Interrupteur sous vide : fonctionnement et principe + nuances de sélection et de connexion

L'appareil électrique disjoncteur à vide – est un dispositif destiné à être utilisé dans les réseaux électriques à haute tension. Il tire son nom d'une particularité de construction – la chambre à vide, grâce à laquelle on obtient l'extinction instantanée de l'arc électrique.

L'appareil est utilisé comme commutateur destiné à déconnecter l'équipement en cas de situation d'urgence ou dans le cadre d'une exploitation courante. Examinons de plus près ce qu'est un commutateur à vide et à quoi il sert.

Comment fonctionne un commutateur à vide haute tension ?

Le fondement de la fonctionnalité des chambres à vide utilisées dans la construction des disjoncteurs repose sur les propriétés physiques d'un gaz à l'état raréfié. Dans ces conditions, la propriété du gaz, appelée rigidité diélectrique, augmente considérablement.

Cet effet d'un milieu hautement raréfié (plage de 10^-6 à 10^-8 N/cm²) est utilisé avec succès dans les constructions de disjoncteurs équipées de chambres à vide gazeuses, à travers lesquelles passent les groupes de contacts électriques.

L'un des modèles de disjoncteur à vide – un appareil utilisé dans l'exploitation de réseaux électriques de puissance. Il est considéré comme plus moderne et plus fiable que des appareils similaires, mais d'un autre type de construction.

Le courant circulant à travers les groupes de contacts (au moment de la séparation des contacts) forme une décharge électrique – un arc. La combustion de l'arc est due à l'ionisation partielle des vapeurs métalliques, inévitablement produites par la température élevée. Le passage du courant entre les contacts à travers le plasma formé est maintenu jusqu'au moment où le courant passe par la barre de neutre.

Dès que le passage par zéro se produit, l'arc électrique s'éteint. La durée totale du processus ne dépasse pas 7 à 10 microsecondes.

Structure des disjoncteurs à vide

La diversité des disjoncteurs à vide, compte tenu de leur construction, est assez grande. Il est donc difficile de caractériser ces appareils dans leur ensemble. Cependant, indépendamment des différences de construction, le principe de fonctionnement reste inchangé.

Schéma structurel du disjoncteur à vide : 1 – borne supérieure ; 2 – chambre à vide ; 3 – isolateur polymère ; 4 – borne inférieure ; 5 – contact en ruban ; 6 – ressort de puissance ; 7 – tige de traction ; 8 – ressort de déclenchement ; 9 – levier de transmission ; 10 – arbre d’entraînement ; 11 – déclencheur ; 12 – boîtier

Pour une familiarisation générale, examinons le disjoncteur à vide tripolaire, équipé d’un mécanisme à ressort moteur. Cet appareil est conçu pour une installation intérieure ou extérieure. Dans tous les cas, son montage est effectué à l’intérieur de coffrets métalliques de distribution spéciaux.

Les appareils peuvent être utilisés dans les domaines les plus variés de l’économie nationale. Cependant, il existe certaines restrictions.

Ainsi, les disjoncteurs à vide ne sont pas destinés à être installés et exploités dans les conditions suivantes :

• locaux où l’atmosphère est inflammable et explosive ;
• installations qui prévoient structurellement des commutations fréquentes ;
• installations de type mobile (déplaçable) ;
• systèmes énergétiques des navires maritimes et fluviaux.

Les disjoncteurs à vide présentent généralement deux types de conception :

1. Pour installation fixe.
2. Pour installation avec chariot d’appareillage.

Quelle que soit la version, la zone du boîtier de l’appareil contient trois pôles équipés de chambres d’extinction d’arc.

À l’intérieur des chambres à vide, des contacteurs mobiles actionnés par un mécanisme à ressort moteur fonctionnent. Le boîtier de l’appareil est complété par un panneau avant contenant des éléments d’indication et des dispositifs de commande.

Éléments principaux externes du disjoncteur : 1 – pôles de l’appareil ; 2 – mécanisme de verrouillage de la mise en marche ; 3 – fenêtre de levage ; 4 – poignée de la mécanique bloquant les circuits externes

Les trois pôles du circuit principal sont en forme de colonnes. Les pôles sont généralement situés à l’arrière du châssis du mécanisme à ressort moteur. Chaque pôle est complété par une chambre d’extinction d’arc enfermée dans un isolateur polymère. Afin de renforcer la rigidité électrique, le corps de l’isolateur a une forme nervurée.

À l’intérieur de chaque chambre à vide, un groupe de contacts composé de deux éléments – un mobile et un fixe – est monté. L’élément de contact mobile est relié au mécanisme de commutation via un isolateur de traction. Ensuite, la liaison avec la borne de contact inférieure. Et le contact fixe est connecté à la borne de contact supérieure de l’appareil par un emmanchement conique.

Comment fonctionne le mécanisme d'entraînement du disjoncteur ?

Les contacts mobiles des chambres à vide sont mécaniquement reliés à l’arbre du mécanisme à ressort moteur. Grâce au ressort de puissance pré-armé (mis en état de tension), le mécanisme peut être facilement actionné par une simple pression sur le bouton de commande ou par un autre mécanisme.

