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Page sur les fusibles et les disjoncteurs

Les Fusibles

C'est un élément de protection des circuits électriques. La partie active du fusible est un fil d'alliage spécial qui, placé dans un circuit électrique, coupe le courant en fondant si l' intensité atteint une certaine limite .

Symbole
Il y a deux familles de fusibles, les rapides qui fondent de suite et les retardés ou temporisés qui sont un peu plus lents.
Les différences pour les reconnaître
  Fusible rapide Fusible retardé Fil Fil simple Fil simple ou spiralé Symbole F T ou D Pour l'éléctronique Pour la maison Pour la voiture Généralement en verre Généralement en céramique FKS 5 X 20 mm 0,1 à 10 A
6,35 X 32 mm 0,5 à 12 A 8,5 X 23 mm 4 à 16 A
8,5 X 31,5 mm 4 à 20 A
10,3 X 25,8 mm 10 à 16 A
10,3 X 38 mm 10 à 32 A 3 à 30 A Les microfuse TR5 Fusible CMS    

Variantes

Fusibles thermiques automatiques par bilames : ce type de fusible contient un bilame qui se déforme à une température donné lors du passage d' un courant trop élevé. Lorsque la température redescend le contact se rétablie si ce fusible est auto réarmable, sinon un petit bouton permet de le réarmer manuellement .
Fusibles thermiques : ces fusibles fondent à une température donné .

Le PolySwitch

Le PolySwitch est un composé plastique chargé de particules carbonées qui, sous l'effet d'un courant de défaut, subit une augmentation de température entraînant une séparation de ces particules et augmentant ainsi la résistance interne du PolySwitch à l'infini.Il peut donc être assimilé à un fusible réarmable.

Utilisations

Comme c' est un élément de protection ont le retrouve en amont des circuits, au niveau du transformateur sur le primaire pour éviter de faire disjoncter la ligne si celui est en défaut ou après pour protéger le transformateur si un court circuit se produit dans le circuit.
Si le circuit électronique est alimenté en 230v avec des triacs ou thyristors qui pilotent des sorties il est conseiller de placer des fusibles sur chaque sorties plutôt que sur l' alimentation générale ainsi si une des sorties de puissance fait fondre un fusible ont sait de suite d' ou vient le problème.
Pour réaliser un câblage électrique cohérent il faut que le fusible partant du tableau principale soit d' une valeur la plus importante pour ensuite diminuer vers les appareils et puisse supporter la somme de toute les intensités maximale de tout les appareils qui peuvent être branché simultanément.

Disjoncteur et protection

Classe de protection éléctrique
Il existe 4 classes de protection :
Détail
Classe 0 : l'appareil possède une isolation fonctionnelle sans prise de terre. Les prises de ces équipements n'ont pas de broche de terre. La carcasse pourrait être mise à un potentiel dangereux pour l'Homme (par un défaut d'isolation par exemple) sans que le défaut ne soit détecté avant le contact.
Classe 1 : l'appareil possède une isolation fonctionnelle avec une borne de terre et une liaison équipotentielle. Ces équipements ont des prises possédant une prise de terre sur laquelle sont connectées les parties métallique.
Classe 2 : l'appareil possède une isolation renforcée sans parties métalliques accessibles. Les prises des équipements de classe 2 ne possèdent pas de broche de terre.
Classe 3 : l'appareil fonctionne en très basse tension de sécurité (TBTS) de 50 volts maximum. L'abaissement de tension doit être réalisé à l'aide d'un transformateur de sécurité, réalisant une isolation galvanique sûre entre le primaire et le secondaire.

symbole de protection classe 2
symbole de protection classe 3
La classe de protection électrique de l'équipement doit être indiquée dessus à l'aide du symbole correspondant.

disjoncteur

Un disjoncteur (Un disjoncteur est un organe électromécanique, voire électronique, de protection, dont la fonction est d'interrompre le...) est un organe électromécanique (L'électromécanique est l'association des technologies de l'électricité et de la mécanique.), voire électronique, de protection, dont la fonction est d'interrompre le courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).) en cas d'incident sur un circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants électriques ou électroniques...). Il est capable d'interrompre un courant de surcharge ou un courant de court-circuit dans une installation. Suivant sa conception, il peut surveiller un ou plusieurs paramètres d'une ligne électrique. Sa principale caractéristique par rapport au fusible est qu'il est réarmable(il est prévu pour ne subir aucune avaries lors de son fonctionnement).

Différentes techniques utilisées par les disjoncteurs

Thermique

Le thermique est un disjoncteur où des spires de fil chauffent par effet Joule, si l'échauffement devient suffisamment important, le bilame se déclenche interrompant ainsi le courant.
Détail
Ce système électromécanique est assez simple et robuste.
Par contre, il n'est pas très précis et son temps de réaction est relativement lent
La protection thermique (La protection thermique, dans le domaine de l'astronautique, est l'ensemble des dispositifs utilisés pour éviter qu'un...) a pour principale fonction la protection des conducteurs contre les échauffements dus aux surcharges prolongées de l'installation.

