Disjoncteurs SF6 : critères de choix et règles de branchement

Le fonctionnement des réseaux électriques à haute tension en termes de caractéristiques de courant n'est pas comparable à celui des équivalents domestiques. Par conséquent, en cas de situation d'urgence, des dispositifs plus puissants que les appareils automatiques standard sont nécessaires pour déconnecter l'équipement et éteindre l'arc électrique.

En tant que structures de protection, on utilise des disjoncteurs à hexafluorure de soufre (DSF) que l'on peut commander manuellement ou à l'aide de l'automatisme. Nous avons décrit en détail les caractéristiques de construction et le principe de fonctionnement des dispositifs. Nous avons fourni des recommandations pour l'installation, le raccordement et l'entretien.

Définition et utilisation de l'hexafluorure de soufre

L'hexafluorure de soufre est du soufre hexafluoré, classé parmi les gaz électrotechniques. Grâce à ses propriétés isolantes, il est activement utilisé dans la fabrication de dispositifs électrotechniques.

À l'état neutre, l'hexafluorure de soufre est un gaz ininflammable, incolore et inodore. En le comparant à l'air, on peut noter une densité élevée (6,7) et une masse moléculaire 5 fois supérieure à celle de l'air.

L'un des avantages de l'hexafluorure de soufre est sa résistance aux influences extérieures. Il ne modifie pas ses caractéristiques dans toutes les conditions. En cas de décomposition lors d'une décharge électrique, une restauration complète nécessaire au fonctionnement se produit rapidement.

Le secret réside dans le fait que les molécules d'hexafluorure de soufre lient les électrons et forment des ions négatifs. La qualité d'« électronégativité » a conféré au soufre hexafluoré une caractéristique telle que la rigidité diélectrique.

En pratique, la rigidité diélectrique de l'air est 2 à 3 fois inférieure à celle de l'hexafluorure de soufre. De plus, il est ignifuge car il est classé comme substance ininflammable et possède un pouvoir refroidissant.

Lorsque le besoin s'est fait sentir de trouver un gaz pour éteindre l'arc électrique, on a commencé à étudier les propriétés du SF6 (soufre hexafluoré), du tétrachlorure de carbone et du fréon. Le SF6 a remporté les tests.

Les caractéristiques énumérées ont rendu l'hexafluorure de soufre extrêmement adapté à une utilisation dans le domaine électrotechnique, en particulier dans les dispositifs suivants :

• transformateurs de puissance fonctionnant sur le principe de l'induction magnétique ;
• appareillages de distribution de type compact ;
• lignes à haute tension reliant des installations éloignées ;
• disjoncteurs haute tension.

Cependant, certaines propriétés du SF6 ont conduit à devoir perfectionner la conception du disjoncteur. Le principal inconvénient concerne le passage de la phase gazeuse à la phase liquide, ce qui est possible sous certaines combinaisons de paramètres de pression et de température.

Pour que l'équipement fonctionne sans interruption, il faut assurer des conditions favorables. Supposons que pour le fonctionnement des dispositifs au SF6 à -40 °C, une pression ne dépassant pas 0,4 MPa et une densité inférieure à 0,03 g/cm³ soient nécessaires. En pratique, si nécessaire, le gaz est chauffé, ce qui empêche le passage en phase liquide.

Construction du disjoncteur à hexafluorure de soufre

Si l'on compare les dispositifs au SF6 à leurs analogues d'autres types, leur conception se rapproche le plus de celle des appareils à huile. La différence réside dans le remplissage des chambres d'extinction d'arc.

En tant que remplissage, les disjoncteurs à huile utilisent un mélange d'huile, et les disjoncteurs à gaz utilisent l'hexafluorure de soufre. Le second choix présente l'avantage de la durabilité et d'un entretien minimal.

Schéma d'un dispositif au SF6 de type colonne. Les modules d'extinction d'arc, fixés sur un support élevé, se trouvent dans la partie supérieure, l'armoire de commande dans la partie inférieure.

Les méthodes d'extinction de l'arc électrique dépendent de nombreux facteurs, parmi lesquels le courant et la tension nominaux ainsi que les conditions d'utilisation de l'appareil sont déterminants.

On distingue quatre types de disjoncteurs SF6 :

• à soufflage électromagnétique ;
• à soufflage dans le SF6 – à 1 étage de pression ;
• à soufflage longitudinal – à 2 étages de pression ;
• à soufflage autogénéré.

Si dans les appareils à air, le gaz est libéré dans l'atmosphère lors de l'extinction de l'arc, dans les appareils au SF6, il reste dans un espace clos rempli du mélange gazeux. Une légère surpression est maintenue.

Dispositifs à colonne et à réservoir

En pratique, on utilise deux types d'installations au SF6 :

• à cuve ;
• à colonne.

