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La tension de rétablissement transitoire (TRV) apparaît sur les contacts du disjoncteur immédiatement après l'extinction de l'arc pendant l'interruption du défaut. La vitesse de montée de la tension de rétablissement (RRRV), mesurée en kV/μs, détermine la rapidité avec laquelle cette tension se développe. Ensemble, ces paramètres déterminent si un disjoncteur à vide élimine les défauts avec succès ou s'il subit une rupture diélectrique et un redémarrage.
Lorsque les contacts se séparent et que l'arc s'éteint au moment où le courant est nul, le système ne revient pas instantanément à l'état d'équilibre. L'interaction entre l'inductance et la capacité du système génère des transitoires de tension oscillatoires. Des déploiements sur le terrain dans des installations industrielles dotées de vastes réseaux de câbles révèlent des valeurs de crête TRV atteignant 1,5 à 2,5 fois la tension nominale dans les 50 à 100 μs après l'absence de courant.
La physique implique un transfert d'énergie entre les champs magnétiques stockés dans l'inductance du système et les champs électriques stockés dans la capacité du câble. Selon la norme CEI 62271-100, les disjoncteurs à vide conçus pour 12 kV doivent résister à des pointes de TRV d'environ 26,2 kV avec des valeurs RRRV allant jusqu'à 2,0 kV/μs pour les conditions de défaut terminal. Les systèmes connectés par câble présentent des défis particuliers - la faible impédance de surtension des câbles (30-50 Ω contre 300-400 Ω pour les lignes aériennes) accélère considérablement le rétablissement de la tension.
La forme d'onde de la TRV dépend de trois facteurs critiques : (1) l'impédance de choc équivalente Zs du système connecté, (2) la capacité totale Ctotal y compris la capacité du câble (typiquement 200-300 pF/m pour les câbles XLPE), et (3) l'inductance de court-circuit Lsc déterminant la fréquence d'oscillation. Le RRRV initial peut être approximé comme Upic × ω, où ω représente la fréquence angulaire naturelle du circuit LC.
La rigidité diélectrique de l'espace de contact doit se rétablir plus rapidement que la TRV n'augmente. Cette course se déroule en quelques microsecondes. Si vous la perdez, l'arc se rallume.
Les systèmes de câbles amplifient la gravité des tensions transitoires en raison de leurs caractéristiques électriques. Contrairement aux lignes aériennes dont l'impédance de surtension est élevée, les câbles électriques présentent des chemins à faible impédance qui accélèrent les transitoires de tension.
Prenons l'exemple d'une ligne d'alimentation industrielle de 12 kV comportant 200 mètres de câble XLPE. L'impédance de surtension du câble se situe autour de 40 Ω. Lorsqu'un défaut se produit à l'extrémité distante, les ondes progressives se réfléchissent entre le disjoncteur et l'emplacement du défaut. Le temps d'aller-retour pour ces réflexions est d'environ 2,5 μs compte tenu de la vitesse de propagation du câble de 160 m/μs. Chaque réflexion superpose une tension supplémentaire sur l'espace de contact.
La zone critique de longueur de câble se situe entre 50 et 500 mètres. Les câbles plus courts produisent des réflexions plus rapides, parfois avant que l'interrupteur à vide ne récupère complètement sa rigidité diélectrique. Les câbles plus longs permettent un temps de récupération plus long entre les arrivées de réflexion.
Facteurs d'aggravation du VRT par câble :
L'expérience sur le terrain des installations d'alimentation de moteurs révèle un schéma cohérent : les disjoncteurs conçus pour les défauts terminaux ont des performances marginales lorsqu'ils protègent des parcours de câbles de moins de 300 mètres avec des courants de défaut supérieurs à 15 kA. Dans ces applications, le RRRV atteint couramment 3 à 5 kV/μs, ce qui est bien supérieur aux exigences de service du test T100 standard de 2,0 kV/μs.