Schéma structurel de la chambre à vide : 1 – bornier du contact fixe ; 2 – contact fixe ; 3 – contact mobile ; 4 – écran métallique ; 5 – isolateur céramique (polymère) ; 6 – soufflet ; 7 – bornier du contact mobile

Le ressort (généralement deux ressorts) est armé par une transmission à chaîne. Le mode de fonctionnement normal de l'équipement prévoit l'armement du ressort à l'aide d'un moteur électrique équipé d'un réducteur. Cependant, une poignée d'armement manuel est disponible, utilisée en cas de panne ou de perte d'alimentation.

Le ressort armé est maintenu par un mécanisme de déclenchement. Ce mécanisme est commandé par un actionneur électromagnétique ou par un bouton de mise en marche. Dès que le mode de mise en marche est activé, le verrouillage est libéré, la force de tension du ressort actionne un mécanisme à came. Celui-ci agit à son tour sur un arbre qui est mécaniquement relié au mécanisme de commutation des contacts mobiles des chambres à vide.

L'opération de déclenchement du disjoncteur à vide est effectuée en activant le mode « Déclenché » – par électroaimant ou par bouton. La séquence des actions est pratiquement analogue au premier mode. Ici aussi, les ressorts de force de déclenchement sont impliqués, dont l'état est déterminé par le mécanisme de déclenchement.

Panneau de commande et éléments d'indication : 1 – mode « enclenché » ; 2 – mode « déclenché » ; 3 – état armé du ressort ; 4 – état libéré du ressort

Le panneau de commande assure la facilité d'utilisation et le contrôle du fonctionnement de l'appareil. Sur la face avant du panneau se trouvent les éléments suivants : compteur de cycles, indicateur d'état du ressort d'armement, indicateur d'état du disjoncteur à vide.

Caractéristiques des constructions débrochables

L'équipement de type débrochable est assemblé sur la base d'un chariot d'appareillage spécial. Grâce à cet accessoire, le disjoncteur est introduit à l'intérieur de l'armoire ou en est retiré.

Le chariot d'appareillage agit non seulement comme moyen de transport de l'appareil, mais remplit également la fonction de contrôleur de mise en service de l'appareil en mode test ou en mode de fonctionnement dès que le disjoncteur est inséré dans l'armoire.

Chariot d'appareillage : 1 – galet (4 pcs) ; 2 – socle ; 3, A – socle mobile ; 4 – poignée (2 pcs) ; 5 – douille de manivelle ; 6 – barre de verrouillage ; 7 – élément de fixation ; 8 – connecteur pour circuit secondaire ; 9 – mécanique de verrouillage de l'appareil ; 10 – contacts de verrouillage ; 11 – barre de fixation de vis ; B – partie fixe

Le disjoncteur à vide est fixé directement à la partie mobile du chariot. La fixation est réalisée par des assemblages à boulons. Cependant, le chariot d'appareillage comporte également une partie fixe sur laquelle est fixé l'actionneur de la partie mobile. Le mouvement du module mobile par rapport au module fixe est effectué grâce à la vis de la poignée de commande du chariot.

Partie mobile – une base métallique sur quatre roues, traitée par galvanisation. On y trouve un blocage mécanique externe (plaque de pression) de la prise de terre, un blocage de la vis d'entraînement, des contacts auxiliaires, un mécanisme de verrouillage du disjoncteur et d'autres éléments assurant le mouvement ou le blocage.

Installation et connexion de l'appareil

Avant de commencer à installer le disjoncteur à vide, vous devez inspecter tous les éléments accessibles de l'extérieur afin de vous assurer qu'il n'y a ni dommages ni défauts. Ensuite, nettoyez les surfaces isolantes des pôles à l'aide d'un chiffon sec non pelucheux.

Il est interdit d'intégrer l'équipement dans le système si les surfaces isolantes présentent des éclats, des fissures ou des zones déformées. Le schéma des circuits secondaires ainsi que le raccordement de la barre de masse doivent impérativement être vérifiés.

Vérification de l'appareil installé. Il est important d'examiner soigneusement chaque pièce, chaque élément de fixation. Les appareils haute tension ne pardonnent pas la moindre erreur.

Avant l'installation, vous devez vérifier le fonctionnement du disjoncteur par un enclenchement manuel (à vide sans alimentation) et vous assurer de la position correcte des indicateurs du panneau de commande. Ensuite, vérifiez la présence des capots des pôles. Si l'équipement est utilisé pour un calibre de 1600A et plus, les capots de protection doivent être retirés avant le montage.

Connexion directe au réseau

Les bornes des embouts des conducteurs des câbles de puissance doivent être dénudées avant d'être raccordées aux bornes du disjoncteur.

