Cahier technique n 198 - schneider-electric.com · Cahier Technique Schneider Electric n° 198 / p.4 1 Introduction : utilisation du vide comme milieu de coupure dans l’appareillage

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Cahier technique n° 198

La coupure du courant électriquedans le vide

P. Picot

Collection Technique

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettentégalement de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

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n° 198La coupure du courantélectrique dans le vide

ECT 198 first issue, April 2000

Philippe PICOT

Ingénieur civil des mines (ENSMP)Entré en 1982 chez Merlin Gerin, a assumé différentesresponsabilités, principalement dans la fonction technique de ladivision Moyenne Tension.Depuis 1995 il participe au développement des gammes d'ampoules àvide Schneider Electric.Il est actuellement responsable de l’anticipation technologique del'appareillage MT.

Cahier Technique Schneider Electric n° 198 / p.2


La coupure du courant électrique dansle vide

Sommaire

1 Introduction : utilisation du vide comme p. 4milieu de coupure dans l’appareillage électrique

2 Théorie et pratique de la coupure dans le vide 2.1 Les propriétés diélectriques du vide p. 5

2.2 L’arc électrique dans le vide p. 7

2.3 Phénomènes associés à la coupure au zéro de courant p. 9

2.4 Conception pratique des ampoules interrupteurs sous vide p. 12

3 Coupure dans le vide et surtensions 3.1 Les phénomènes générateurs de surtension p. 19lors de la commande de circuits inductifs 3.2 Les mesures de protection contre les surtensions p. 22

4 Les principaux domaines d'application p. 24de la coupure dans le vide

4.1 Les applications de la technique de coupure dans le videen Moyenne Tension p. 25

4.2 Les applications de la coupure dans le vide en Basse Tension p. 28

4.3 Les applications de la coupure dans le vide en Haute Tension p. 29

5 Conclusion p. 30

Bibliographie p. 31

Ce Cahier Technique constitue une présentation générale des notions debase relatives au fonctionnement et à l’utilisation des appareils à coupuredans le vide.

La première partie, intitulée Théorie et Pratique de la coupure dans le vide,est une description rapide des phénomènes physiques associés à lacoupure dans le vide, puis de leur mise en œuvre. Elle comporte aussi uneprésentation des différentes options technologiques qui s’offrent auxconcepteurs d’ampoule à vide.

La deuxième partie est consacrée aux interactions entre l’appareil decoupure dans le vide et le réseau électrique, dans le cas des circuitsinductifs pour lesquels la coupure dans le vide est susceptible deprovoquer des surtensions, et aux moyens de se protéger contre lessurtensions.

Dans la troisième partie, l’auteur explique comment les caractéristiquespropres à la coupure dans le vide présentées dans les deux partiesprécédentes déterminent les domaines préférentiels d’application de cettetechnique, selon les niveaux de tension et les types d’appareillage.

Ce Cahier Technique est complété d’une large bibliographie d’ouvrages oudocuments auxquels pourra se référer le lecteur qui souhaiteraitapprofondir un point particulier.


1 Introduction : utilisation du vide comme milieu de coupuredans l’appareillage électrique

Le SF6 et le vide sont les deux techniques decoupure modernes dans les domaines de laMoyenne Tension (de 1 à 52 kV) et de la HauteTension (> 72,5 kV). Apparues dans les années60 elles se sont développées rapidement à partirdes années 70 et ont aujourd’hui supplanté lesanciennes techniques de coupure dans l’air etdans l’huile (cf. fig. 1 ).

des constructeurs ayant opté pour l’une oul’autre de ces techniques, aujourd’hui tous lesgrands constructeurs proposent l’une et l’autreafin d’être en mesure d’offrir à chaque utilisateurune solution satisfaisant au mieux ses besoins.En effet, chaque technique a ses points forts etses points faibles. Même si chacune estlargement polyvalente et est susceptible d’offrirune solution fiable et compétitive à la plupart desproblèmes d’interruption en moyenne tension,les utilisateurs souhaitent être en mesure dechoisir en fonction de leurs applications, de leurspolitiques d’exploitation et de maintenance, deleurs priorités … et de leurs habitudes !

Historiquement la technique de coupure dans levide a été développée d’abord par desconstructeurs américains et anglais (lespionniers sont General Electric et VIL), suivisdes japonais et des allemands : leurs pays onten commun d’utiliser pour la distribution del’énergie électrique en moyenne tension desréseaux de tension nominale relativement basse(de 7,2 à 15 kV). Par contre dans les pays,comme la France et l’Italie, qui distribuent leurélectricité à des niveaux de tension proches de24 kV, les constructeurs ont opté pour latechnique de coupure dans le SF6.

Il est remarquable de constater, 30 ans après, lajustesse de ces choix technologiques par rapportà l’application envisagée. En effet aujourd’huiencore, une évaluation technico-économiqueglobale des deux techniques montre un pointd’équivalence situé entre 12 et 24 kV, avec unavantage relatif au SF6 au-dessus de ce niveaude tension, et au vide en dessous. Les écarts decoûts restent cependant faibles, ce qui expliqueque peuvent coexister les deux offres, vide etSF6, sur l’ensemble des niveaux de la moyennetension, de 7,2 à 36 kV.

Alors que le SF6 est utilisé dans l’ensemble desgammes moyenne tension et haute tension, levide s’est essentiellement développé dans ledomaine de la moyenne tension, avec desincursions limitées en basse tension et en hautetension : les deux techniques ne sont doncconcurrentes que dans le domaine de lamoyenne tension.

La notion de concurrence entre les deuxtechniques est en fait maintenant dépassée : s’ily a bien eu une concurrence commerciale entre

Fig. 1 : évolution des marchés des disjoncteurs MT enEurope.

100%

80

60

40

20

0

1980 82 84 86 88 90 92 94 96

Air Huile Vide SF6


2 Théorie et pratique de la coupure dans le vide

2.1 Les propriétés diélectriques du vide

Fig. 2 : une ampoule à vide 17,5 kV de SchneiderElectric.

Tout milieu de coupure doit d’abord être un bonisolant puisqu’il s’agit de s’opposer au passagedu courant. Le vide ne fait pas exception à larègle : il présente des propriétés diélectriquesintéressantes mais particulières par rapport auxisolants gazeux qui sont habituellement utilisés àdes pressions supérieures ou égales à 1 bar.

Le vide, qualifié de «poussé» (plage de pressionde 10-1 à 10-5 Pa, soit 10-3 à 10-7 mbar) desampoules d'interrupteurs sous vide (cf. fig. 2 )est en fait un gaz à faible pression : typiquement10-6 mbar dans une ampoule neuve.

A cette pression un volume de 1 mm3 contientencore 27.106 molécules de gaz, mais celles-cis’ignorent largement puisque leur libre parcoursmoyen entre deux collisions est de l’ordre d’unecentaine de mètres : le terme de vide est doncapproprié puisque chaque molécule se comporteà peu près comme si elle était seule.

Rappel sur le comportement diélectrique desgaz

Aux niveaux habituels de pression (pressionatmosphérique et au-delà) le comportementdiélectrique des gaz est représenté par labranche droite de la courbe de Paschen(cf. fig. 3 ) : la tension de claquage V est unefonction croissante du produit p d (p = pression,d = distance entre les électrodes). Cette relationcaractérise le mécanisme d’ionisation en chaîne

(avalanche de Townsend) responsable duclaquage : les électrons doivent acquérir entredeux collisions une énergie suffisante

(proportionnelle à V

p d) pour ioniser les

molécules du gaz et créer ainsi d’autresélectrons.

Fig. 3 : évolution de la rigidité diélectrique de l'air enfonction de la pression (courbe de Paschen).

106

V (V)

p d (bar cm)

105

104

103

102

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10

Aux basses valeurs de pression, ce mécanismene fonctionne plus. En effet, les électronspeuvent acquérir beaucoup d’énergie pendantleur libre parcours moyen, mais la probabilitéqu’ils rencontrent des molécules à ioniser avantd’atteindre l’électrode devient faible : leprocessus d’avalanche et de multiplication desporteurs de charge ne peut plus se produire et latenue diélectrique s’améliore. C’est ce quetraduit la courbe de Paschen qui présente unminimum de tenue diélectrique pour un produitp d de l’ordre de 1 Pa m pour l'azote. En deçà decette valeur, la tenue diélectrique s’améliorerapidement (branche gauche de la courbe dePaschen) jusqu’à atteindre un palier pour lesvaleurs de p d inférieures à 10-2 Pa m. C’est cepalier qui caractérise le comportementdiélectrique dans les ampoules sous vide(pression inférieure à 10-3 mbar, soit 10-1 Pa,distances de l’ordre de 1 à 10 cm). Il correspondà un niveau de tenue élevé comparable à celuidu gaz SF6 à environ 2 bars pour des intervallesde l’ordre du cm. Dans ce domaine ce ne sontplus les mécanismes d’ionisation du gaz résiduelqui limitent la tenue diélectrique mais desphénomènes liés à l'état de surface desélectrodes, tels que l’émission électronique dechamp et la présence de particules détachables.


c Emission électronique de champL’émission électronique consiste en l’extractiondes électrons du métal des électrodes. Cela peutse faire en élevant suffisamment la températuredu métal : c’est l’émission thermoélectroniquequi se produit au niveau des cathodes chaufféesdes tubes électroniques. Un autre moyen estd’appliquer un champ électrique suffisammentfort au niveau de la surface du métal. Ce dernierphénomène, l’émission électronique de champ,est susceptible d’être rencontré dans desampoules sous vide. Il est régi par l’équation deFowler-Nordheim qui, sous sa forme simplifiée,s’écrit :

jAE

exp - B

E ,e

2 1,5 =

φφ

où

je est la densité de courant électronique en Am-2

A = 1,54 10-6 AJV-2

E est le champ électrique en Vm-1

φ est le travail d’extraction en eV (4,5 eV pour lecuivre)B = 6,83 109 VJ-1,5 m-1

Comme on le constate à partir des valeursnumériques indiquées précédemment, l’émissionélectronique de champ ne devient appréciableque pour des valeurs de champ à la surface desmétaux comprises entre quelques 109 Vm-1 et1010 Vm-1. Il s’agit de valeurs très élevées,nettement plus élevées que les valeurs dechamp macroscopique appliquées dans lesampoules sous vide (de l’ordre de107 Vm-1 = 100 kV/cm). Pourtant l’émissionélectronique de champ est bien observée dansles ampoules sous vide : il faut donc en conclureque localement, au niveau de sitesmicroscopiques, le champ électrique estrenforcé par un facteur d’intensification β del’ordre de quelques 102 ou 103. Les phénomènespouvant expliquer ces fortes valeurs de β nesont pas encore complètement élucidés par leschercheurs qui mettent généralement en avantsoit l’effet de pointes microscopiques, soit l’effetd’inclusions ou de particules isolantes à lasurface des métaux.

v Conditionnement en tensionL’existence de sites microscopiques d’émissionactifs se traduit en général par une mauvaisetenue diélectrique des ampoules neuves(quelques 10 kV/cm) ; par contre, on constateexpérimentalement que les claquagesdiélectriques répétés détruisent ces sites ou aumoins réduisent la valeur du facteurd’intensification qui les caractérise de manièretrès sensible. La tenue diélectrique satisfaisante(par rapport aux valeurs assignées) n’est doncobtenue qu’à l’issue d’un processus deconditionnement en tension consistant enl’application d’une tension élevée (de l’ordre degrandeur de la tenue escomptée) pendantquelques minutes : les multiples claquages quise produisent élèvent progressivement la tenueentre électrodes. Ce phénomène est illustré parla figure 4 montrant l’évolution dans le temps de

la tension de claquage au fil des décharges : unplafonnement de l’amélioration de la tenuediélectrique apparaît à un niveau proche de108 Vm-1, ce qui correspond encore à un βmicroscopique «irréductible» de l’ordre de 100.