Magnétique

Un bobinage détecte le champ électromagnétique généré par le courant traversant le disjoncteur, lorsqu'il détecte une pointe de courant supérieur à la consigne, l'interruption est instantanée dans le cas d'une bobine rapide ou contrôlée par un fluide dans la bobine qui permet des déclenchements retardés. Il est généralement associé à un interrupteur(Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant d'interrompre ou...) de très haute qualité qui autorise des milliers de manoeuvres.
Détail
Ce fonctionnement peut remplacer le fusible sur les court-circuits
Suivant le type de disjoncteur, la valeur d'intensité de consigne va de 3 à 15 fois l'intensité nominale (pour les modèles courants)
De nombreuses autres possibilités existent, déclenchement par bobine tension, interrupteur/disjoncteur pour montage face avant, compatible bi-tension 100 / 230 Volts, bobine sous voltage, déclenchement à distance, réarmement à distance.
Nombreuses courbes de déclenchement pour CC, CA 50 / 60 Hz et 400 Hz
Une option étanche est généralement disponible, soit version face avant étanche, soit entièrement IP67
C'est la fonction remplie par un fusible aM (protection des moteurs). La protection magnétique a pour principale fonction la protection des équipements contre les défauts (surcharge de l'équipement, court-circuit, panne, ...). Il est choisi par l'ingénieur qui a le souci de protéger son équipement avec très grande précision.

Différentiel

Un disjoncteur différentiel est un interrupteur différentiel réalisant également une protection en courant de court-circuit (surcharge).
Le principe d'un dispositif différentiel à courant résiduel (DDR) est de comparer les intensités sur les différents conducteurs qui le traversent. Par exemple, en monophasé, il compare l'intensité circulant dans le conducteur de phase et celle du conducteur de neutre. C'est un appareil de protection des personnes et de détection des courants de fuite à la terre de l'installation électrique.
Le dispositif différentiel est basé sur le principe suivant : dans une installation normale, le courant électrique qui arrive par un conducteur doit ressortir par un autre. Dans une installation monophasée, si le courant dans le conducteur de phase au départ d'un circuit électrique est différent de celui du conducteur neutre, c'est qu'il y a une fuite. La différence d'intensité du courant à laquelle réagit un disjoncteur est appelée la sensibilité différentielle du disjoncteur (obligatoirement 30 mA sur les circuits terminaux domestiques), notée I n (i delta n).
Son fonctionnement est très simple : chaque conducteur passe dans un tore magnétique, formant ainsi des champs électromagnétiques de force identique et en opposition qui s'annulent. En cas de différence, d'où son nom de différentiel, le champ électromagnétique résultant actionne un dispositif qui coupe immédiatement le courant.
Il existe plusieurs classes de dispositifs différentiels :
Détail
Les dispositifs de classe AC
Les dispositifs de classe A, sont prévus pour les circuits dédiés, cuisinières, plaques de cuisson à induction, lave-linge, dont le fonctionnement produit des courants résiduels comportant une composante continue. la sécurité des personnes reste assurée, le risque de déclenchement injustifié reste limité. Les dispositifs différentiels de classe AC ne se déclenchent parfois pas sur ce type de courant de défaut. Dans le tertiaire, ce type de dispositif sont obligatoire sur les circuits ou les matériels de classe 1 qui sont susceptibles de produire le type de phénomène décrit ci-dessus.
Les dispositifs de classe F (ancienne dénomination : HI, HPI, SI, ce type de dispositif différentiel bénéficie d'une immunisation complémentaire contre les déclenchements intempestifs. Ils sont aussi recommandés pour les circuits nécessitant une continuité du service, tel que des congélateurs ou les circuits informatiques (généralement dans le tertiaire).

Magnéto-thermique

Deux des techniques précédemment décrites sont associées afin de veiller sur plusieurs paramètres:
Détail
Surcharge, effet thermique, la réponse au dysfonctionnement est alors lente (la coupure du circuit peut prendre de quelques dixièmes de seconde à plusieurs minutes en fonction de l'importance de la surcharge).
Court-circuit (intensité pouvant monter à plusieurs milliers d'Ampères), effet magnétique, la réponse est alors très rapide (de l'ordre de la milliseconde).
éclaté d'un disjoncteur
Détail
Manette servant à couper ou à réarmer le disjoncteur manuellement. Elle indique également l'état du disjoncteur (ouvert ou fermé). La plupart des disjoncteurs sont conçus pour pouvoir disjoncter même si la manette est maintenue manuellement en position fermée
Mécanisme lié à la manette, sépare ou approche les contacts
Contacts permettant au courant de passer lorsqu'ils se touchent
Connecteurs
Bilame
Vis de calibration, permet au fabricant d'ajuster la consigne de courant avec précision après assemblage
Solenoïde
Réducteur d'arc.

Utilisation

Ces modèles sont destinés à remplacer les fusibles gG (notamment utilisés en domestique), en offrant l'avantage d'être réarmable (une manette à actionner, aucune cartouche à remplacer) et en cumulant dans un même boîtier une détection thermique contre les surcharges prolongées et magnétique contre les augmentations rapides de courant.

