts du disjoncteur doit être très faible.
- Endurance mécanique – le disjoncteur doit être capable de subir un grand nombre d'opérations (2 000 à 10 000) avec un entretien très limité.
- Temps d'ouverture – pour obtenir un dégagement adéquat entre les contacts et afin de résister à la TRV, un disjoncteur doit s'ouvrir à une vitesse extrêmement rapide (de l'ordre de 40 à 60 ms).
- Séquence de fonctionnement nominale – le disjoncteur doit être capable de compléter de manière satisfaisante une séquence de fonctionnement spécifiée. Pour les disjoncteurs à réenclenchement rapide, une séquence typique est : O-0,3sec-CO-3min-CO (où O et C représentent respectivement l'ouverture et la fermeture, et 0,3sec et 3min sont des délais).
- Devoir de commutation – au cours de sa durée de vie, le disjoncteur doit être capable d'entreprendre avec succès une variété de commutations (interruptions) qui incluent notamment : défauts terminaux et défauts de ligne courte, transformateur et commutation de réacteur, et interruption de courant capacitif. En termes de demandes sur le disjoncteur, ces différents types de devoirs de commutation varient la magnitude du courant et de la TRV que le disjoncteur doit supporter.