v Mécanismes de claquageLes claquages diélectriques qui ont leur originedans le courant d’émission électronique mettenten œuvre des mécanismes complémentaires :en effet, des courants d’émission électroniquestables (pour des valeurs maximales dequelques mA) ne dégénèrent pas forcément enclaquage si la tension appliquée n’est pasaugmentée, ils peuvent même diminuer d’eux-mêmes par effet de conditionnement. Leclaquage proprement dit est lié à la création d’unplasma (gaz ionisé) localisé, suffisammentdense pour que se produise le phénomèned’avalanche des décharges gazeuses.Le plasma peut être produit du côté de lacathode par l’explosion du site émissifmicroscopique provoquée par l’échauffementintense dû à la densité de courant localementtrès élevée (effet Joule) : le claquage se produitdans la vapeur métallique générée par ladestruction du site émissif.Le plasma peut aussi être produit du côté del’anode bombardée par un faisceau d’électronsfortement énergétiques (ce qui se traduit, parailleurs, par l’émission de rayons X). Cet affluxlocalisé d’énergie provoque la désorption desgaz absorbés en surface et la vaporisation dumétal de l’anode : le gaz généré est alors ionisépar les électrons du faisceau, et le claquage seproduit.

c Influence des particules détachablesUn deuxième facteur est susceptible deprovoquer des claquages diélectriques dans levide : il s’agit des particules détachables

180

160

140

120

100

80

60

200 200100 400300 500

40

Tension declaquage (kV)

Nombre de décharges

Fig. 4 : évolution dans le temps de la tension declaquage entre deux électrodes dans le vide au fil desdécharges.


présentes à la surface des parois d’une ampoulesous vide. Libérées, soit par un choc, soit parl’effet des forces électrostatiques, ces particuleschargées acquièrent de l’énergie en traversantl’espace inter-électrodes. Au moment de leursimpacts sur l’électrode qui les attire, elles sontalors susceptibles de déclencher un claquage dedeux manières éventuellement complémentaires :v par augmentation locale de la densité de gazdue à la désorption des molécules de gazabsorbées ;v par le déclenchement du phénomèned'émission électronique et la vaporisationpartielle de la particule ou de l’électrode sousl’effet du faisceau qui les bombarde.Une confirmation de l’importance pratique desparticules est la constatation expérimentale quela tenue diélectrique dans le vide entre deuxélectrodes croit approximativement en proportionde la racine carrée de la distance qui les sépare.Cette relation peut s’expliquer par l’hypothèseque les particules doivent atteindre une énergiesuffisante (proportionnelle à V2/d) pour pouvoirprovoquer un claquage. Pour cette même raison,les grosses particules, susceptibles de porterune charge électrique plus importante, sont plusgênantes que les petites.De l’influence défavorable des particulesdétachables sur la tenue diélectrique desampoules sous vide, deux conséquences sont àretenir :c il est difficile d’atteindre des tenues trèsélevées, même avec un écartement importantdes électrodes (cf. fig. 5 ),c la tenue diélectrique d’une ampoule sous videprésente un caractère aléatoire : le claquagepeut intervenir avec retard par rapport àl’application de la tension et pour une tensioninférieure à celle supportée auparavant sansdéfaillance.

Synthèse

c Le vide présente des propriétés diélectriquesintéressantes à condition de se limiter à des

tensions appliquées de l’ordre de 100 à 200 kV,ce qui correspond aux niveaux d’isolementrequis pour les tensions assignées i 36 kV pourlesquelles des distances de quelquescentimètres entre électrodes suffisent. Au-delàl’atteinte de la tenue diélectrique nécessairedevient laborieuse et moins efficace qu’avec uneisolation gazeuse au SF6.

c La tenue diélectrique de tout dispositif decoupure dans le vide évolue dans le temps. Eneffet, les manœuvres mécaniques et l’effet del’arc électrique modifient l’état de surface descontacts et génèrent des particules : le niveau detenue atteint à l’issue du conditionnement entension ne peut donc pas être considéré commedéfinitivement acquis. Le vide n'est donc pas lemilieu isolant idéal lorsque la fiabilité de la tenuediélectrique est primordiale, par exemple pourune application sectionneur.

2.2 L’arc électrique dans le vide

Bien que, comme décrit dans la sectionprécédente, le vide soit un excellentdiélectrique, un arc peut très bien «vivre» dansle «vide». En fait, les tensions d’arc dans le videsont généralement nettement inférieures àcelles des arcs développés dans d’autresmilieux, ce qui constitue un avantage au regardde l’énergie dissipée dans l’arc. L’arc dans levide peut se présenter, en simplifiantvolontairement, sous deux formes principales :le mode diffus et le mode concentré.

Un mode diffus, caractéristique du milieu«vide»Le mode diffus est spécifique de l’arc dans levide : il présente des particularités remarquablesqui le différencient nettement des arcs dans les

milieux gazeux. C’est le mode qu’adoptenaturellement un arc dans le vide pour uneplage de courant s’étendant de quelquesampères à quelques kA.

Les principales caractéristiques du mode diffussont les suivantes :

c la cathode émet dans l’espaceinter-électrodes, par l’intermédiaire d'un ou deplusieurs spots cathodiques, un plasmaglobalement neutre constitué d’électrons etd’ions à forte vélocité dirigés principalementnormalement à la surface de la cathode ;

c l’anode, baignée par ce plasma sur toute sasurface, agit en collecteur passif de charges.Les spots cathodiques et le plasma sont lesspécificités de l'arc en mode diffus.

1000

100

101 10 100 1000

Distance entre électrodes (mm)

Tension declaquage (kV)

Fig. 5 : tenues accessibles pour des distances entreélectrodes très importantes.


c Le spot cathodiqueLe spot cathodique est une zone de très petitedimension (rayon de l’ordre de 5 à 10 µm),capable d’émettre un courant pouvant atteindreune centaine d’ampères.Au niveau du spot cathodique règnent desconditions de température et de champélectrique extrêmes (typiquement 5000 K et5 109 V/m) permettant l’émission électroniquepar la combinaison des mécanismes d’émissionthermoélectronique et de champ (en anglaisT.F. : thermo-field emission) capable de produiredes densités de courant très élevées (de l’ordrede 1011 à 1012 A/m2).Au-delà de 100 A, ce spot se subdivise etplusieurs spots coexistent sur la cathode, ennombre suffisant pour transiter le courant àraison d’une centaine d’ampères chacun. Ils serepoussent mutuellement, ce qui a fait qualifierleur mouvement de «rétrograde» car il est encontradiction avec l’effet habituel des forcesélectromagnétiques. Ainsi un arc en mode diffustend à occuper toute la surface disponible de lacathode (même si à un instant donné les sitesémissifs ne représentent qu’une toute petitefraction de la cathode).

c Le plasmaA l’échelle macroscopique, le spot cathodique(cratère et plasma proche qui lui est associé)apparaît comme le point de production d’unplasma de faible densité émanant du spot etremplissant l’espace inter-électrodes. Ceplasma, globalement neutre (densités égales decharges + et - ), est constitué d’électrons etd’ions typiquement doublement chargés (pour unarc sur des électrodes à base de Cu). Une descaractéristiques de ce plasma est la grandevélocité des ions qui présentent des énergiessupérieures à la tension d’arc (ce qui témoignedes phénomènes hautement énergétiques seproduisant dans la zone du spot cathodique).Ces ions qui émanent du spot avec unedistribution de vitesse approximativement en cos(angle / normale) n’ont donc pas de difficulté àatteindre l’anode et créent un courant ionique desens opposé au courant principal électroniquequi représente typiquement 10 % du courantd’arc. La vélocité dirigée de ces ions est del’ordre de 104 m/s, supérieure à leur vitessed’agitation thermique.Une des conséquences importantes de lavélocité élevée des ions créés par les spotscathodiques est leur faible temps de transit dansl’espace inter-électrodes (typiquement de l’ordrede 1 µs). Le plasma, créé par un spotcathodique, étant constitué de particules trèsmobiles (électrons et ions rapides, pratiquementpas de neutres) disparaît donc très rapidementlorsque le spot cesse de fonctionner (au zéro decourant).L’anode baigne dans le plasma émanant desspots cathodiques. Elle se comporte comme uneélectrode passive collectant les charges etextrayant le courant imposé par le circuit enajustant son potentiel : il est négatif par rapport àcelui du plasma tant que le courant est inférieur

à celui correspondant aux impacts liés àl’agitation thermique des électrons.La répartition des potentiels dans l’arc est lasuivante :v un saut cathodique de l’ordre de 20 V auvoisinage immédiat de la cathode ;v une chute de tension de quelques volts dans leplasma qui croît avec la distance et le courant(caractéristique positive permettant lacoexistence de plusieurs arcs en parallèle,contrairement aux arcs dans le gaz) ;v un saut anodique négatif dans le casconsidéré ci-dessus (courant modéré soutiré parl’anode).Dans ce mode, l’érosion de la cathode estfaible : elle correspond au flux d’ions quittant lacathode, soit environ 40 µg/C. Une partimportante de ces ions se dépose sur l’anode cequi, en courant alternatif, fait que l’érosion netteest beaucoup plus faible : approximativementdivisée par un facteur 10 pour les contacteursqui opèrent dans ce mode avec des courantslimités et des électrodes à faible écartement.

Un mode concentré analogue à celui de l’arcdans un milieu gazeuxLorsque le courant augmente, la situation décriteprécédemment tend à évoluer tout d’abord ducôté de l’anode. Plusieurs phénomènesconcourent à cette évolution.

c D’abord une contraction de la colonne deplasma généralement expliquée par l’effet Hall(déviation des charges par le champ magnétiqueazimutal créé par les autres lignes de courant,d’où l’apparition d’une composante radialetendant à resserrer les lignes de courant versl’axe) : le courant se concentre sur une régionplus limitée de l’anode.

c Par ailleurs l’anode devant attirer de plus enplus d’électrons, la neutralité du plasma n’estplus assurée : les ions positifs manquent pouréquilibrer la charge d’espace des électrons auvoisinage de l’anode. Ceci entraîne la formationd’un saut de tension anodique positif nécessairepour attirer les électrons en dépit de la charged’espace. L’énergie reçue par l’anode augmenteet tend à se concentrer sur une zone réduite :l’anode s’échauffe et commence à émettre desparticules neutres qui sont ionisés par lesélectrons incidents. Il apparaît au voisinage del’anode un plasma secondaire formé d’électronssecondaires et d’ions moins énergétiques queceux émis par les spots cathodiques.

Ces phénomènes se traduisent par l’apparitiond’une tache anodique lumineuse, de dimensionsnettement plus importantes (de l’ordre degrandeur du cm2) que celle des spotscathodiques, faite de métal fondu déversantdans l’espace inter-électrodes des quantités devapeur conséquentes qui s’ionisent dans le fluxen provenance de la cathode.

Cet effet de contraction du côté de l’anode finitpar entraîner également une contraction du côtéde la cathode car il se crée un cheminement


préférentiel grâce au plasma généré parl’anode : une tache cathodique s’établit encorrespondance de la tache anodique et l’arcprend le mode concentré caractéristique desarcs dans un milieu gazeux. Il s'agit alors d’unarc dans une atmosphère de vapeursmétalliques dense, pour lequel les mécanismes

Principes généraux de la coupureTous les disjoncteurs moyenne tension mettent àprofit le passage naturel par zéro du courantalternatif (2 fois par période, soit toutes les10 ms pour du courant 50 Hz) pour interromprele courant.

c L'inévitable phase d'arcLorsqu’un courant de défaut est établi dans uncircuit, la séparation des contacts du disjoncteurn’a pas de répercussion immédiate sur lacirculation de ce courant. Au niveau des dernierspoints de contact, la densité de courant devienttrès élevée, ce qui provoque une fusion locale etl’apparition d’un pont métallique liquide. Lescontacts continuant à s’éloigner, ce pontéchauffé par le courant devient instable et sarupture se traduit par l’apparition d’un arcconcentré dans les vapeurs métalliquesprovenant de l’explosion du pont liquide. Latension d’arc qui apparaît est, dans le cas duvide, faible par rapport aux forcesélectromotrices des générateurs des réseaux BTou HT : le courant circulant dans le circuit n’estdonc pas sensiblement affecté, ni limité, parcette tension d’arc.

de fonctionnement reposent maintenant surl’ionisation du milieu gazeux.