Constantes de temps

Certains disjoncteurs sont équipés de systèmes mécaniques, électriques ou électroniques, réglables en durée, en intensité ou en sensibilité, permettant d'interdire le fonctionnement de l'une des 3 fonctions ci-dessus (thermique, magnétique, différentielle) durant un certain laps de temps. Ce retard au déclenchement permet d'autoriser certains phénomènes transitoires négligeables du point de vue de la protection des personnes, des circuits et des équipements, mais qui pourraient autrement déclencher l'ouverture de la protection (mise sous tension de transformateurs ou d'alimentation à découpage par exemple). Ils peuvent également être réglés afin de laisser la possibilité à une autre protection située en aval de remplir son rôle, permettant ainsi la sélectivité des protections.

Pouvoir de coupure

Le pouvoir de coupure d'un disjoncteur correspond à son aptitude à couper un circuit sans destruction et à coup sûr en présence d'un courant de court-circuit.
La coupure d'un circuit en charge implique la formation systématiquement d'un arc électrique. Cet arc permet au courant de continuer à circuler, il tend donc à s'opposer à la coupure. Plus le courant est important plus l'arc est puissant. En présence d'un fort courant, l'arc électrique qui se développe entre les contacts du disjoncteur soumet ces derniers à des forces électrodynamiques violentes, qui tendent à "lutter" contre l'ouverture. Si le mouvement n'est pas assez rapide et si la disparition de l'arc n'est pas assurée dans un temps suffisamment court, la fusion des contacts risque d'entraîner leur soudure, et donc d'empêcher l'ouverture définitive du disjoncteur. Le disjoncteur n'est alors pas capable d'assumer sa fonction.
Un disjoncteur doit donc être dimensionné pour pouvoir supporter le courant de court-circuit potentiellement présent à son point d'insertion dans un circuit, sous la tension potentiellement présente à ce même point d'insertion. L'intensité et la tension de ce courant dépend de plusieurs facteurs :
Détail
La capacité du circuit d'alimentation à fournir un courant maximal sous une certaine tension
La possibilité pour le circuit (fils, pistes) et l'appareillage alimenté, à générer un courant plus ou moins important
La faculté qu'a l'appareillage ainsi que le circuit l'alimentant à être le siège d'une tension plus ou moins importante (normale ou accidentelle).
Dans le cas contraire, il devra être lui-même protégé soit par un fusible, soit par un autre disjoncteur présentant un pouvoir de coupure suffisant.

Eléctronique

Un déclencheur électronique peut réaliser les fonctions des déclencheurs thermiques et / ou magnétiques, c'est-à-dire détecter selon le cas les courants de surcharge ou les courants de court-circuit pour provoquer l'ouverture des contacts.
Il se compose toujours d'un dispositif de mesure du courant (shunt, ou le plus souvent transformateur de courant à fer ou à air), d'un dispositif de traitement électronique de la mesure (comparaison du courant mesuré à une valeur définie), et d'un dispositif de déclenchement (un électro-aimant qui libère le mécanisme d'ouverture).
L'intérêt d'un déclencheur électronique est de pouvoir disposer d'une large plage de réglage (du niveau de déclenchement, du délai de déclenchement), d'inclure éventuellement des algorithmes sophistiqués de détection de courant de défaut, par exemple en prenant en compte la dérivée du courant, de permettre la transmission de l'état du disjoncteur, de la mesure du courant, etc.. vers un automatisme de surveillance du réseau.
Son inconvénient est de nécessiter une alimentation en prélevant l'énergie nécessaire :
Détail
sur le courant (appareil dit à propre courant) : un délai est nécessaire après la mise sous tension pour que l'alimentation ait accumulé une énergie suffisante pour être capable de déclencher l'ouverture. Ces déclencheurs ne peuvent réagir aussi rapidement qu'un magnétique.
Sur le réseau : un dispositif doit empêcher la fermeture du disjoncteur tant que l'alimentation par la tension du réseau n'est pas assurée.
Sur un réseau séparé qui doit être sécurisé.
En effet, un disjoncteur doit pouvoir déclencher dès l'apparition d'un court-circuit, y compris celui résultant de sa propre fermeture

Hydraulique

Le mécanisme de déclenchement utilisé dans le cas d'un disjoncteur Magnéto-hydraulique ou Hydro-magnétique est double. D'une part la partie magnétique déjà expliquée ci dessus, et d'autre part, le dispositif hydraulique. Celui-ci remplace la partie thermique. Il va donc permettre de détecter les surintensités légères mais de longue durée.
Ses avantages sont les suivants :
Détail
Pas d'inertie thermique : Après un déclenchement, le réeclenchement est immédiatement possible
Pas décalage de la protection avec la température ambiante : Les disjoncteurs thermique voient leur calibre varier en fonction de la température ambiante, contrairement à la technologie hydraulique.
Son principal inconvénient reste son prix vis-à-vis de la technologie thermique