Les différences concernent à la fois les caractéristiques de conception et le principe d'extinction de l'arc électrique. De par leur apparence, les modèles à colonne ressemblent à leurs homologues à faible volume d'huile : ils se composent de deux parties fonctionnelles – une partie d'extinction d'arc et une partie de contact, et ont des dimensions volumiques identiques.

Les dispositifs de déclenchement sont conçus pour fonctionner sur un réseau 220 V et font partie des équipements monophasés. Exemple de disjoncteur SF6 de type colonne – LF 10 Schneider Electric.

La commande de l'équipement peut se faire de deux manières différentes : manuellement, lorsque le réglage et le contrôle sont effectués à l'aide de dispositifs mécaniques, et à distance, automatiquement.

Les appareils au SF6 de type cuve sont de plus petite taille et sont équipés d'un entraînement multiphase. Cette répartition permet de mieux contrôler et de régler en douceur les paramètres de tension.

L'un des avantages des disjoncteurs à SF6 de type cuve est leur capacité à supporter des charges accrues. Cette qualité est assurée par le transformateur de courant intégré dans la conception.

Un exemple typique de dispositif à cuve est l'installation à SF6 DT2-550 F3 d'Alstom Grid. De tels dispositifs ont fait leurs preuves dans les systèmes électriques à 500 kV.

La conception est assemblée et équipée de manière à fonctionner sans défaillance à des températures basses (critiques), une humidité élevée, ainsi que dans les régions à activité sismique et à pollution atmosphérique excessive.

Principe d'extinction de l'arc

Le fonctionnement de l'appareil est expliqué à l'aide de l'exemple du disjoncteur LW36 du fabricant chinois CHINT.

Lors de la coupure, le ressort agit sur les éléments dynamiques du cylindre, qui descendent. Tous les contacts, à l'exception des contacts d'extinction d'arc, s'ouvrent. Lorsque les contacts d'extinction d'arc, parcourus par le courant, se séparent à leur tour, un arc électrique se forme.

Le gaz chaud se déplace dans la chambre thermique, et le clapet anti-retour s'active. Lorsque le gaz est soufflé de la chambre thermique dans l'espace, l'arc est éteint.

Si la coupure concerne des courants de faible intensité, la pression dans la chambre thermique est insuffisante ; par conséquent, la pression provenant de la chambre de compression (toujours plus élevée) est utilisée. Le clapet anti-retour s'ouvre, le gaz pénètre librement dans l'espace et éteint l'arc lors du passage par zéro.

Schéma de la disposition interne et du fonctionnement des clapets mobiles, fixes, de décompression et anti-retour. Position 1 – fermeture ; Position 2 – coupure des courants élevés ; Position 3 – coupure des faibles courants ; Position 4 – coupure de l'appareil.

Les disjoncteurs à colonne modernes présentent des caractéristiques améliorées. La maintenance est réduite au minimum et la durée de vie de commutation est augmentée. Les disjoncteurs à SF6 se caractérisent par un faible niveau sonore, une mécanique fiable et la simplicité des travaux d'installation et d'essai.

Le réglage des modèles à cuve s'effectue à l'aide d'un actionneur et de transformateurs. Un actionneur à ressort ou à ressort hydraulique contrôle les processus de fermeture/ouverture et le maintien de l'arc électrique.

À quoi sert l'actionneur ?

L'actionneur est conçu pour effectuer toutes les opérations liées à la fermeture/l'ouverture ou au maintien de l'installation dans une position spécifique. Le schéma montre où l'actionneur peut être situé. Généralement, il s'agit de la surface du sol ou d'un support bas, offrant au personnel de maintenance un accès facile aux dispositifs de réglage.

Schéma de construction du disjoncteur à cuve : 1 – modules en porcelaine ou en polymère ; 2 – transformateurs ; 3 – cuve avec dispositif d'extinction d'arc ; 4 – chambre à gaz ; 5 – actionneur de type hydraulique ; 6 – châssis métallique ; 7 – connecteur pour l'introduction du SF6.

Le mécanisme d'entraînement se compose d'un mécanisme d'enclenchement, d'un dispositif de verrouillage – un loquet, et d'un mécanisme de déclenchement. Le processus d'enclenchement doit être aussi rapide que possible pour éviter le soudage des contacts.

Lors de l'enclenchement, de grands efforts sont nécessaires pour surmonter la force de friction de tous les éléments impliqués. Le déclenchement est plus simple et consiste en un mouvement inverse du loquet, qui assure l'enclenchement et son maintien.

Il existe plusieurs modes d'enclenchement/déclenchement :

• mécanique ;
• à ressort ;
• à poids ;
• pneumatique ;
• électromagnétique.