Cet arc en mode concentré est donc caractérisépar un plasma formé d’électrons (pour la plupartsecondaires), de neutres et d’ions dont l’énergieest proche de celle des neutres, doncrelativement lents.

2.3 Phénomènes associés à la coupure au zéro de courant

Cet arc va adopter le mode diffus ou le modeconcentré décrit dans la section précédente,éventuellement évoluer de l’un à l’autre, et semaintenir jusqu'au zéro de courant.

c La phase de rétablissement après le zéro decourantSi le plasma, qui permettait jusqu’alors lepassage du courant, met à profit ce répit pour sedissiper très rapidement, le courant peut êtreempêché de s’établir pour l'alternance suivante.Une tension transitoire de rétablissement (TTR),imposée par le circuit, apparaît alors aux bornesde l’élément passé de l’état conducteur à l’étatisolant. Dans le cas d’un court-circuit, cette TTRest provoquée par les oscillations entre lescapacités locales et les inductances du réseau.Elle présente approximativement, dans sa phaseinitiale, une forme en (1-cosinus) avec unefréquence propre pour des réseaux MT del’ordre de quelques dizaines de kHz et atteintune valeur crête supérieure à la tension normaledu réseau, ce qui correspond à des vitessesmoyennes d’augmentation de quelques kV/µs.Si le milieu nouvellement isolant supporte lacontrainte diélectrique qui lui est alors appliquée,l’interruption de courant est réussie (cf. fig. 6 ).

I10.00 kA

U5.00 kV

UE 40 V/V0.50 V

1 ms

Laboratoire VOLTA C2531 98/12/04/009

Fig. 6 : une interruption de courant réussie (source Merlin Gerin).


Cas de la coupure dans le vide

Pour déterminer les conditions de réussite del’interruption du courant, il est nécessaired’étudier les phénomènes intervenant auvoisinage du zéro de courant dans le plasma del’arc dans le vide.

c Courant post-arcLorsque approche la fin de l'alternance, lecourant décroît d’autant plus rapidement que lecourant crête a été élevé et que la fréquence duréseau est grande (di/dt = ω Î). L’arc dans le viderepasse en mode diffus et, au voisinage du zérode courant, il ne subsiste plus qu’un seul spotcathodique. Par contre l’espace inter-contactsest encore rempli d’un plasma résiduelglobalement neutre, constitué d’électrons, d’ionset de neutres provenant de l’arc précédent.Au moment du zéro de courant, le dernier spotcathodique s’éteint en raison de la disparition dela tension d’arc. Il n’existe donc plus de siteémissif créant les particules chargées (électronset ions) nécessaires au transport du courantélectrique.À partir de cet instant une tension de polaritéopposée à la tension d’arc précédente (la TTR),commence à apparaître entre les deux contacts :l’ex-anode devient négative par rapport à l’ex-cathode et repousse les électrons. Le courantcirculant dans le circuit n’est plus constitué quepar le courant ionique que l’ex-anode extrait duplasma résiduel qui se raréfie : ce courant depolarité opposée à celle du courant d’arc estdénommé courant post-arc.

L’ex-anode n’est plus alors en contact avec leplasma neutre encore présent dans l’espaceinter-contacts : elle en est séparée par une gaine(en anglais "sheath") d’où sont absents lesélectrons repoussés par la tension négative del’ex-anode et où n’existent plus que des ionspositifs qui franchissent la frontière du plasmaneutre et sont alors accélérés vers l’ex-anode.La tension qui apparaît entre ex-cathode et ex-anode n’est donc appliquée que sur l’épaisseurde la gaine séparant le plasma neutre de l’ex-anode. De plus, la présence de chargesd’espace positives dans cette gaine renforce lechamp électrique à la surface de l’ex-anode quiest plus élevé que le champ moyencorrespondant à la valeur de la TTR divisée parl’épaisseur de la gaine (cf. fig. 7 ).L’épaisseur de la gaine entourant l’ex-anode estproportionnelle à la tension appliquée entre leplasma neutre et l'électrode et inversementproportionnelle à la densité des ions positifs :elle augmente donc selon l’évolution de la TTRet d’autant plus vite que le plasma se raréfie.Lorsque la limite de la gaine atteint l’ex-cathode,le plasma résiduel a disparu, l’ensemble de sescharges ayant été utilisées par le courant post-arc qui devient nul.Ces phénomènes se déroulent sur une échellede temps très réduite : la durée totale du courantpost-arc est typiquement de 1 à 10 µs(cf. fig. 8 ).

c Les causes de non-coupurePour que le courant puisse se maintenir, il fautque des mécanismes de création de charges

Fig. 7 : champ électrique à la surface de l’ex-anode et champ moyen correspondant entre les électrodes.

1

2

3

Champélectrique

tSérie 1: E à la surface de l'ex-anodeSérie 2: UTTR / épaisseur gaine, champ moyen dans la gaineSérie 3: UTTR / distance entre contacts


électriques prennent le relais des spotscathodiques éteints de l’ex-cathode.

Un premier mécanisme possible est l’ionisationde la vapeur métallique neutre présente dansl’espace inter-contacts. Cette ionisation estd’autant plus facile que la densité de particulesneutres est importante. Si la densité de vapeurest très importante (zones très chaudes sur lescontacts produisant des vapeurs métalliques enabondance), le courant ne s’interrompt pas dutout : il n'y a pas d’augmentation de la TTR, ils’agit d’une «non-coupure thermique».Si la densité de particules neutres estsuffisamment forte pour que la tenue diélectriquedu vide soit réduite (à proximité du minimum dela courbe de PASCHEN), le courant peut êtreinterrompu, mais l’espace inter-contacts ne peutpas supporter la TTR appliquée et un claquagese produit pendant la montée de TTR, il s’agitd’une «non-coupure diélectrique».

Un deuxième mécanisme possible estl’apparition de spots cathodiques sur l’ex-anode.Pour cela les conditions de l’émissionélectronique doivent être localement réunies à lasurface de l’ex-anode :v émission thermo-électronique si des pointstrès chauds subsistent, c'est le cas lorsquel’anode contient un métal réfractaire (W) ;v émission de champ ou combinée T.F. si lechamp électrique appliqué à la surface estimportant au niveau de certains sites à facteurd’intensification β élevé.

Or on a vu précédemment que le champélectrique appliqué à la surface de l’ex-anodeapparaît avec des valeurs élevées dès le débutde l’application de la TTR car l’épaisseur de la

gaine est alors faible, et d’autant plus faible quela densité d’ions est élevée. Par ailleurs l’ex-anode est bombardée par les ions accélérésdans la gaine par la TTR, ce qui provoque deséchauffements localisés. La probabilitéd’apparition de spots cathodiques sur l’ex-anodeest donc d’autant plus élevée que la densitéd’ions dans le plasma résiduel est importante, cequi va de pair avec une importante densité departicules neutres qui freinent, par collision, lesions rapides émis par les spots cathodiques, lesthermalisent (énergie moyenne proche de latempérature du plasma) et ralentissent leurdiffusion au moment du zéro de courant.

Si la densité de plasma est suffisamment faibleau moment du zéro de courant, les conditions deréussite de la coupure sont probablementremplies : le courant est interrompu et l’espaceinter-contacts tient la tension de rétablissementjusqu’à sa valeur de crête.

Dans le cas des disjoncteurs à vide, le succèsn’est cependant pas entièrement assuré lorsquecette étape a été franchie. En effet, pendantquelques millisecondes après la coupure, lasituation à l’intérieur de l’ampoule reste évolutiveet des claquages diélectriques peuvent seproduire :v des particules générées lors de la phase d’arcpeuvent se détacher des parois sous l’effet desvibrations et/ou des forces électrostatiques ;v les zones en fusion des contacts peuventémettre des gouttelettes sous l’effet des forcesélectrostatiques ;v la solidification du métal liquide peut modifier lasurface du contact ou libérer des gaz dissous.

Fig. 8 : courant post-arc d'une durée particulièrement longue d'environ 40 µs, essai à la limite du pouvoir decoupure de l'ampoule.

I3 P-ARC 1A

V3 5.00 kV

0.01 ms



Aussi lorsqu’une ampoule à vide est essayée àla limite de son pouvoir de coupure, après unecoupure apparemment réussie il n’est pas rared’observer des défaillances diélectriquestardives (cf. fig. 9 ) qui peuvent être :v soit fugitives (durée de quelques µs) carl’ampoule parvient à couper le courant HFconsécutif à la décharge. Si ces claquagesfugitifs se produisent plus d'un quart de périodede la fréquence industrielle après le zéro decourant, ils sont considérés comme des

2.4 Conception pratique des ampoules interrupteurs sous vide

décharges disruptives non maintenues (NSDD)et interprétés comme un signe de faiblesse del'appareil (pour cette raison le nombre maximalde NSDD toléré est de trois pour une sériecomplète d’essais de coupure d’un disjoncteurselon la CEI 60056) ;v soit complètes et, dans ce cas, il y aréapparition du courant de puissance après unepériode plus ou moins longue (de l'ordre de 0,1 à1 ms) d’interruption.

V15.00 kV

V25.00 kV

0.1 ms


V35.00 kV

Fig. 9 : exemple de défaillances diélectriques tardives.

Choix de la technique de coupure

La section précédente a mis en lumière lesconditions qui doivent être remplies pour réussirla coupure. Ces conditions sont pratiquementtoujours réunies lorsque l’arc reste en modediffus, c’est le cas avec des courants à couperqui ne dépassent pas quelques kA. Il en est ainsipour les interrupteurs et contacteurs qui peuventdonc utiliser des contacts bout à bout trèssimples.

Lorsque l’arc passe en mode concentré,l’énergie est dissipée sur une surface d’électroderéduite, et elle provoque un échauffementlocalisé et une vaporisation considérable. Si cetarc reste immobile la coupure n’est plus assurée.

Deux méthodes sont employées pour surmonterles difficultés engendrées par le passage de l’arcen mode concentré.v La première consiste à provoquer unmouvement circulaire rapide de l’arc concentréafin que l’énergie soit répartie sur une grande

partie du contact et que l’échauffement restelimité en tous points : ceci est obtenu parl’application d’un champ magnétique radial dansla zone d’arc.

v La deuxième consiste à empêcher le passageen mode concentré par l’application d’un champmagnétique axial : lorsque le champ atteint unevaleur suffisante, l’arc est stabilisé dans unmode qualifié de colonne diffuse et ne seconcentre pas ; bien qu’immobile l’arc utilise lamajeure partie de la surface des contacts etl’échauffement reste donc dans ce cas aussilimité.

c Technique à champ radial Br→

L’arc concentré peut être assimilé à unconducteur traversé par un courant dont ladirection est parallèle à l’axe des contacts. Si unchamp magnétique radial est appliqué à ceconducteur, la force électromagnétiquerésultante aura une direction azimutale et


provoquera la rotation de l’arc autour de l’axedes contacts.

Le champ Br→

est provoqué par le cheminementimposé au courant dans les contacts. Deuxtypes de structure de contact sont utilisés pourobtenir ce résultat (cf. fig. 10 ) :

v les contacts du type spirale,

v les contacts en coupe du type «cup» ou«contrate».