Pouvoir de coupure

Le pouvoir de coupure d'un disjoncteur correspond à son aptitude à interrompre un courant de court-circuit sans destruction et à coup sûr. Il se caractérise par l'intensité maximale du courant qui passerait si aucun disjoncteur ne l'interrompait.
La coupure d'un circuit en charge implique la formation systématique d'un arc électrique entre les contacts. Le courant circule à travers l'arc, ce qui retarde la coupure, mais qui génère entre les contacts une tension, dite tension d'arc, qui s'oppose à la tension du réseau qui l'a créé. Le courant diminue, jusqu'à se couper, dès que la tension d'arc est supérieure à celle du réseau, conséquence de l'équation du circuit : .
L * (dI / dt) = Er - Uarc - R * I
Un fort courant soumet tous les conducteurs à des forces électrodynamiques violentes, qui selon l'architecture de l'appareil peuvent l'aider ou non à s'ouvrir rapidement, aider aussi l'arc électrique à s'allonger et à rejoindre une zone, dite chambre d'extinction, où son énergie sera bien absorbée.
Plus le courant est important, plus l'arc est puissant (produit intensité par tension d'arc), plus l'énergie accumulée peut être destructrice. Si la disparition de l'arc n'est pas assurée dans un temps suffisamment court, le boîtier de l'appareil peut ne plus supporter la pression des gaz échauffés, la fusion des contacts risque d'empêcher le réarmement de l'appareil. Le disjoncteur ne serait alors plus capable d'assumer sa fonction.
Un disjoncteur doit donc être dimensionné pour pouvoir supporter le courant de court-circuit potentiellement présent à son point d'insertion dans un circuit, sous la tension potentiellement présente à ce même point d'insertion. L'intensité et la tension de ce courant dépendent de plusieurs facteurs :
Détail
la capacité du circuit d'alimentation à fournir un courant maximal sous une certaine tension
la possibilité pour le circuit (fils, pistes) et l'appareillage alimenté, à générer un courant plus ou moins important
la faculté qu'a l'appareillage ainsi que le circuit l'alimentant à être le siège d'une tension plus ou moins importante (normale ou accidentelle).
Dans le cas contraire, il devra être lui-même protégé soit par un fusible, soit par un autre disjoncteur présentant un pouvoir de coupure suffisant.
classe
B : seuil de declenchement magnétique entre 3 et 5 fois l'intensité nominale -( charge résistive )
C : seuil de declenchement magnétique entre 5 et 10 fois l'intensité nominale -( charge indictive )
D : seuil de declenchement magnétique entre 10 et 14 fois l'intensité nominale -( charge fortement inductive )
MA : seuil de declenchement magnétique fixé a 12 (20% de tolérance)
K : seuil de declenchement magnétique entre 10 et 14 fois l'intensité nominale -( protection des circuits éléctronique )
S : courant de commande -( selectif retarde via un hystétrésis )
Z : seuil de declenchement magnétique entre 2,4 et 3,6 fois l'intensité nominale -( protection des semiconducteur )

Disjoncteur à haute tension

Un disjoncteur à haute tension est destiné à établir, supporter et interrompre des courants sous sa tension assignée (la tension maximale du réseau électrique qu'il protège), selon la définition donnée par la Commission électrotechnique internationale.
Détail
Il opère à la fois :
dans des conditions normales de service, par exemple pour connecter ou déconnecter une ligne dans un réseau électrique
dans des conditions anormales spécifiées, en particulier pour éliminer un court-circuit dans le réseau provoqué par la foudre
De par ses caractéristiques, un disjoncteur est l'appareil de protection essentiel d'un réseau à haute tension, car il est seul capable d'interrompre un courant de court-circuit et donc d'éviter que le matériel connecté sur le réseau soit endommagé par ce court-circuit.

Principe de fonctionnement

La coupure d'un courant électrique par un disjoncteur à haute tension est obtenue en séparant des contacts dans un gaz ou dans un milieu isolant (par exemple l'huile ou le vide). Après séparation des contacts, le courant continue de circuler dans le circuit à travers un arc électrique qui s'est établi entre les contacts du disjoncteur.
Arc entre les contacts d'un disjoncteur à haute tension
à ce jour, les disjoncteurs à haute tension (72,5 kV à 1100 kV) utilisent essentiellement le gaz ou l'huile pour l'isolement et la coupure, la technique de coupure dans le vide est limitée aux applications en moyenne tension avec quelques développements récents pour une tension assignée de 84 kV
Dans les disjoncteurs à gaz, le courant est coupé lorsqu'un soufflage suffisant est exercé sur l'arc électrique pour le refroidir et l'interrompre.
à l'état normal, le gaz contenu dans le disjoncteur est isolant, il permet de supporter la tension du réseau connecté à ses bornes. Lorsque les contacts du disjoncteur se séparent, l'intervalle entre les contacts est soumis à un fort champ électrique, le courant circule alors à travers un arc qui est un plasma.La température de l'arc devient très élevée, elle peut atteindre 20000°C ou plus au coeur de l'arc. Sous l'action du soufflage exercé sur l'arc lors du fonctionnement du disjoncteur, la température de l'arc diminue, les électrons et les ions se re-combinent et le fluide retrouve ses propriétés isolantes. La coupure de courant est alors réussie.
Pour les disjoncteurs à haute tension, le principe de coupure retenu est la coupure du courant lorsqu'il passe par zéro (ceci se produit toutes les dix millisecondes dans le cas d'un courant alternatif à 50 Hz). En effet, c'est à cet instant que la puissance qui est fournie à l'arc par le réseau est minimale (cette puissance fournie est même nulle à l'instant où la valeur instantanée du courant est nulle), on peut donc espérer, moyennant un soufflage suffisant, mettre à profit cet intervalle de temps pendant lequel le courant est de faible intensité pour refroidir suffisamment l'arc afin que sa température diminue et que l'espace entre les contacts redevienne isolant.