La procédure de dénudage diffère selon le matériau des bornes utilisé :

• Pour les bornes en cuivre et en aluminium sans revêtement supplémentaire, le dénudage se fait avec du papier abrasif de granulométrie M20 ou inférieur, suivi d'un dégraissage de la surface métallique.
• Si les bornes en cuivre ou en aluminium sont recouvertes d'une couche d'argent, il suffit de les nettoyer avec un chiffon non pelucheux.

Il est interdit d'utiliser des câbles dont le revêtement argenté des bornes est endommagé sur plus de 5 % de la surface. Dans ce cas, l'élément endommagé doit être remplacé. Pour plus d'informations sur les bornes de connexion des fils, veuillez consulter le cet article.

Les conducteurs externes sont amenés aux bornes du disjoncteur à vide de manière à ne pas créer d'efforts mécaniques sur les bornes de l'appareil de la part des conducteurs externes. Les connexions se font par serrage boulonné avec l'utilisation de rondelles métalliques plates élastiques.

Comment effectuer la mise à la terre ?

Les appareils de type fixe sont raccordés à la plaque de terre par un serrage boulonné (M12) directement au point marqué « Mise à la terre ».

Les éléments de structure du chariot d'appareillage et du châssis du disjoncteur par lesquels la mise à la terre de l'appareil est effectuée. En règle générale, ces points sont marqués par un signe correspondant apposé à côté de l'élément.

Dégraissez la zone du point de contact «Mise à la terre» avant la connexion. Comme conducteur de terre, vous devez choisir une barre de section suffisante (conformément aux règles d'installation électrique - PEU), un fil souple ou un conducteur torsadé en faisceau. Avant de poser le conducteur sur la plage de contact, enduisez les surfaces de contact d'une graisse spéciale (Tsiatim-203).

La structure de type débrochable est mise à la terre à l'aide des éléments du chariot d'appareillage. La mise à la terre du disjoncteur à vide s'effectue par l'intermédiaire de la structure du chariot d'appareillage, pour laquelle des éléments de fixation sont également prévus.

Mise en service de l'appareil

La mise en service de l'appareil est effectuée après une vérification supplémentaire de l'équipement installé et préparé. En particulier, on vérifie la fiabilité de la mise à la terre, l'état des fixations des composants d'assemblage, l'accès du milieu de refroidissement aux éléments susceptibles de chauffer.

Les surfaces des tiges conductrices en contact avec les lamelles des groupes de contacts à douille doivent être traitées avec une petite quantité de graisse Tsiatim. Dans l'ensemble, il est nécessaire d'effectuer toutes les procédures prévues par le code PEU pour les essais de réception, et de s'assurer que la valeur de la tension de commande est conforme aux limites admissibles.

Installation du disjoncteur à vide. Les travaux de montage ne sont effectués que par du personnel qualifié. Les mêmes exigences s'appliquent au personnel sélectionné pour la maintenance des équipements haute tension.

Seul le personnel disposant d'une autorisation pour la maintenance des installations électriques fonctionnant sous une tension supérieure à 1000 volts est autorisé à utiliser le disjoncteur à vide. Le groupe d'habilitation approuvé pour les agents de maintenance doit être au moins de niveau trois. Avant de commencer à travailler avec l'équipement, le personnel suit une formation technique minimale afin d'étudier les particularités du modèle d'équipement spécifique.

Comment choisir un disjoncteur à vide ?

L'appareil est choisi en tenant compte de ses paramètres nominaux, qui sont considérés par rapport aux paramètres du réseau existant sur le lieu d'installation. Le choix se fait selon le critère des régimes de fonctionnement les plus chargés prévus pour les conditions d'exploitation.

La tension nominale du disjoncteur à vide peut être égale (ou supérieure) à la tension nominale du système alimenté par le disjoncteur.

Le paramètre du courant nominal continu est choisi supérieur à la valeur nominale du courant du système alimenté. Le paramètre du courant nominal de déclenchement est choisi supérieur à la valeur maximale du courant calculé de court-circuit (en tenant compte du moment de séparation des contacts).

La plaque signalétique est la première chose à laquelle on prête attention lors du choix d'un disjoncteur. En se basant sur les valeurs des paramètres, on peut déjà déterminer si l'appareil convient à une installation spécifique ou non.

Du point de vue des conditions de court-circuit possibles, le choix se fait en tenant compte des régimes les plus sévères.

La composante apériodique est calculée en fonction des conditions de court-circuit avec une tension nulle dans l'une des lignes de phase. Il convient de prendre en compte le paramètre de courant apériodique établi par le fabricant de l'équipement.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vous pouvez découvrir encore plus d'informations sur la structure, le principe de fonctionnement et les conditions d'installation du disjoncteur à vide dans la vidéo suivante :

Les disjoncteurs à vide se distinguent des autres types d'appareils par leur structure relativement simple et fiable. Par conséquent, ce type d'équipement fonctionne longtemps sans problème particulier. La durée de vie naturelle est déterminée par un nombre d'opérations d'au moins 20 000. À condition que la maintenance technique soit effectuée en temps opportun, cette durée de vie augmente de 5 à 10 %. Cependant, la maintenance des disjoncteurs à vide se limite à un petit nombre d'opérations simples.

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