Le bon fonctionnement des ampoules à champradial est lié à l’obtention d’un compromissatisfaisant au niveau de la géométrie descontacts et, en particulier, de la largeur desfentes pour les contacts de type spirale :

v si la largeur est excessive l’arc a du mal à«sauter» d’une portion de contact à l’autre, cequi peut l’amener à rester stationnaire en boutde piste et donc à échauffer excessivement uneportion de contact (car l’arc est en modeconcentré) ;

v si la largeur est insuffisante, la fente peut êtrecomblée par la fusion du matériau de contact, etle cheminement du courant ainsi modifiéentraîne la disparition du champ radial etl’immobilisation de l’arc.

Bien que mobile, l’arc tournant reste concentréet exerce donc une action énergique sur laportion d’électrode qui le porte, les pressionsélevées régnant dans les racines d’arcentraînent une expulsion du matériau de contactfondu sous forme de gouttelettes. Ce processusest un moyen efficace de limiter l’échauffementdu reste de l’électrode (ou de faciliter sonrefroidissement), car l’énergie apportée par l’arc

a - Spirale

I

I

Br→

F→

I

Br→

F→

b - Contrate

I

Fig. 10 : structures de contact utilisées pour créer le champ radial (spirale et «contrate»).

est emportée avec le matériau expulsé qui secondense sur les parois environnantes ; encontrepartie, il entraîne une érosion relativementimportante des contacts.

c Technique à champ axial Ba→

Lorsqu’un plasma d'arc est soumis à un champmagnétique axial suffisant, les électrons sontcontraints de suivre des trajectoires parallèlesaux lignes de champ qui sont des hélices d’axe

parallèle à celui des contacts car Ba→

estcombiné avec le champ azimutal généré par lecourant lui-même.

Les ions positifs du plasma, beaucoup pluslourds, ne sont pas contrôlés de manière aussiefficace par le champ, mais ils sont retenus parl’effort électrostatique développé par la charged’espace négative des électrons piégés par lechamp axial : ce sont ces forces électrostatiquesqui font que le plasma tend à rester globalementneutre. En conséquence, le confinement desélectrons se traduit par un confinement del’ensemble du plasma dans une colonnecorrespondant au tube de champ intercepté parla cathode : si ce tube est parallèle à l’axe desélectrodes, l’essentiel du plasma produit par lacathode arrive à l’anode. L’arc dans cesconditions conserve l’essentiel descaractéristiques du mode diffus bien qu’à unniveau de densité de courant nettementsupérieur :

v la tension d’arc reste modérée car le plasmaconserve sa neutralité jusqu’au voisinage del’anode (pas de phénomène de «manque»d’ions) ;


v la tendance de l’arc à se concentrer du côté del’anode par effet Hall est contrecarrée par lechamp axial qui force les électrons à maintenirune trajectoire essentiellement parallèle à l’axe ;v si la surface des électrodes, en particulier del’anode, sous-tendue par la colonne d’arc estsuffisante pour le courant, la densité d’énergie etdonc l’échauffement restent limités. Lavaporisation du matériau de contact estsuffisamment réduite pour que la nature duplasma ne soit pas modifiée par l’ionisation desparticules neutres.

Deux conditions principales sont à remplir pourque l’arc reste dans ce mode de colonne diffusepropice à la coupure :

v Ba→

doit être suffisamment élevé. Le champaxial critique nécessaire pour empêcher laformation d’une tâche anodique est donné par laformule expérimentale :Bacrit = 3,9 (Ip - 10)(Ba en mT, avec Ip valeur du courant crête enkA),v la surface d’électrode doit être suffisante pourune valeur de courant donnée : la densité decourant à ne pas dépasser est de l’ordre de17 A/mm2 (formule de RENTZ). En fait, cettelimite en densité de courant n’est valable qu'enpremière approximation et le pouvoir de coupuredes ampoules à champ axial n’évolue pas enproportion directe de la surface des contacts. Eneffet, il faut tenir compte de l’arc concentré initialgénéré à la séparation des contacts et du tempsnécessaire pour qu'il occupe la totalité de lasurface disponible des électrodes : le pouvoir decoupure en fonction du diamètre des contactssuit approximativement une variation en d1,4 .

L’arc dans une ampoule à champ axial estbeaucoup moins mobile que dans une ampoule

à champ radial. Même si la densité de courantest suffisamment élevée pour provoquer lafusion du matériau de l’anode, les projectionsrestent limitées. L’érosion des contacts est doncplus faible qu’en champ radial, par contre lematériau fondu reste en place et retarde lerefroidissement de la surface de l’électrode. Dece fait, bien qu’en principe l’utilisation de lasurface disponible du contact paraisse plusefficace en champ axial qu’en champ radial, cecin’est pas toujours vérifié et, en particulier, pourdes courants importants et des tensions faibles,il est possible d’atteindre en champ radial despouvoirs de coupure supérieurs pour unesurface donnée, au prix toutefois d’une érosionimportante.

Diverses solutions peuvent être utilisées pourobtenir le champ axial entre les contacts enutilisant le courant à couper :v spires intégrées derrière les contacts(cf. fig. 11 ) ;v circuit magnétique canalisant le champazimutal créé par les amenées de courant et leredressant en champ axial dans la zone inter-contacts ;v spire extérieure à l’ampoule enveloppant lazone inter-contacts (cf. fig. 12 ).

D’une manière générale, le chemin imposé aucourant, pour créer un champ axial suffisantdans l'espace inter-contacts, est plus long quecelui nécessaire pour créer un champ radiallocal. Pour un volume donné, la résistance descontacts est donc plus faible avec la technique àchamp radial, ce qui est un avantage pour lesdisjoncteurs de forts calibres.

Par contre, les formes nécessaires pour lescontacts à champ radial sont plus tourmentéesque celles des contacts à champ axial et donc

Fig. 11 : exemple de contacts à champ magnétique axial.

I

I

4 éléments de spire

4 éléments de spire

Pastilles de contact(les fentes empêchent la circulation de courants induits qui s'opposent aux courants parcourant les spires)

Arrivée du courant

Départ du courant


Fig. 12 : ampoule à champ magnétique axial à spireextérieure.

I

I

moins favorables sur le plan diélectrique : lechamp axial sera donc avantageux pour destensions élevées.

Le concepteur choisit donc l’une ou l’autretechnique en fonction de leurs avantagesrespectifs selon l’application envisagée(cf. fig. 13 ).

Choix d’architecturec Constitution d’une ampoule sous videUne ampoule sous vide ne comporte que peu deconstituants (cf. fig. 14 ).

Sur cette figure sont visibles :v deux ensembles de contacts électriques dutype bout à bout (car, dans le vide, des contactsglissants se souderaient) ; l’un est fixe, l’autremobile. Chaque ensemble comporte une

Fig. 13 : tableau comparatif des deux techniques decoupure

Fig. 14 : constitution d'une ampoule de coupure dansle vide.

Aptitude : Technique à Technique àchamp radial champ axial

Courant permanent élevé +++ +

Tension assignée élevée + +++

Endurance électrique + +++

Pouvoir de coupure ++ ++

légende : +++ = très bon ++ = bon + = moyen

Enveloppe isolante

Ecran secondaire

Ecran principal

Contact fixe

Ecrans secondaires

Contact mobile

Soufflet

électrode cylindrique conduisant le courant auxpastilles de contact ;v une enveloppe étanche comportant unisolateur assurant l’isolation électrique entrecontact fixe et mobile ;v un écran protégeant la face interne del’isolateur contre la condensation des vapeursmétalliques générées par l’arc ;v un soufflet métallique permettant ledéplacement du contact mobile tout enmaintenant l'étanchéité de l’enveloppe.

Il s’agit là des constituants de base présentsdans toute ampoule. En plus, dans les ampoulespour disjoncteurs, il y a des dispositifsgénérateurs du champ magnétique (radial ouaxial) nécessaire à la coupure de l’arc depuissance.

C’est essentiellement au niveau de l’écran etdes dispositifs de création du champ magnétiqueque des variantes sont possibles.

c Configurations d’écranLes choix principaux au niveau de l’écranconcernent :v son mode de fixation qui détermine sonpotentiel : le potentiel est fixe (celui del’électrode fixe) si l’écran est relié à cetteextrémité de l’ampoule, il est flottant si l’écranest fixé en un point intermédiaire de l’isolateursans liaison électrique avec l’un ou l’autre descontacts.v sa position qui peut être interne ou externe àl’enveloppe, dans le dernier cas l’écran fait partiede l’enveloppe et doit être étanche.


Les combinaisons de ces différentes optionsaboutissent à quatre configurations possibles quisont toutes utilisées selon les caractéristiquesrecherchées.

En règle générale :v un écran à potentiel fixe est choisi lorsqu’uncoût bas est recherché et un écran à potentielflottant lorsque des performances élevées sontvisées.v un écran externe est choisi pour la compacitéen diamètre et un écran interne pour la simplicitéde réalisation.

c Dispositifs générateurs de champ radial ou dechamp axialLes dispositifs produisant le champ radialnécessaire à la rotation de l’arc doivent êtrepositionnés au plus près de l’arc : ils sont doncintégrés à la structure même des contacts àl’intérieur de l’ampoule. Les deux géométries lesplus courantes ont été décrites dans le chapitreprécédent : il s’agit des contacts «spirale» et descontacts de type «cup» ou «contrate». Le choixde l’une ou de l’autre solution ne modifie pasl’architecture d’ensemble de l’ampoule.Pour les ampoules à champ axial en revanchedeux choix d’architecture sont possibles.En effet, le dispositif générant le champ axial (leplus souvent des éléments de spire circulaired’axe parallèle à celui de l’ampoule) peut êtrelogé dans la structure des contacts internescomme pour les ampoules à champ radial, ou àl'extérieur de l’ampoule. Dans ce dernier cas, ils’agit d’une spire entourant la zone deséparation des contacts. La spire est en sérieavec le contact fixe et est traversée par lecourant du circuit. La figure 15 représente uneréalisation d'une telle configuration : on noteraque, pour réduire la puissance dissipée dans ledispositif, la spire est constituée de troiséléments en parallèle. L'un des inconvénients decette architecture est la longueur ducheminement imposé au courant pour créer unchamp axial suffisant dans un volume important.Ceci entraîne donc des pertes plus importantesqui ne se traduisent toutefois pas forcément pardes échauffements supérieurs, les spires dansl'air étant mieux refroidies (par convection) quecelles qui sont intégrées dans les contacts desampoules.

Par ailleurs, la présence d'une spire au potentieldu contact fixe, autour des contacts, imposepratiquement le choix d'un écran à potentiel fixepour ce genre d'ampoule.

On pourrait penser que la présence d'une spireextérieure présente un inconvénient au niveaude l'encombrement de l'ampoule en augmentantson diamètre extérieur. En fait, la possibilitéd'utiliser l'intégralité de la surface des contactssoumise au champ axial relativement uniformecréé par la spire extérieure (ce qui n'est pas lecas pour les contacts comportant des spiresintégrées) compense ce désavantage et lesencombrements sont comparables.

Le principal avantage de l'architecture champaxial à spire extérieure est la possibilité deréaliser une ampoule compacte, simple et doncéconomique. Les inconvénients sur les planséchauffement et diélectrique (en raison de laconception à écran fixe) font préférer lesarchitectures à dispositifs intégrés aux contacts(champ axial ou champ radial) pour les niveauxde tension élevés (u à 24 kV) ou les courantsnominaux élevés (u à 3150 A).