Techniques de coupure

Les premiers disjoncteurs à haute tension, introduits à la fin des années 1890 et au début du vingtième siècle, ont utilisé l'huile, l'eau ou l'air comprimé pour la coupure. Le premier brevet de disjoncteur pour la Haute tension B, basé sur la séparation de deux contacts dans l'huile (et dans l'air), a été déposé par Sebastian Ziani de Ferranti en juillet 1895. Ce principe sera amélioré par la suite et donnera lieu aux disjoncteurs à huile . La coupure dans l'air atmosphérique s'est développée en Haute tension A, l'idée étant alors d'allonger suffisamment l'arc dans l'air afin de provoquer son refroidissement, son extinction et ensuite assurer la tenue de la tension du réseau
La technique de coupure dans l'huile a été ensuite supplantée par la coupure dans l'air comprimé, le SF6 et le vide.

Disjoncteur à huile

La coupure dans l'huile s'est imposée en haute tension après avoir été développée en moyenne tension (ou Haute tension A). Sous l'action de l'arc électrique, l'huile est décomposée, plusieurs types de gaz sont produits (essentiellement de l'hydrogène et de l'acétylène) lors de cette décomposition. L'énergie de l'arc est utilisée pour décomposer et évaporer l'huile, ceci permet de refroidir le milieu entre les contacts et par suite d'interrompre le courant à son passage par zéro.
Les premiers disjoncteurs à huile avaient des contacts de coupure qui étaient plongés dans de l'huile contenue dans une cuve métallique au potentiel de la terre, d'où leur nom de Dead tank. Ils sont appelés disjoncteurs à gros volume d'huile. Certains sont toujours en service actuellement, par exemple aux états-Unis.
Par la suite, dans les années 1950, les disjoncteurs à faible volume d'huile ont été conçus pour réduire la quantité d'huile nécessaire et surtout limiter le risque d'incendie inhérent aux disjoncteurs à gros volume d'huile. L'arc se développe dans un cylindre isolant afin de limiter sa longueur et de contrôler autant que possible l'énergie contenue dans l'arc. Cette énergie est utilisée pour générer le soufflage par vaporisation de l'huile comme expliqué précédemment. Cette technique que l'on appelle par auto-soufflage sera reprise plus tard pour les disjoncteurs à SF6. Elle a été appliquée pour des tensions assignées atteignant 765 kV et des courants de défaut très élevés, pouvant atteindre 50 kA
Ces disjoncteurs avaient pour principaux inconvénients de nécessiter de nombreux éléments de coupure en série (pour tenir la tension) et de nécessiter un entretien important et délicat (remplacement de l'huile usagée). Ils ont été supplantés par les disjoncteurs à SF6 qui nécessitent peu de maintenance et ont une longue durée de vie.

Disjoncteur à air comprimé

Disjoncteur à air comprimé
Le gaz contenu dans les disjoncteurs à air comprimé est maintenu sous haute pression (20 à 35 bars) à l'aide d'un compresseur. Cette haute pression permet d'assurer la tenue diélectrique et de provoquer le soufflage de l'arc pour la coupure
Le soufflage intense exercé dans ces disjoncteurs a permis d'obtenir de très hautes performances (courant coupé jusqu'à 100 kA sous haute tension) et avec une durée d'élimination du défaut très courte permettant d'assurer une bonne stabilité des réseaux en cas de défaut.
Ils ont eu longtemps le monopole des très hautes performances et furent pendant les années 1960 et 1970 utilisés de préférence dans les réseaux à très haute tension, en particulier en Amérique du Nord.
Un défaut des disjoncteurs à air comprimé est leur bruit très important à l'ouverture. De plus, ils nécessitent un entretien périodique, en particulier de leurs compresseurs, ceci explique qu'ils ont été progressivement supplantés par une autre génération de disjoncteurs, celle des disjoncteurs à SF6 (ou hexafluorure de soufre).
à noter que la technique à air comprimé est la seule qui permette encore aujourd'hui d'atteindre les pouvoirs de coupure les plus élevés (275 kA sous 36 kV) qui sont exigés pour les disjoncteurs de générateurs

Disjoncteurs avec ampoules à vide

Ampoule à vide pour disjoncteur à moyenne tension
Les premières recherches et brevets sur les ampoules (interrupteurs) à vide ont été faites par le California Institute of Technology vers 1926. Les premières applications industrielles ont été réalisées à la fin années 1950 lorsque les difficultés technologiques de mise en oeuvre furent résolues, notamment la garantie d'un vide poussé pendant au moins vingt ans, ce qui nécessite une étanchéité parfaite de l'ampoule
Dans un disjoncteur à vide, l'arc est alimenté par les particules issues des contacts. La haute tenue diélectrique obtenue dans un vide poussé permet de tenir la tension transitoire de rétablissement entre contacts après interruption du courant. Le passage du courant dans des contacts de forme appropriée génère un champ magnétique qui entraîne la rotation de l'arc et évite que ce dernier reste attaché sur la même surface de contact. Il est ainsi possible d'éviter la fusion des contacts d'arc et une production excessive de particules métalliques qui aurait limité la tenue de la tension après l'interruption du courant.
Actuellement des disjoncteurs intégrant des ampoules à vide sont en service jusqu'à 84 kV, au Japon, le pouvoir de coupure d'un disjoncteur à vide peut atteindre 63 kA. Des recherches sont en cours pour développer des ampoules à vide de tension supérieure