Exemple travaillé : Alimentateur industriel MCC
Un disjoncteur à vide de 12 kV alimente un centre de contrôle des moteurs par l'intermédiaire de 150 m de câble XLPE unipolaire :
RRRV initial calculé : environ 4,2 kV/μs
Cela dépasse les exigences de la norme IEC 62271-100 T100. La capacité T30 du disjoncteur (5,0 kV/μs) offre une marge, mais seulement si le courant de défaut réel s'aligne sur cette plage de service de test.
[Regard d'expert : évaluation de la VRT du câble]
- Mesurer avec précision la longueur réelle des câbles - les hypothèses basées sur les dessins sous-estiment souvent le cheminement installé.
- Demander aux fabricants des courbes de capacité TRV couvrant toute la gamme RRRV, et pas seulement la conformité aux essais standard.
- Pour les câbles parallèles, calculer l'impédance de surtension combinée (la formule de l'impédance parallèle s'applique).
- Les transitoires de démarrage du moteur ne créent pas de stress pour les VRT ; concentrer l'analyse sur les scénarios d'interruption de défaut.
La commutation du condensateur inverse le problème normal de la TRV. Le danger ne réside pas dans l'interruption du défaut, mais dans la commutation de la charge, et plus précisément dans le phénomène de redémarrage lors de la mise hors tension.
Lorsqu'un disjoncteur à vide s'ouvre pour déconnecter une batterie de condensateurs, le courant précède la tension de 90 degrés. L'interruption se produit près du pic de tension. Le condensateur conserve cette charge de pointe. Lorsque la tension de la source passe par zéro et se dirige vers la polarité opposée, l'espace de contact subit une contrainte de tension de près de 2,0 par unité en l'espace d'un demi-cycle.
La TRV augmente lentement par rapport à l'interruption du défaut - la TRRV reste modeste. Mais la valeur de crête met à l'épreuve la capacité de résistance de l'entretoise au mauvais moment : avant que les contacts ne se soient complètement séparés.
Si l'écart se rompt (redémarre), le courant circule brièvement jusqu'au prochain passage à zéro. La tension du condensateur s'est alors déplacée. L'espace est à nouveau dégagé, mais la tension aux bornes de l'espace a augmenté. Des redémarrages successifs font monter la tension : 2,0 p.u., puis 3,0 p.u., potentiellement 4,0 p.u. ou plus. L'isolation de l'équipement est défaillante. Les parafoudres fonctionnent. Les condensateurs se rompent.
Classe C1 et classe C2
La norme IEC 62271-100 définit les classes de commutation des condensateurs :
| Classe | Exigence en matière de relance | Adéquation de l'application |
|---|---|---|
| C1 | Faible probabilité de reprise | Obligation générale de commutation |
| C2 | Très faible probabilité (essentiellement zéro) | Obligation de la batterie de condensateurs |
La certification de la classe C2 exige la réussite d'une séquence d'essai de 56 opérations à un courant capacitif nominal avec surveillance de la tension. Tout redémarrage constitue un échec. Pour les applications de batteries de condensateurs, la spécification de la classe C2 n'est pas négociable.
Les interrupteurs sous vide modernes avec des matériaux de contact en CuCr atteignent de manière fiable les performances de la classe C2. La récupération diélectrique constante de la technologie du vide - indépendamment de l'ampleur du courant capacitif - offre des avantages inhérents. Cependant, fabricants de disjoncteurs à vide doivent être explicitement conçus et testés pour cette fonction. Les disjoncteurs à vide génériques peuvent n'avoir que des caractéristiques C1.
Commutation de condensateurs dos à dos
Lors de la mise sous tension d'une batterie de condensateurs avec d'autres batteries déjà connectées, le courant d'appel des batteries chargées vers les batteries non chargées crée une contrainte supplémentaire. Ce phénomène diffère de la VRT mais est souvent confondu dans les spécifications. Le problème ici est le soudage par contact dû à l'appel de courant à haute fréquence, et non la défaillance de la récupération du diélectrique.
Tous les circuits de câbles ou toutes les installations de condensateurs ne nécessitent pas une attention particulière. L'approche du facteur de gravité fournit une méthode de sélection quantitative.