Choix des matériaux et technologies defabrication

Pour les ampoules d'interrupteurs sous vide, leschoix des matériaux et des technologies defabrication sont guidés par la nécessité :v de garantir le maintien du vide poussé(< 10-3 mbar) nécessaire au fonctionnement del'ampoule pendant sa durée de vie (30 ans),v d'assurer la tenue des performancesassignées et en particulier le pouvoir decoupure.

c Choix relatifs aux exigences de qualité du videToute enceinte sous vide est soumise à unedégradation de son niveau de vide liée auxphénomènes de dégazage qui apparaissentlorsque la pression atteint des valeurssuffisamment basses. Le dégazage est toutd'abord un phénomène de surface quicorrespond au détachement des molécules degaz adsorbées sur les parois. Ce gaz est assezfacilement et rapidement éliminé par unchauffage relativement modéré (de l'ordre de200 °C) des parois de l'enceinte pendant le

I

I

Spire composéede 3 éléments imbriqués

Ampoule

Fig. 15 : Exemple d'une spire, entourant la zone deséparation des contacts, constituée de trois élémentsen parallèle.


pompage. Ensuite apparaît un dégazagevolumique correspondant à la diffusion, vers lasurface des matériaux métalliques, des gazdissous tels que l’hydrogène.

Pour éviter que le dégazage, provenantessentiellement des pièces massives, nedégrade progressivement le niveau de vided'une ampoule, il est important :v d'utiliser des matériaux à teneur en gaz aussifaible que possible (par exemple cuivre Cu-OFEexempt d'oxygène) ;v de procéder à un dégazage poussé de cesmatériaux en effectuant un pompage, de longuedurée, de l'ampoule à température suffisammentélevée (typiquement une dizaine d'heures à unetempérature de l'ordre de 500 °C).

Les gaz liés dans les métaux (sous forme decomposés chimiques) ne sont pas susceptiblesde dégazer, par contre ils peuvent être libéréssous l'effet de l'arc. Il faut donc que lesmatériaux utilisés pour les contacts d'arc soientélaborés sous vide pour avoir une teneur en gazaussi basse que possible.

L'étanchéité de l'enveloppe de l'ampoule doitêtre parfaite, ce qui implique absence de fuite etabsence de perméation dans les conditions deservice. Pour ces raisons, les enveloppes sontréalisées en matériaux métalliques etcéramiques : les isolateurs en céramiqued'alumine ont en effet supplanté le verre car ilspeuvent supporter des températures plusélevées et permettent donc un meilleurdégazage.

Les liaisons entre les pièces métalliques del'enveloppe sont réalisées par soudage oubrasage fort. Les liaisons céramique-métal sontaussi réalisées par brasage fort, soit brasageréactif permettant une liaison directe sur lacéramique, soit brasage traditionnel avec unemétallisation préalable (Mo-Mn + Ni) de lacéramique.

Les opérations de brasage finales sont réaliséesdans un four, sous vide pour assurer ledégazage des matériaux. De plus en plusfréquemment, le scellement de l'ampoule estégalement réalisé pendant l'opération debrasage sous vide, ce qui permet d'éliminerl'opération de pompage.

Compte tenu du niveau d'étanchéité nécessairepour permettre le mouvement du contact mobile,le soufflet métallique est la seule solutionutilisée. Il est généralement réalisé en acierinoxydable austénitique de faible épaisseur(typiquement 0,1 à 0,2 mm). Sa conception etcelle des liaisons par brasage avec le reste del'enveloppe doivent être soigneusement étudiéesen vue d'assurer une endurance mécaniqueélevée malgré l'effet défavorable des cyclesthermiques imposés par les opérations debrasage.

Enfin, il faut mentionner des matériaux utilisésen petite quantité, mais jouant un rôle importantdans l'obtention et le maintien dans le tempsd'un vide poussé. Il s'agit des getters à base demétaux (Baryum, Zirconium, Titane, etc.) trèsactifs chimiquement avec la plupart des gazsusceptibles d'être rencontrés dans lesenceintes sous vide. Les getters sont activés,sous vide poussé, par chauffage à unetempérature suffisante pour provoquer ladiffusion de la couche superficielle passivéedans la masse, et la régénération d'une surfacemétallique active capable d’absorber lesmolécules de gaz présentes dans l'ampoule.Cette opération d'activation est réalisée lors dupompage ou lors du scellement de l'ampoule parbrasage sous vide : c'est en particulier grâce auxmatériaux getters qu'a pu se développer cedernier procédé plus industriel que le pompage,tout en assurant une qualité de videsatisfaisante.

c Choix du matériau de contactUn bon matériau de contact, pour une ampoulesous vide, doit répondre à un certain nombred'exigences :v être bon conducteur de l'électricité, afin d'offrirune résistance de contact réduite ;v présenter une bonne résistance mécaniqueaux chocs répétés que subissent les contactslors des fermetures ;v ne pas former de soudures solides lors desfermetures en charge ou sur court-circuit afinque le mécanisme d'ouverture puisse séparerles contacts et que la rupture de la zone soudéene crée pas de dommages excessifs à leursurface ;v produire peu de vapeurs métalliques pendantla phase d'arc afin de permettre unerégénération diélectrique rapide de l'espaceinter-contacts après coupure, ce qui implique :- une pression de vapeur peu élevée,- une production réduite de gouttelettes pendantla phase de fusion du matériau ;v de présenter de bonnes caractéristiquesdiélectriques pendant la phase d'application dela TTR, ce qui implique :- surface suffisamment lisse, sans aspériténotable (β peu élevé),- pas de points surchauffés émettant par effetthermoélectronique (cas des matériauxréfractaires à conductibilité thermique réduite),- pas de propension à former des particulesfacilement détachables.v permettre l'existence de spots cathodiquesstables jusqu'à de faibles valeurs de courant afinde minimiser le courant arraché et lessurtensions associées à ce phénomène, ce quiimplique en particulier une pression de vapeursuffisamment élevée.Il s'avère que ces nombreuses qualités requisessont parfois contradictoires. Il faut donc réaliserun compromis acceptable pour l'application


envisagée en fonction des propriétés privilégiéesqui sont :v pour les disjoncteurs, le rétablissementdiélectrique après la phase d'arc à courant élevé(bon pouvoir de coupure) ;v pour les contacteurs, une érosion faible et uncourant arraché minimal (endurance électriqueet réduction des surtensions) ;v pour les interrupteurs, la résistance à lasoudure et la tenue diélectrique sous destensions élevées (absence de reclaquage).

Actuellement, les meilleurs compromis sontobtenus avec des matériaux composites et lestrois familles de matériaux les plus utilisés sont :v pour l'application disjoncteur les CuCr ;v pour l'application contacteur les AgWC ;v pour les applications interrupteur, et enparticulier ceux destinés à la commande decondensateurs à tension élevée, les WCu.

Les CuCr se sont affirmés comme les meilleursmatériaux pour l'application disjoncteur et neparaissent pas pouvoir être détrônés à courtterme, même si des évolutions ne peuvent pasêtre exclues.

Les proportions utilisées varient entre 80 et 50 %pour le Cu, le solde pour le Cr.

Une proportion élevée de Cu est favorable pourla conductivité électrique (basse résistance de

contact) et thermique (bonne évacuation del'énergie d'arc).

Une proportion élevée de Cr est, elle, favorablepour la résistance à la soudure et la tenuediélectrique sous tension élevée.

La teneur en gaz du matériau de contact doitêtre la plus faible possible car, lors de sa fusionou vaporisation, ces gaz sont libérés dansl'espace inter-contacts et nuisent à la coupure.L'effet à long terme sur le niveau de vide estmoins gênant qu'on pourrait le penser à priori,car le Cr condensé sur les parois de l'ampoulejoue un rôle de getter et réabsorbe ces gaz.

Il faut noter enfin que l'arc modifie la couchesuperficielle du matériau et améliore ses qualitéspar :v l'élimination des gaz inclus et des oxydes desurface,v l'obtention d'une granulométrie très fine(précipitation du Cr fondu dans la matrice decuivre),v l'homogénéisation du matériau.

Cet effet est parfois qualifié de «conditionnementen courant» (par analogie avec leconditionnement en tension) : en général lecomportement des contacts et la performanceen coupure s'améliorent après quelquescoupures.


i

i

E

L

t = 0

t = 0

Vx

Vx

Vx

Vy

(Vx -Vy)

— 2,0 p.u.

Vy

Vy

t

t

3 Coupure dans le vide et surtensions lors de la commandede circuits inductifs

Les appareils à coupure dans le vide(contacteurs, disjoncteurs, interrupteurs) sontsusceptibles de générer des surtensions lors dela coupure de circuits inductifs (transformateur àvide, moteurs non chargés ou en phase dedémarrage). En raison des propriétésparticulières du vide, ces surtensions peuventêtre de nature différente de celles généréesdans les mêmes conditions par des

appareillages de coupure utilisant unautre milieu (air, SF6, huile...). Engénéral ces surtensions ne posent pasde problème et ne nécessitent pas dedisposition particulière. Cependant dansle cas de récepteurs sensibles (moteurspar exemple) il est recommandé deprévoir des dispositifs limiteurs desurtension.

3.1 Les phénomènes générateurs de surtension

Surtension associée à une coupure idéaleMême dans le cas théorique de la coupureparfaite par un disjoncteur idéal, un certainniveau de surtension est inhérent à l'interruptiondu courant dans un circuit inductif. En effet, lesvaleurs de tension aux bornes des différentséléments du circuit doivent atteindre un nouvelétat d'équilibre correspondant à l'état ouvert.La transition par rapport à l'état fermé précédantl'instant de coupure (zéro de courant) entraînedes oscillations autour du nouvel équilibre etproduit des surtensions par rapport à la tensionmaximale normale du réseau (cf. fig. 16 ).

Dans le cas d'une coupure triphasée, le fait quela coupure ne soit pas simultanée sur les troisphases introduit en plus un régime transitoiregénérateur de surtensions. À titre d'exemple, encas de coupure d'un courant de court-circuitdans un réseau à neutre non mis directement àla terre, la tension de rétablissement aux bornesdu premier pôle qui coupe atteint environ 2,1 à2,2 p.u. (TTR normalisées CEI) et 2,5 p.u. pourla coupure d'une batterie de condensateurs àneutre isolé.

Arrachement de courantLe phénomène le plus connu et le plus répandu,car il concerne toutes les techniques decoupure, est celui de l'arrachement de courant :interruption prématurée du courant alternatifavant son passage naturel par zéro. Cephénomène concerne surtout les disjoncteurs,qui sont dimensionnés pour interrompre lescourants de court-circuit, lorsqu’ils coupent defaibles courants.

Si Ia est la valeur du courant arraché, courantcirculant dans la charge d'inductance Limmédiatement avant l'interruption, l'énergieélectromagnétique stockée dans la charge esttransférée sous forme d'énergie électrostatiquedans la capacité C située aux bornes de lacharge (1/2 L Ia

2 = 1/2 C V2). Il apparaît une

Fig. 16 : surtensions par rapport à la tension maximalenormale du réseau lors de la coupure d'un circuitinductif.

1 p.u. = tension nominale phase-masse maximale

= Un 2

3


augmentation de tension côté charge quiaccentue l'écart par rapport à la situationd'équilibre «circuit ouvert» et amplifie lessurtensions associées à la coupure (cf. fig. 17 ).

Ces surtensions sont donc proportionnelles aucourant arraché et à l'impédance caractéristique

(surge impedance) LC

de la charge.

Dans le cas d'une coupure dans le vide,l'arrachement de courant correspond àl'extinction prématurée du dernier spotcathodique en raison de son instabilité auxfaibles courants : cette caractéristique dépendprincipalement de la nature du matériau decontact. Les valeurs moyennes de courantarraché pour quelques matériaux usuels sontindiquées dans le tableau suivant (cf. fig. 18 ).

En pratique les valeurs de courant arraché dequelques ampères, caractéristiques du matériauCuCr, ne posent pas de problème. Par contre lesvaleurs obtenues avec le cuivre pur sontexcessives et expliquent, avec d'autresconsidérations, que ce matériau ne puisse pasêtre utilisé tel quel.

Préamorçages et réallumages multiplesIl y a amorçage entre les contacts lorsque latension appliquée est supérieure à la tenuediélectrique de l'intervalle. Ce phénomène estinévitable lorsque cet intervalle est très réduit (enfin de fermeture et en début d'ouverture).