Disjoncteur à haute tension au SF6 (Hexafluorure de soufre)

L'utilisation du SF6 pour l'isolation a été brevetée aux états-Unis par Franklin Cooper de General Electric en 1938 et son utilisation pour l'interruption d'un courant a été revendiquée aussi en 1938 dans un brevet allemand par Vitaly Grosse de AEG (Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft).
La première application industrielle du SF6 pour la coupure date de 1953, elle a été faite par Westinghouse pour des interrupteurs en charge à haute tension 15 kV à 161 kV avec un pouvoir de coupure de 600 A
La première réalisation d'un disjoncteur SF6haute tension a été faite en 1956 par Westinghouse mais le pouvoir de coupure était alors limité à 5 kA sous 115 kV (1000 MVA) et cet appareil devait avoir de nombreux éléments de coupure en série par pôle pour assurer les performances (six chambres de coupure en série).
Dans le même temps, en 1957, les Ateliers de Constructions Electriques de Delle ont réalisé un disjoncteur 23 kV 250 MVA pour cellules de distribution, puis un disjoncteur "Dead Tank" pour locomotive 25 kV 200 MVA
Il faut attendre 1959 pour voir la production par Westinghouse du premier disjoncteur SF6 à grand pouvoir de coupure : 41.8 kA sous 138 kV (10000 MVA) et 37,6 kA sous 230kV (15000 MVA). Ce disjoncteur tripolaire comprenait trois chambres de coupure en série par pôle. Il fonctionnait avec une pression SF6 de 13,5 bar relatifs (au-dessus de la pression atmosphérique) pour le soufflage et de 3 bar relatifs pour assurer la tenue diélectrique. Des performances étaient obtenues grâce aux hautes pressions utilisées, cependant ces appareils présentaient le risque de liquéfaction du SF6 pour des températures inférieures à 5°C, il fallait donc prévoir un maintien en température du réservoir haute pression.
Les très bonnes propriétés du SF6 ont entraîné l'extension de la technique SF6 au cours des années 1960 et son utilisation pour le développement de disjoncteurs à fort pouvoir de coupure sous des tensions de plus en plus élevées allant jusqu'à 800 kV et 1100 kV depuis 2009 en Chine.
Le développement des réseaux haute tension et la nécessité de faire pénétrer ces réseaux à l'intérieur des agglomérations et des zones industrielles ont entraîné la conception de nouveaux types de postes à haute-tension à encombrement réduit du type "blindé" ou "sous enveloppe métallique". Pour assurer l'isolement, l'air atmosphérique a été remplacé par du SF6, qui possède de très bonnes propriétés diélectriques, ce qui a permis de réduire fortement l'encombrement de l'appareillage à haute-tension.
L'application de cette technique en haute tension a permis de réaliser dès 1966 le premier poste prototype expérimental blindé 230 kV installé au Plessis-Gassot (près de Paris) et le premier disjoncteur sous enveloppe métallique en 1967 à Levallois-Perret puis en 1969 au poste de Vaise (Lyon, France)