Pour les systèmes de faible puissance, une commande manuelle est utilisée. Dans ce cas, la force d'un seul opérateur suffit. L'arrêt des mécanismes manuels s'effectue généralement automatiquement. Le mécanisme à ressort est également actionné manuellement, mais parfois des moteurs électriques de faible puissance sont sollicités.

L'emplacement traditionnel du mécanisme d'entraînement est près du châssis métallique de montage. L'intégrité et le fonctionnement du mécanisme sont assurés par un boîtier métallique robuste – une boîte avec une porte pratique pour l'opérateur.

Pour utiliser un entraînement électromagnétique, il faut plus d'énergie, donc une source de courant constante d'environ 58 A à 220 V est nécessaire. Un levier manuel est disponible comme mécanisme de déclenchement de secours. Les dispositifs électromagnétiques se distinguent par leur fiabilité, ce qui permet de les utiliser avec succès dans des zones aux hivers rigoureux. L'inconvénient est la nécessité d'une batterie puissante.

Le mécanisme d'entraînement pneumatique se distingue par le fait qu'au lieu d'un électroaimant, l'élément de travail principal est une paire cylindre/piston. Grâce à l'air comprimé, la vitesse d'enclenchement est beaucoup plus élevée que celle des modèles précédents.

Avantages et inconvénients de l'utilisation des disjoncteurs à hexafluorure de soufre (DSF)

Les disjoncteurs à gaz SF6, comme les autres types d'appareils de distribution électrique, présentent un certain nombre d'avantages et d'inconvénients. Lors du choix d'une installation, les calculs nécessaires sont effectués et, outre les caractérisques techniques et les particularités de conception, les avantages et les inconvénients des modèles sont pris en compte.

Les disconcteurs de type à gaz SF6 fonctionnent dans des conditions difificiles avec des vibrations périodiques, des températures basses (avec chauffage) et dans des zones à risque d'incendie.

Les inconvénients incluent le coût élevé du gaz SF6, les spécificités de montage sur un tableau ou une fondation, et la nécessité d'une certaine qualification du personnel d'exploitation.

Règles de raccordement et d'entretien des DSF

Toutes les actions concernant le montage, la mise en marche/arrêt, la réparation et l'entretien des appareils SF6 sont soumises à des règles strictes, régies par le PUE 1.8.21.

Pour raccorder l'appareil, il est nécessaire de vérifier la présence d'une pression minimale dans la chambre remplie de gaz, sinon le disjoncteur tombera en panne. Pour éviter tout dommage, une alarme est installée, qui se déclenche lorsque les paramètres de pression chutent de manière critique. Le niveau de pression peut être surveillé à l'aide d'un manomètre.

Dans l'armoire de commande, des éléments chauffants sont installés, empêchant efficacement la formation de condensation sur les éléments du mécanisme. L'opérateur doit veiller à ce que les radiateurs restent constamment allumés.

L'inspection de l'appareil est effectuée chaque jour pendant la journée et environ 2 fois par mois pendant la nuit. Si un déclenchement d'urgence s'est produit pour l'une des raisons, une inspection imprévue est nécessaire.

Lors de l'inspection du disjoncteur, il est nécessaire de vérifier la protection extérieure, d'éliminer les saletés, de réparer les dommages. Si les contacts chauffent, il faut en déterminer la cause.

En présence de crépitements ou de bruits suspects, il faut identifier la source. La structure de montage métallique fait également partie du circuit de mise à la terre, il est donc nécessaire de vérifier son intégrité.

Les relevés du manomètre sont obligatoirement effectués. La pression doit correspondre à la norme calculée par le fabricant. Il est nécessaire de vérifier le bon fonctionnement des dispositifs de régulation et de contrôle, et en cas de défaillance d'un ou plusieurs éléments, prendre des mesures : les remplacer ou les envoyer en réparation.

Si la pression du gaz a diminué, il faut recharger la chambre avec du gaz SF6. L'isolation n'a pas besoin de nettoyage car la structure est complètement étanche.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Comment sont conçus les disjoncteurs SF6, par quel principe se produit l'extinction de l'arc et quels sont les types d'appareils, vous pouvez l'apprendre dans une vidéo utile et informative.

Vidéo n°1. Aperçu des disjoncteurs SF6 avec description de la structure et du principe de fonctionnement :

Vidéo n°2. Caractéristiques de conception des appareils :

Vidéo n°3. Comment est effectué le montage du disjoncteur :

Les disjoncteurs SF6 sortent de la chaîne de montage de l'usine en parfait état de fonctionnement et sont conçus pour fonctionner dans diverses zones climatiques, de la zone tropicale à la zone froide, ils sont donc activement utilisés par des entreprises industrielles de différents pays.