Le préamorçage à la fermeture est doncsystématique lorsque la manœuvre se fait soustension : l'intervalle de temps entre lepréamorçage et l'instant où les contacts setouchent (temps de pré-arc) dépend de lavitesse de fermeture et de la valeur de la tensionappliquée au moment où les contacts serapprochent.

Le réallumage à l'ouverture ne se produit que sile temps d'arc (intervalle de temps entre laséparation des contacts et l'interruption du

u

u

tIa

TTR (Ia = 0)

TTR (Ia > 0)

Ts

Fig. 17 : surtensions associées à la coupure d'un circuit avec arrachement de courant.

Vs : tension de suppression = a LC

I

Matériau Iarrachémoy Iarraché max

Cu 15 21

CuCr 4 8

AgWC 1 1,1

Fig. 18 : valeurs moyennes de courant arraché pourquelques matériaux usuels (Cu, CuCr, AgWC).

courant) est faible : dans ce cas l'écartement descontacts est insuffisant pour supporter la TTR etil y a reclaquage diélectrique.

Lors d'un préamorçage ou réallumage, ladécharge oscillante des capacités locales setraduit par un courant HF (dizaines de kHz)circulant entre les contacts en superpositionavec le courant à fréquence industrielle quis'établit progressivement (puisque nul avantl'amorçage).

Ces phénomènes, inévitables, concernent tousles types d'appareillage. La particularité desappareillages à coupure dans le vide est leurcapacité à interrompre le courant HF consécutifà l'amorçage, alors que les autres techniques decoupure en sont généralement incapables enraison des di/dt élevés au moment des passagespar zéro de ce courant.

L'interruption du courant HF génére une nouvelleTTR appliquée entre les contacts dontl'écartement n'a que peu varié, car cesphénomènes se produisent à une échelle detemps petite par rapport à la durée dumouvement des contacts, ce qui entraîne doncun nouvel amorçage et la répétition des mêmesphénomènes (cf. fig. 19 ). Il y a une successiond'amorçages multiples associés à des ondes detension d'amplitude variable selon l'évolution del'écartement des contacts :v à la fermeture l'amplitude du train desurtensions décroît linéairement jusqu'à ce queles contacts se touchent,v à l'ouverture les amplitudes sont croissantesjusqu'à ce que l'écartement des contacts soit


finalement suffisant pour tenir la tension derétablissement qui, du fait d'un processusd'escalade de tension, est toujours plus élevéeque la tension correspondant à une coupurenormale. Les trains de surtensions à front raide,générés par ces phénomènes d'amorçages

multiples, sont donc toujours limités par la tenuede l'espace inter-contacts qui joue un rôled'éclateur. Cependant cette limitation n'estréellement efficace qu'à la fermeture et parcontre, à l'ouverture, les valeurs atteintespeuvent être élevées (cf. fig. 20 ).

Fig. 19 : succession d'amorçages multiples associés à des ondes de tension d’amplitude variable.

u

i

t

t

ud(t)tenue diélectriquede l'espaceinter-contacts

V1 AVAL25 kV

V2 AVAL25 kV

V3 AVAL25 kV

0.01 ms


Fig. 20 : phénomènes d'amorçages multiples lors de la séparation des contacts et la coupure de faible courant inductif.


Les caractéristiques de ces deux types dephénomènes voisins sont résumées dans letableau de la figure 21.

L'inconvénient de ces trains de surtensions tientdavantage à leur front raide qu'à leur amplitude.En effet, ces ondes de tension à faible temps demontée (de l'ordre de 0,2 à 0,5 µs) ne serépartissent pas de manière homogène dans lesenroulements des transformateurs et desmoteurs, mais sollicitent essentiellement lespremières spires (cf. fig. 22 ). Elles peuventdonc provoquer une dégradation et unvieillissement accéléré de l'isolation entre cesspires.

Arrachement de courant virtuel

Dans des configurations particulières (rarementrencontrées en pratique) caractérisées par unfort couplage capacitif / inductif entre les phasesdu circuit, les phénomènes de réallumagesmultiples sur la première phase qui tente decouper conduisent non seulement à desoscillations de courant HF appréciables dans laphase concernée, mais aussi dans les phasesvoisines alors parcourues par un courant encorenotable, car éloigné de son zéro naturel.

Si les courants HF induits atteignent uneamplitude du même ordre que le courant àfréquence industrielle, des zéros de courant(«artificiels» mais bien réels, et non pasvirtuels...) se produisent. L'appareil peut enprofiter pour interrompre le courant bien avantson zéro naturel. Dans de tels cas, les courantsarrachés se chiffrent en dizaines, voire centainesd'ampères et les surtensions associées sont trèsélevées. Une parade proposée est de décaler enavance l'ouverture d'un des pôles de l'appareilde façon que, pendant l'intervalle de temps oùles réallumages multiples sont susceptibles de

Matériaux de contact «doux»

Des matériaux de contact (ex : AgWC, CuBi)présentant une très faible valeur de courantarraché ont été mis au point pour l'applicationcontacteur. Cette performance a été atteinte enassociant faible conductivité thermique et fortepression de vapeur afin d'obtenir des spotscathodiques stables jusqu'à de très faiblesvaleurs de courant.

Ces caractéristiques vont à l'encontre du pouvoirde coupure : ce qui est acceptable pour uneapplication contacteur ne l’est pas pour uneapplication disjoncteur.

De plus l’emploi de ces matériaux n'est efficaceque pour réduire les surtensions liées au courantarraché, qui ne posent pas de problème enpratique lorsque celui-ci n'excède pas quelquesampères (cas du CuCr).

se produire, les deux autres phases soientencore fermées et donc insensibles auxperturbations induites. En pratique, cette solutionn'a pas été appliquée du fait des problèmesqu'elle pose (contrainte non uniformémentrépartie entre les pôles lors de la coupure decourant de court-circuit) et du caractèreexceptionnel du phénomène.

Fig. 22 : pourcentage de la surtension appliqué à lapremière spire d'enroulement selon son temps demontée.

0,10,1 0,2 0,4 0,7 1 2 4 7 10

0,2

0,4

0,7

1,0

Fraction de la surtension appliquée à la 1ére spire d'enroulement

Temps de montée (µs)

Type d'amorçage Occurrence Amplitudemultiple des

surtensions

Préamorçage à Systématique Faiblela fermeture

Réallumage à Occasionnelle Elevéel'ouverture

Fig. 21 : caractéristiques des surtensions liées auphénomènes d'amorçages multiples.

3.2 Les mesures de protection contre les surtensions

Les matériaux de contact «doux» n'apportentpas d'amélioration par rapport aux matériauxclassiques «durs» (CuCr) sur le plan desamorçages multiples. En effet ces matériauxsont aussi capables d'interrompre des courantsayant des di/dt élevés et se caractérisent parune vitesse de rétablissement diélectrique pluslente après séparation des contacts (cf. fig. 23 ) :en conséquence les trains de surtensions à frontraide ne sont pas éliminés mais, au contraire, ilsont tendance à durer plus longtemps qu'avec unmatériau plus performant en coupure.

Coupure synchronisée

Une solution théorique pour éliminer cesphénomènes de réallumages multiples serait decontrôler l'instant d'ouverture des contacts parrapport à l'onde de courant afin d'éviter lestemps d'arc courts. En pratique elle pose des


problèmes complexes de fiabilité du temps deréponse du mécanisme de commande, aussin'est-elle utilisée que dans le domaine de la TrèsHaute Tension où la maîtrise des surtensions demanœuvre peut justifier le surcoût induit auniveau de l'appareillage. Dans le domaine de laMoyenne Tension il est plus économique defaire appel à des dispositifs parasurtenseurslorsqu'un récepteur doit être protégé.

Dispositifs de protection par limitation dessurtensionsComme indiqué précédemment le phénomène leplus sévère est celui des amorçages multiples

qui sollicitent principalement les premières spiresdes enroulements de transformateur ou demoteur.

Ces deux types de récepteurs doivent êtreconsidérés séparément.

En effet, les transformateurs sont conçus poursupporter les contraintes diélectriques généréespar les chocs de foudre qui sont des surtensionsà front raide, ils présentent donc un bon niveaud'isolation des premières spires d'enroulement.Par ailleurs les courants inductifs à interrompresont faibles (transformateur à vide) et lessurtensions associées restent limitées. En règlegénéral il n'est pas nécessaire de prévoir deprotection spécifique pour des transformateursmanœuvrés par de l'appareillage à coupuredans le vide, sauf éventuellement pour destransformateurs à isolation solide moinsrésistants que ceux isolés dans l'huile .

Les moteurs ont une tenue diélectrique inférieureà celle des transformateurs, alors que lescourants à interrompre peuvent être élevés(coupure en phase de démarrage ou rotorbloqué) et donc les surtensions sévères. Enrègle générale il est recommandé de placer desdispositifs de protection aux bornes d'un moteurquel que soit son dispositif de commande,contacteur ou disjoncteur, et le matériau decontact utilisé. Ces dispositifs peuvent être descondensateurs réduisant la pente du front demontée des surtensions, des circuits RC(typiquement C de l'ordre de 0,1 à 0,5 µF et R de10 à 50 Ω) et/ou des parafoudres ZnO.

Fig. 23 : évolution de la tenue diélectrique entrecontacts à partir de l'instant de leur séparation selonleurs matériaux.

00 100 200 300 400 500

2

4

6

8

10

12

14CuCr

AgWC

(kV)Tension de claquage

Temps aprés séparation des contacts (µs)


4 Les principaux domaines d'applicationde la coupure dans le vide

Les propriétés du vide en tant que milieu decoupure pour l'appareillage électrique sontrésumées dans le tableau de la figure 24.

Ces points, forts et faibles, de la technique decoupure dans le vide conduisent donc àprivilégier son utilisation dans certains domainesd'application de l'appareillage électrique. Dans laprésentation qui suit, les différents domainesd'application sont segmentés de la manièresuivante :c par niveau de tension ;c puis par fonction, ou type d'appareillage deconnexion ;c enfin, selon le type de charge à commander.

Ce chapitre passe donc successivement enrevue les domaines de la Moyenne Tension

Domaine Caractéristiques Points forts Points faibles

Pouvoir de Régénération diélectrique Coupure des courants de Coupure des courants HF lors decoupure très rapide. défaut avec di/dt TTR sévères. re-claquages : génération de

surtensions, protections nécessairesdans certains réseaux.

Tension (énergie) Endurance électrique élevée. Pas d’effet limiteur en BT.d’arc faible.

Capacité de couper Interruption du courant en casmême sans déplacement d’amorçage entre contactsdes contacts. ouverts (compense en partie

le manque de fiabilité de latenue diélectrique).

Tenue Influencée par l’état de Tenue diélectrique instrinsèquediélectrique surface des électrodes et limitée en HT et susceptible

la présence de particules. d’évolution dans le temps.

Influencée par la phase Tenue diélectrique post coupured’arc immédiatement aléatoire : risque de réamorçageprécédente. après coupure capacitive si

l’ampoule est non adaptée.

Passage du Contacts de type bout à Nécessité d’une pression de contactcourant bout non compensés. élevée pour éviter la répulsion par

effort électromagnétique.

Contacts dans le vide. résistance de contact Tendance à souder à la fermeture.constante (pas d'oxydationet pas de dégradation à lacoupure).

Mêmes contacts pour la Résistance de contact élevée :coupure et le passage du dissipation thermique importantecourant permanent. pour les forts calibres.

Milieu de Vide < 10-3 mbar. Pas de produits de Impossibilité de contrôler encoupure décomposition et d'effet sur permanence l’état du vide : le

l'environnement. contrôle diélectrique périodiquenécessite la mise hors service.

Fig. 24 : propriétés du vide en tant que milieu de coupure .