Disjoncteur auto-pneumatique

Principe des disjoncteurs auto-pneumatiques
Le principe du soufflage auto-pneumatique s'est développé au cours des années 1970 et au début des années 1980 pour répondre aux spécifications les plus exigeantes et développer des appareils de plus en plus performants
Lorsque le disjoncteur est en position "fermé", le courant transite par des contacts dits "permanents" qui sont situés sur le diamètre extérieur de la partie active. Lors d'un déclenchement du disjoncteur, la partie mobile se déplace vers le bas, entraînant la séparation des contacts permanents. Le courant passe alors par une autre série de contacts, appelés "contacts d'arc". Quand la partie mobile a fait une course suffisante, les contacts d'arc se séparent, ce qui provoque l'amorçage d'un arc entre ces contacts. Les contacts d'arc sont réalisés avec des matériaux à base de tungstène de manière à pouvoir supporter sans dommage les effets de l'arc électrique.
Pendant la manoeuvre d'ouverture, le disjoncteur produit lui-même la compression du gaz nécessaire au soufflage de l'arc. Le déplacement relatif du cylindre de soufflage par rapport au piston fixe crée une surpression dans le cylindre qui s'évacue à l'intérieur de la buse et refroidit l'arc, permettant ainsi son extinction.
La mise au point de nouvelles générations de disjoncteurs SF6 très performantes a entraîné dans les années 1970 la suprématie des appareils SF6 dans la gamme 7,2 kV à 245 kV.
à partir de 1983, la réalisation des disjoncteurs 245 kV mono-coupure (avec un élément de coupure par pôle) et des appareils correspondants 420 kV, 550 kV et 800 kV, a conduit à la domination de la technique SF6 dans l'ensemble de la gamme haute tension
Disjoncteur 115 kV au Canada
Détail
Sur le plan technique, plusieurs caractéristiques des disjoncteurs SF6 peuvent expliquer leur succès :
La simplicité de la chambre de coupure qui ne nécessite pas de chambre auxiliaire pour la coupure (contrairement aux appareils plus anciens à air comprimé)
L'autonomie des appareils apportée par la technique auto-pneumatique (sans compresseur de gaz)
La possibilité d'obtenir les performances les plus élevées, jusqu'à 63 kA, avec un nombre réduit de chambres de coupure : une seule chambre est nécessaire en 245 kV, une ou deux en 420 kV et 550 kV, généralement quatre en 800 kV
Une durée d'élimination de défaut courte, de 2 à 2,5 cycles en très haute tension
Une grande endurance électrique qui permet de garantir une durée de vie d'au moins 25 ans
Une réduction de l'encombrement possible avec les postes sous enveloppe métallique
La possibilité d'équiper les chambres de résistances de fermeture ou d'effectuer des manoeuvres synchronisées afin de limiter les surtensions pendant les manoeuvres en très haute tension
La sécurité de fonctionnement
Un faible niveau de bruit.
Au début des années 1980, une nouvelle génération de disjoncteurs SF6 à très haute tension a été développée, avec une géométrie simplifiée qui intègre un inséreur de résistance de fermeture dans la chambre de coupure. Dans ce cas, la résistance est située à l'extrémité de la chambre, à l'intérieur d'une enveloppe métallique mais isolée de celle-ci par le SF6 contenu dans le pôle. Cette résistance sert à limiter les surtensions sur le réseau pendant l'enclenchement ou le ré-enclenchement de longues lignes à très haute tension.
La réduction du nombre de chambres de coupure a entraîné une grande simplification des appareils par la diminution du nombre de pièces en mouvement, du nombre de joints d'étanchéité etc. Il en a donc résulté une amélioration de la fiabilité des appareils qui est venue s'ajouter à l'augmentation du pouvoir de coupure.

Disjoncteur à auto-soufflage

Principe des disjoncteurs à auto-soufflage
La période 1984-2000 a été marquée par le fort développement des moyens de calcul et de modélisation des disjoncteurs SF6.Grâce à l'utilisation de ces moyens, de nouveaux appareils à faible énergie de manoeuvre ont été développés.
Les disjoncteurs à auto-soufflage sont caractérisés par l'utilisation importante de l'énergie d'arc pour la coupure : le soufflage par auto-soufflage s'est substitué en grande partie au soufflage auto-pneumatique pour la coupure des forts courants. La coupure des courants faibles est toujours obtenue par un soufflage auto-pneumatique, l'énergie de l'arc n'étant pas suffisante pour contribuer au soufflage.
La figure 3 montre que pendant la phase de fort courant, l'arc amorcé entre les contacts 7 et 8 transmet une grande partie de son énergie au volume d'expansion thermique Vt. Au passage par zéro du courant la surpression ainsi crée se vidange à travers la buse isolante 9 et à l'intérieur du contact mobile 7. Ce double soufflage permet de refroidir et d'interrompre efficacement l'arc. Pour la coupure des courants faibles un soufflage auto-pneumatique d'appoint est effectué dans le volume Vp, le gaz comprimé venant souffler l'arc par l'intermédiaire du volume Vt.
Une évolution des chambres de coupure à auto-soufflage a consisté à introduire un clapet (V) entre le volume d'expansion et le volume de compression.
Principe des disjoncteurs à auto-soufflage et double volume
En coupure de faibles courants le clapet s'ouvre sous l'effet de la surpression générée dans le volume de compression. Le soufflage de l'arc s'effectue comme dans un disjoncteur auto-pneumatique grâce à la compression de gaz.
Dans le cas d'une coupure de forts courants, l'énergie d'arc produit une forte surpression dans le volume d'expansion, ce qui entraîne la fermeture du clapet (V) et isole le volume d'expansion par rapport au volume de compression. La surpression nécessaire à la coupure est obtenue par une utilisation optimale de l'effet thermique et de l'effet bouchon qui se produit lorsque la section de l'arc réduit de manière significative l'échappement du gaz dans la buse.
Pour éviter une consommation excessive d'énergie par compression de gaz, une soupape limite la surpression dans le volume de compression à la valeur nécessaire pour la coupure des faibles courants de court-circuit.
Une évolution plus récente des chambres de coupure à auto-soufflage a consisté à réduire l'énergie cinétique qui doit être fournie par l'organe de manoeuvre pendant l'ouverture du disjoncteur. Ceci est obtenu en déplaçant les deux contacts d'arc en sens opposé, de sorte que la vitesse de chaque partie mobile est la moitié de celle d'un appareil classique. Dans cette configuration, la masse en mouvement est augmentée mais l'énergie de manoeuvre est notablement réduite étant donné que l'énergie cinétique varie comme le carré de la vitesse.
Disjoncteur à auto-soufflage à double mouvement des contacts
Le principe de coupure à auto-soufflage a permis d'utiliser des commandes à ressorts de faible énergie pour la manoeuvre des disjoncteurs haute tension. Les appareils à auto-soufflage ont remplacé les appareils auto-pneumatiques pendant les années 1990-2003, tout d'abord en 72,5 kV, puis de 145 kV à 800 kV.