(MT : 1< U < 52 kV), de la Basse Tension(BT : U < 1 kV) et de la Haute Tension(HT : U u 52 kV). Le plus long développementest consacré à la MT qui constitue le champd'application principal de la technique decoupure dans le vide. Les domaines BT et HTsont plus brièvement décrits car les limitationsintrinsèques de la technique de coupure dans levide ne lui permettent d'y occuper qu'uneposition marginale : les techniques dominantessont la coupure dans l'air en BT et la coupuredans le SF6 en HT.


4.1 Les applications de la technique de coupure dans le vide en Moyenne Tension

La Moyenne Tension est essentiellement utiliséepour la distribution de l'énergie électrique, entrele transport à grande distance qui s'effectue enHaute Tension (HT) et l'utilisation qui se faitsurtout en Basse Tension (BT). Les niveaux detension inférieurs du domaine MT sontégalement utilisés pour alimenter des récepteursde puissance unitaire trop forte pour la BT.En MT, les principaux types d'appareillage deconnexion utilisés sont les interrupteurs, lessectionneurs, les disjoncteurs et les contacteurs(cf. fig. 25 ).

Les interrupteurs sont des appareils simples etrelativement économiques qui servent àl'exploitation normale des réseaux électriques :ils sont manœuvrés sur ordre d'un opérateur etpermettent d'établir ou d'interrompre le courantdans un élément du réseau. Ils sont capables decouper le courant de charge normal du circuitdans lequel ils sont insérés, et d'établir lecourant de défaut provoqué par un court-circuitsitué en aval de leur position par rapport àl'alimentation en énergie électrique.

Les interrupteurs d’usage général destinés auxréseaux de distribution MT, sur lesquels lafréquence des manœuvres est faible, ont, parconstruction, une endurance électrique etmécanique relativement limitée, typiquement :

c une centaine de coupures à In ;

c un millier de manœuvres mécaniques.

Pour des applications particulières, certainstypes d'interrupteurs doivent être capables de

faire face à des contraintes plus sévères, parexemple :

c les interrupteurs de fours à arc manœuvrentfréquemment avec des courants élevés ;

c les interrupteurs de gradins de condensateursmanœuvrent assez fréquemment et doiventétablir les courants d'enclenchement (àfréquence et amplitude élevées).

Les sectionneurs ne sont pas à proprementparler des organes de coupure puisqu'ilsmanœuvrent hors charge (ils doivent cependantêtre capables d'interrompre les courantscapacitifs résiduels des circuits ouverts). Ils sontutilisés pour isoler un circuit du reste du réseauet permettre d'intervenir en sécurité sur cecircuit. À cet effet, ils doivent avoir une tenuediélectrique élevée entre contacts et respecterdes dispositions constructives visant à éviter lefranchissement de la distance de sectionnementmême en cas de surtension sur le réseau.Malgré ces dispositions, la sécurité desintervenants n'est pleinement assurée que sil'élément de réseau isolé par des sectionneursest également mis à la terre de manière efficace.Les sectionneurs sont fréquemment associésaux appareillages qui ne remplissent pas lafonction de sectionnement, en général lesdisjoncteurs et contacteurs. Les interrupteurssont, par contre, le plus souvent capables deremplir également la fonction de sectionneur : cesont alors des interrupteurs-sectionneurs.

Les disjoncteurs sont des organes de sécuritéqui protègent le réseau en séparant

Type Définition VEI Norme applicabled’appareillage pour MTde connexion

Interrupteur Appareil de connexion capable d’établir, de supporter et CEI 60265-1d’interrompre des courants dans les conditions normalesdu circuit, y compris éventuellement les conditions spécifiéesdes courants dans des conditions anormales spécifiées ducircuit, telles que celles du court-circuit(VEI 60050-441-14-10).

Sectionneur Appareil de connexion qui assure, en position d’ouverture, CEI 60129une distance de sectionnement satisfaisant à des conditionsspécifiées (VEI 60050-441-14-05).

Disjoncteur Appareil de connexion capable d’établir, de supporter et CEI 60056d’interrompre des courants dans des conditions normalesdu circuit, ainsi que d’établir, de supporter pendant unedurée spécifiée et d’interrompre des courants dans desconditons anormales spécifiées du circuit telles que cellesdu court-circuit (VEI 60050-441-14-20).

Contacteur Appareil de connexion ayant une seule position de repos, CEI 60470commandé autrement qu’à la main, capable d’établir, desupporter et d’interrompre des courants dans des conditionsnormales du circuit, y compris les conditions de surchargeen service (VEI 60050-441-14-33).

Fig. 25 : définitions normalisées des principaux types d'appareillage.


automatiquement les portions de réseau endéfaut : ils sont capables d'interrompre lecourant de court-circuit maximal susceptible desurvenir à l'endroit où ils sont installés. Lesdisjoncteurs sont donc des interrupteurs à hauteperformance capables de manœuvrer sur ordred'un opérateur ou d'un dispositif automatique deprotection détectant les situations de défaut. Cesappareils doivent avoir une haute fiabilité, car deleur bon fonctionnement dépendent la sécurité etla disponibilité du réseau.

Les endurances électriques et mécaniquesdemandées aux disjoncteurs sont plus élevéesque celles demandées aux interrupteurs,typiquement :c de 10 à 100 coupures du courant de court-circuit ;c de 2000 à 10000 manœuvres mécaniques etcoupures à In.

Les contacteurs sont les organes de commandede récepteurs qui fonctionnent de manièreintermittente, notamment des moteursélectriques. Ce sont des interrupteurs à cadenceélevée de manœuvres qui doivent pouvoirinterrompre des courants de surcharge plusélevés que le courant nominal (ex : courant dedémarrage moteur ou de rotor bloqué) mais pasles courants de court-circuit qui sont éliminés parun dispositif de protection associé (disjoncteurou fusibles). Leur endurance mécanique etélectrique élevée se chiffre généralement encentaines de milliers de manœuvres.

Le graphique de la figure 26 permet devisualiser le positionnement respectif des quatretypes d'appareillage décrits précédemment

Un des points forts de la technique de coupuredans le vide est son aptitude à l'obtention depouvoir de coupure et d'endurance électriqueélevés : c'est pour cette raison que cettetechnique est surtout utilisée pour lesdisjoncteurs et les contacteurs.

L'application disjoncteur en MTLe pouvoir de coupure requis est élevé pourl'application disjoncteur. Les ampoules à videutilisées pour cette application font donc appelsoit à la technologie champ radial, soit à latechnologie champ axial. L'une et l'autrepermettent d'atteindre les pouvoirs de coupureles plus élevés demandés en MT (jusqu'à 63 kA) ;elles sont donc utilisées en fonction de leursavantages respectifs (cf. fig. 12 ). Comme leSF6, le vide offre pour cette application lesavantages d'une coupure enfermée sansmanifestation extérieure et d'une conceptionsans entretien avec une endurance électriqueélevée.La régénération diélectrique très rapide du videpeut constituer un avantage par rapport au SF6dans les applications particulières pourlesquelles la vitesse de montée de la TTR estplus rapide que celle prescrite par les normesCEI 56 et ANSI C37-06 (ex : cas d'un disjoncteurconnecté directement au secondaire d'un transfo

1

10

100

1000

10000

100000

I = 0 I = In I = 10In I = 100InI

Sectionneur Disjoncteur

Coupe-circuit

Interrupteur Contacteur

Isoler

Nb deManoeuvres

Courts-circuits

Manœuvredes courants

de service

Démarragedes

moteurs

Fig. 26 : positionnement respectif des quatre types d'appareillage en termes de courant à couper et de nombre demanœuvres à effectuer.


de forte puissance). Dans de tels cas, peufréquents car les TTR normalisées couvrent lagrande majorité des applications, lesdisjoncteurs à vide nécessitent un moindredéclassement que les disjoncteurs SF6.

La coupure dans le vide se faisant sans apportd'énergie extérieure, les disjoncteurs à videdemandent moins d'énergie de commande queles disjoncteurs au SF6 à auto-compression. Ence qui concerne les disjoncteurs au SF6 à arctournant ou à auto-expansion l'écart est moinssignificatif. Cet avantage est cependantcontrebalancé par l'inconvénient inhérent à latechnique vide de ne pouvoir utiliser que descontacts bout à bout. Ces contacts nécessitenten effet des pressions de contact élevées pourempêcher la répulsion et la soudure descontacts lors d'enclenchement sur défaut : lespressions de contact nécessaires par pôle sontde l'ordre de 200 daN pour un disjoncteur 25 kAet 600 daN pour un disjoncteur 50 kA. Cetteexigence conduit à augmenter l'énergie decommande pour la fermeture et à renforcer lastructure des pôles qui doivent supporter cescontraintes permanentes en position fermée.

Par ailleurs, malgré les pressions de contactélevées, l'utilisation de contacts bout à bout enmatériau CuCr ne permet pas d'obtenir desrésistances de contact aussi faibles qu'avec demultiples contacts argentés : les disjoncteurs àvide sont donc handicapés par rapport auxdisjoncteurs au SF6 par une dissipationthermique supérieure pour les fortes intensitésnominales (2500 A et au-delà). Les contacts del'ampoule à vide, à l'abri de l'oxydation, ne sontpas limités en échauffement, à la différence descontacts des autres disjoncteurs, maisl'environnement de l'ampoule doit évacuer lescalories générées par celle-ci tout en respectantles températures limites tolérables sur lesraccords et contacts ; c'est pourquoi lesdisjoncteurs à vide de fort calibre secaractérisent par des connexions et desradiateurs particulièrement volumineux.Indépendamment de leur environnement, lesampoules à vide sont également limitées enéchauffement, non par la nature des matériauxqui les composent ou par leur procédé defabrication (brasage à haute température), maispar les propriétés de perméation des gaz autravers des parois métalliques (en particulier dusoufflet) qui deviennent significatives en ce quiconcerne l'hydrogène atmosphérique à partir de200-250 °C.

En conclusion, la technique de coupure dans levide est bien adaptée à l'application disjoncteurd'usage général en MT et couvre l'ensemble desperformances habituellement demandées entension, courant nominal et pouvoir de coupure.Pour des applications particulières comme lacommande de charges inductives oucapacitives, des précautions particulières doiventêtre prises, ou d'autres technologies peuventêtre mieux adaptées.

L'application contacteur en MT

Il s'agit là d'une application particulièrement bienadaptée à la technique de coupure dans le videqui a d'ailleurs acquis une position dominantesur ce segment. En effet, les courants à couperse situent dans la gamme des courantsfacilement interrompus par un arc dans le videen mode diffus, avec des contacts de formessimples et une faible usure du matériau decontact, donc une excellente enduranceélectrique. Les pressions de contact peuventêtre faibles, du fait des courants nominauxmodestes et de la limitation des courants dedéfaut par les fusibles associés, d'autant plusque les matériaux de contact utilisés sont à trèsfaible soudabilité et acceptent donc un certaindegré de répulsion.

Les tensions d'alimentation des moteurs MTsituées dans le bas de la gamme MT (en générali 7,2 kV) autorisent une faible course descontacts (de l'ordre de 4 mm) et la réalisationd'ampoules compactes ayant une grandeendurance mécanique qui sont particulièrementbien adaptées à la commande par électro-aimant.

Tous ces avantages expliquent le succès de latechnique de coupure dans le vide pourl'application contacteur MT. Cependant il ne fautpas perdre de vue le risque de surtension lors del'ouverture de circuits inductifs (moteur en phasede démarrage, transfo à vide), spécifique à lacoupure dans le vide, et la nécessité de mettreen place des protections adaptées(cf. chapitre 3). Ce problème, qui concerne tousles appareillages à coupure dans le vide, doitêtre particulièrement pris en compte dans lecadre de la commande des moteurs qui sont desrécepteurs sensibles aux surtensions.

Les applications interrupteur et sectionneuren MTLa technique de coupure dans le vide qui permetde réaliser des disjoncteurs et contacteurs MTpeut aussi, a fortiori, apporter une réponse auxexigences plus modestes qui sont celles desinterrupteurs. Elle a cependant rencontré unsuccès limité pour cette application. En effet, lesperformances basses peuvent, en général, êtreobtenues de manière plus économique par lestechniques de coupure dans l'air ou dans le SF6.Mais surtout, cette fonction est fréquemmentassociée à la fonction sectionneur, ce qui estfacilement réalisable en technique air ou SF6,mais pas dans le vide. Associer à l'interrupteurvide un sectionneur conventionnel rend cettesolution non compétitive.

L'impossibilité d'assurer le sectionnement avecune ampoule à vide tient au phénomène dedéconditionnement en tension provoqué par ladégradation de l'état de surface des contactssous l'effet des manœuvres mécaniques etélectriques. Ce déconditionnement ne permetpas de garantir la tenue diélectrique obtenue


sans difficulté particulière à l'issue de laprocédure de conditionnement en tension surune ampoule neuve. Par ailleurs l'impossibilitéde contrôler en permanence l'intégrité du milieudiélectrique dans une ampoule à vide estégalement un frein à son utilisation commesectionneur.

Avec un interrupteur, la fermeture sur court-circuit est particulièrement pénalisante pour latenue diélectrique entre contacts, car elle n'estpas suivie par une coupure capable d'éroder lesaspérités provoquées par la rupture de lasoudure des contacts liée au préamorçage.

Pour éviter une dégradation importante de leurtenue diélectrique, lors de fermeturesconsécutives sur court-circuit, les contacts desinterrupteurs sont réalisés avec des matériaux àtrès faible soudabilité tels que le WCu, à la placedu CuCr utilisé pour les disjoncteurs.

Pour des applications particulières requérant uneforte endurance électrique (ex. : interrupteurspour four à arc), la technique de coupure dans levide retrouve tout son intérêt et est largementexploitée, même si les problèmes de surtensionpropres au vide peuvent, dans certains cas, luifaire préférer la technologie SF6 malgré sonendurance inférieure.

Une autre application particulière est celle del'interrupteur de gradin de condensateurs, quipeut être assurée par un disjoncteur au SF6standard, mais qui, en technique vide, nécessite

4.2 Les applications de la coupure dans le vide en Basse Tension

une ampoule spécifique. En effet, la chargeélectrique du condensateur induit une tension derétablissement particulièrement élevéeappliquée aux bornes de l'appareil de coupure.Or la tenue diélectrique post-coupure d'uneampoule sous vide n'est pas son point fort enraison de la possibilité de claquages provoquéspar des particules générées lors de la coupure(cf. chapitre 2).

Dans le cas de gradins de condensateurs enparallèle enclenchés séparément, le risque deréamorçage est accentué par l'effet du couranthaute fréquence dû à la décharge descondensateurs voisins dans celui qui est missous tension : ce courant d'enclenchementimpose l'utilisation de matériau de contact àfaible soudabilité du type WCu incompatibleavec l'application disjoncteur vide. De plus pouréviter des tentatives d'interruption du courant HFd'enclenchement pendant la phase depréamorçage, qui se traduisent par dessurtensions préjudiciables aux batteries decondensateurs, des dispositions doivent êtreprises : l'adjonction de selfs de choc réduit lafréquence du courant d'enclenchement,l'augmentation de la vitesse de fermeture réduitla durée du préamorçage.

En synthèse : si la technique de coupure dans levide n'est pas à exclure pour la commande decharges capacitives, d'autres techniques, et enparticulier le SF6, sont plus adaptées.

La technique de coupure dans le vide, largementemployée en MT pour les fonctions disjoncteuret contacteur, est capable de remplir les mêmesfonctions en BT. Elle est cependant peu utiliséeà ce niveau de tension. En effet, d'une part, elleest en concurrence avec la technique decoupure dans l'air plus simple, plus économiqueet mieux adaptée, et d'autre part lesinconvénients signalés en utilisation MT sontplus gênants en BT.

Le principal défaut de la coupure dans le vide enBT pour la fonction disjoncteur est dû à la faibletension d'arc qui ne peut atteindre ou dépasserla tension du réseau comme dans un disjoncteurà coupure dans l'air : elle ne peut donc paslimiter le courant de défaut à une valeursensiblement inférieure au courant de court-circuit présumé. Cet effet limiteur estparticulièrement utile car il permet d'éviter lesefforts électrodynamiques intenses qui seraientproduits par les courants de court-circuitprésumés souvent élevés en BT (jusqu'à 100 kAet au delà). Cet effet limiteur facilite également lasélectivité naturelle entre disjoncteurs car il estd'autant plus accentué que le calibre dudisjoncteur est petit.

Par ailleurs les inconvénients des ampoules àvide déjà mentionnés pour la MT, qui sont liés àl'utilisation de contacts bout à bout (pression decontact élevée et résistance de contact forte),sont plus gênants en BT de puissance dont lescircuits peuvent véhiculer des courants de court-circuit importants (non limités) et nécessitent descalibres plus élevés qu'en MT.

Enfin le fort pouvoir de coupure nécessaire enBT impose un encombrement des ampoules àvide pénalisant par rapport aux solutions air pourles disjoncteurs de petit calibre.

Pour ces différentes raisons, l'utilisation desampoules à vide dans les disjoncteurs BT estlimitée à un segment restreint correspondant auxperformances suivantes :c pouvoir de coupure i 75 kA,c calibres compris entre 800 et 2500 A.

Dans ce cadre, bien que la coupure dans le videne soit pas moins coûteuse que celle dans l'air,elle peut être intéressante pour les raisonssuivantes :c coupure enfermée sans manifestationextérieure,c utilisation en atmosphère polluée,

c endurance électrique plus élevée.


En utilisation contacteur BT les inconvénientsdes ampoules à vide mentionnés précédemmentpour l'utilisation disjoncteur ne sont plus àconsidérer. Les principaux facteurs qui freinentle développement de cette technique dans cedomaine sont :

c tout d'abord l'écart de coût en faveur dessolutions air classiques ;

4.3 Les applications de la coupure dans le vide en Haute Tension

c ensuite les spécificités du vide au niveau dessurtensions générées lors de la coupure déjàdéveloppées dans le chapitre 3.

En résumé, en basse tension, la technique decoupure dans le vide n'est pas réellement enmesure de concurrencer la coupure dans l'air,sauf dans les cas particuliers où la coupureenfermée apporte un avantage significatif.

Dans le domaine de la HT, c'est pour la fonctiondisjoncteur que l'utilisation de la coupure dans levide peut être envisagée : diverses tentativesont été faites, sans succès probant jusqu'àprésent. En fait il semble que lescaractéristiques de la coupure dans le vide nelui permettent pas de rivaliser réellement avec lacoupure dans le SF6 en Haute Tension.

Une des premières difficultés à surmonter est laréalisation d'ampoules à vide de tension unitairesuffisamment élevée. Si des ampoules à videcapables de couper sous 36 kV sontcouramment réalisées, déjà à 52 kV il estfréquent de devoir utiliser deux ampoules ensérie. A l'heure actuelle le niveau de tension leplus élevé pour lequel est commercialisé undisjoncteur muni d'une seule ampoule par pôleest 72,5 kV.

Les ampoules destinées à des applications à123-145 kV n'ont, pour le moment, pas dépasséle stade du prototype alors que sont réaliséesdes chambres de coupure SF6 jusqu'à unetension unitaire de 420 kV.

La solution consistant à mettre un grand nombred'ampoules en série pour atteindre des tensionsélevées, au-delà des problèmes techniquesqu'elle pose (de répartition de la tension, defiabilité...), ne peut manifestement pas rivaliseréconomiquement avec la coupure dans le SF6.Le principal obstacle à l'obtention d'ampoule àvide de tension unitaire élevée est le«plafonnement» de la performance diélectriquepour les tensions élevées aux alentours de500 kV (cf. fig. 4 ), ce qui correspond au niveaude tenue au choc de foudre à atteindre pour desappareils 123-145 kV. Actuellement aucunesolution technologique n'est envisagée.

Par ailleurs l'utilisation du vide à des tensionsunitaires élevées se heurte au problème desrayons X susceptibles d'être émis par desampoules soumises à des tensions de servicede l'ordre de la centaine de kV. Il s'agit là desniveaux de tension appliqués aux ampoules MTpour les conditionner : cette opération s'effectuedans des enceintes blindées pour protéger lesopérateurs contre l'émission de rayons X.Avec des ampoules de conception diélectriqueadaptée à la HT et déjà conditionnées, le niveaude rayonnement émis (en position ouvert)devrait rester acceptable, mais comme lefonctionnement des ampoules peut entraîner undéconditionnement partiel, cette préoccupationne peut pas être totalement écartée.

Pour des raisons de limitation physique lacoupure dans le vide ne peut donc prétendrerivaliser avec le SF6 que pour les plus basniveaux de tension du domaine HT et ceci dansdes conditions économiques défavorables. Pourdes applications très particulières, l'associationdes deux techniques de coupure vide et SF6peut être envisagée, comme cela a été fait pourun disjoncteur 250 kV courant continu utilisantune ampoule à vide en série avec une chambrede coupure SF6. Cette solution réunit lesqualités du vide, pour la coupure avec des di/dtet des vitesses d'accroissement de la TTRinitiale élevés, à celles du SF6 prenant le relaispour assurer la tenue sur la fin de la montée deTTR. Pour les applications disjoncteur HTcourantes il n'est pas sûr que des solutionshybrides puissent rivaliser économiquementavec des solutions 100 % SF6, même si sur leplan technique de telles solutions sontattrayantes en permettant d'associer les qualitésde chaque technique de coupure.


5 Conclusion

A l'issue de ce tour d'horizon, la technique decoupure dans le vide apparaît, en raison de sesbonnes performances en pouvoir de coupure etendurance électrique, comme généralementbien adaptée pour les applications disjoncteur etcontacteur en moyenne tension.

Cependant la technique de coupure dans le SF6est souvent mieux placée lorsque lescaractéristiques privilégiées sont la tenuediélectrique, le faible niveau des surtensions demanœuvre ou l'aptitude aux courantspermanents élevés.

Bien que mature, la technique de coupure dansle vide présente encore un potentiel notable deprogression de ses performances, en particulieravec la technologie champ axial, relativementrécente. Ainsi, la tendance à la réduction detaille des ampoules disjoncteur devrait sepoursuivre. Pour cela des progrès sont à réaliserdans l'optimisation de l'utilisation de la surfacedes contacts et dans l'accroissement desdensités de courant admissibles. Avec cesobjectifs, les principaux axes de rechercheactuels sont :

c la modélisation de l'arc et de ses interactionsavec le champ magnétique axial ;

c les mécanismes de diffusion et de répartitionde l'énergie d'arc à la surface des contacts ;

c l'amélioration des caractéristiques desmatériaux de contact.

Pour étendre les domaines d'applications de latechnique de coupure dans le vide, et mieuxexploiter ses qualités, les constructeursd'appareillage envisagent aussi de nouvellessolutions et notamment l'association à d'autrestechniques, en particulier à celle du SF6, afin deconjuguer leurs avantages respectifs. Cetteapproche est déjà utilisée pour certaines cellulesmoyenne tension à isolation gazeuse qui allientles qualités de la coupure dans le vide à cellesde l'isolation dans le SF6.

Une autre voie, pour le moment encore peuexplorée, est la réalisation de disjoncteurshybrides associant les deux techniques decoupure, dans le vide et dans le SF6. A prioriplus coûteuse, elle pourrait néanmoins s'avérerintéressante dans certains domainesd'application si elle parvient à concilierefficacement le meilleur des deux technologies.


Bibliographie

Cahiers Techniques Schneider Electricc Les techniques de coupure en MT,Cahier Technique no.193 - 1998 -S. THEOLEYRE

Autres publications

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Cahier technique n 198 - schneider-electric.com · Cahier Technique Schneider Electric n° 198 / p.4 1 Introduction : utilisation du vide comme milieu de coupure dans l’appareillage