Disjoncteurs de générateurs

Disjoncteur de générateur 17,5 kV 63 kA avec son organe de manoeuvre au premier plan
Ces disjoncteurs sont connectés entre un générateur de centrale électrique et le transformateur qui élève la tension avant transport de l'énergie électrique par le réseau.
Les disjoncteurs de générateurs sont généralement utilisés à la sortie des générateurs de forte puissance (jusqu'à 1800 MVA, dans le cas de centrales nucléaires) pour les protéger de manière sûre, rapide et économique.
Ces disjoncteurs ont une conception particulière car ils doivent pouvoir transiter des courants très élevés en service continu (6300A à 40000 A et être aussi dotés d'un très fort pouvoir de coupure. En outre, ils doivent être capables de couper des forts courants avec une vitesse de rétablissement de la TTR qui est très supérieure à celle des appareils de distribution utilisés dans la même gamme de tension.
Les disjoncteurs à coupure dans le SF6 sont utilisés lorsque le pouvoir de coupure ne dépasse pas 160 kA ou 210 kA, au-delà, les disjoncteurs à air comprimé fournissent les pouvoirs de coupure les plus élevés qui peuvent être requis, jusqu'à 275 kA.

évolution des disjoncteurs à haute tension

Détail
L'évolution actuelle des disjoncteurs à haute tension est marquée par :
la banalisation de forts pouvoirs de coupure (50 kA et 63 kA)
la réduction des énergies de manoeuvre
la réduction du nombre de chambres de coupure par pôle
l'introduction de l'électronique entre autres pour des fonctions d'autodiagnostic.
En ce qui concerne les disjoncteurs au SF6 et compte-tenu de l'impact important du SF6 sur l'environnement
La réduction des fuites et des risques de fuites sur les disjoncteurs pendant la conception du système.
Le mise en place de procédures de vérification, de détection, de localisation et de réparation des fuites pendant la periode d'exploitation du produit.
Le recyclage des gaz en fin de vie du disjoncteur.
Grâce à la mise en place de ces principes, l'impact déjà faible à l'origine, est maintenant maitrisé.

Performances d'un disjoncteur à haute tension

Les performances des disjoncteurs à haute tension sont définies dans les normes internationales CEI et ANSI / IEEE. Dans ce domaine, les normes CEI sont reconnues dans la plupart des pays au monde, alors que les normes ANSI / IEEE sont utilisées essentiellement en Amérique du Nord .
La norme CEI 62271-100 est applicable aux disjoncteurs à haute tension.
Comme tout appareil électrique à haute tension, un disjoncteur doit avoir un niveau d'isolement assigné et un courant permanent assigné en service continu qui assure que la température de ses pièces ne dépassera pas une valeur normalisée.
Détail
De plus un disjoncteur doit avoir un pouvoir de coupure assigné dans les cas suivants :
coupure de courants de lignes à vide, câbles à vide ou de batteries de condensateurs
coupure de défaut aux bornes
coupure de défaut en ligne
coupure en discordance de phases
coupure de courants de charges inductives pour les disjoncteurs qui manoeuvrent des moteurs ou des réactances shunt.
La performance principale qui caractérise un disjoncteur est son pouvoir de coupure en court-circuit, c'est-à-dire le courant maximal qu'il est capable d'interrompre sous sa tension assignée (tension maximale du réseau où il est utilisé). Les valeurs du pouvoir de coupure en court-circuit, exprimé en valeur efficace, sont comprises typiquement entre 25 kA et 63 kA (exception faite des disjoncteurs de générateurs). Le courant de court-circuit qui peut être interrompu par un disjoncteur dépend fortement de la tension qui se rétablit aux bornes du disjoncteur après interruption du courant. Cette tension se rétablit tout d'abord avec des oscillations à haute fréquence, on l'appelle alors la tension transitoire de rétablissement (TTR), puis elle varie avec la fréquence industrielle du réseau.
Un disjoncteur doit aussi être capable d'établir un courant de court-circuit dont la valeur crête est normalement égale au produit de son pouvoir de coupure en court-circuit par 2,5 (réseaux à 50 Hz) ou 2,6 (réseaux à 60 Hz).
En outre, les disjoncteurs de lignes à haute tension doivent être capables d'enclencher ou ré-enclencher des lignes sans provoquer de surtensions sur le Réseau électrique. Deux techniques sont utilisées pour limiter les surtensions : l'insertion de résistance à la fermeture ou une manoeuvre synchronisée par rapport à la tension, avec dans ce dernier cas un objectif de fermeture du circuit lorsque la tension aux bornes du disjoncteur est minimale.
Ces performances sont vérifiées par des essais effectués en vraie grandeur, suivant les normes CEI 62271 ou IEEE, dans des laboratoires spécialisés. Lorsqu'elles sont supérieures à la puissance des alternateurs du laboratoire, il est nécessaire d'utiliser une méthode, dite synthétique, avec des sources séparées de courant et de tension.
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