Calcul du facteur de gravité
SF=RRRVstandard/RRRVactuel×Ucstandard/Ucactuel
Seuils d'interprétation :
Exigences en matière de données pour une évaluation correcte
Une analyse précise de la VTR nécessite
Pour les applications critiques - centrales électriques, grandes installations industrielles, postes électriques - la simulation des transitoires électromagnétiques (EMT) fournit une caractérisation définitive des VRT. Les progiciels modélisent les réflexions des ondes progressives, la réponse en fréquence des transformateurs et le comportement réel des disjoncteurs en matière de coupure de courant.
Raccourci pratique
Lorsque la simulation de l'EMT n'est pas réalisable, faire appel à l'équipe d'ingénieurs d'application du fabricant de disjoncteurs. Fournissez les schémas unifilaires, les fiches techniques des câbles et les résultats de l'étude des défaillances. Les fabricants réputés proposent une vérification de la capacité des VRT dans le cadre de l'assistance technique à la vente, en particulier pour les produits suivants les projets nécessitant des orientations détaillées en matière de spécifications.
[Conseils d'experts : quand exiger une analyse détaillée du TRV].
- Toute installation avec des câbles de moins de 300 m et un courant de défaut supérieur à 70% du calibre du disjoncteur.
- Toutes les applications de commutation de batteries de condensateurs, quelle que soit la taille de la batterie
- Applications d'élévation de générateur où l'impédance de la source varie en fonction de la charge de la machine
- Remplacement des disjoncteurs à l'huile ou au SF6 lorsque les marges des TRV d'origine sont inconnues
- Défaillances répétées du disjoncteur lors d'opérations de commutation spécifiques (le schéma suggère un problème de TRV)
Trois approches permettent de faire face aux conditions de TRV sévères : amélioration de la capacité des disjoncteurs, dispositifs d'atténuation externes ou reconfiguration du système.
Les fabricants proposent des disjoncteurs à vide dont les performances de la VRT sont améliorées grâce à :
Demandez des courbes de capacité TRV montrant l'enveloppe RRRV en fonction de Uc à laquelle le disjoncteur peut résister - et non de simples déclarations de conformité faisant référence à des tâches d'essai standard. La courbe doit couvrir les conditions équivalentes de T100 à T10.
Les composants externes modifient la forme d'onde du TRV :
Condensateurs shunt (0,1-0,5 μF) : Connectés aux bornes du disjoncteur, ils constituent un réservoir de charge local qui réduit la RRRV initiale. Le condensateur se charge à travers l'impédance du système, ce qui ralentit l'augmentation de la tension. Courant dans les applications de disjoncteur de générateur. Nécessite une coordination - le condensateur lui-même doit résister à la VRT et peut affecter la synchronisation du mécanisme de fonctionnement du disjoncteur.
Parafoudres : Les parafoudres à oxyde métallique limitent le pic de TRV mais ne réduisent pas le RRRV. Utile lorsque la valeur de crête de la TRV dépasse la capacité mais que le taux d'augmentation reste acceptable.
Résistances d'ouverture : Très efficace, mais rarement appliqué à la moyenne tension en raison de son coût et de sa complexité mécanique.
Il est parfois plus économique de modifier l'installation que de spécifier des disjoncteurs spéciaux :
| Paramètre | Exigence standard | Exigence renforcée |
|---|---|---|
| Capacité RRRV | Selon l'essai IEC 62271-100 | Système réel RRRV + marge 20% |
| VTR de pointe (Uc) | Valeur classée | Résultat de l'étude de système + marge 15% |
| Classe de commutation des condensateurs | C1 acceptable pour les travaux généraux | C2 obligatoire pour les batteries de condensateurs |
| Courant de charge du câble | Valeur nominale indiquée | Courant capacitif réel + marge de croissance |
| Documentation des tests | Certificat d'essai de type | Rapport de vérification de la VRT spécifique à l'application |
La reconnaissance des contraintes liées aux VRT dans les disjoncteurs en fonctionnement permet d'intervenir avant la défaillance.
Indicateurs de diagnostic
Priorités en matière de maintenance
Pour les disjoncteurs dans les applications critiques en termes de TRV :
Compréhension facteurs environnementaux influençant la sélection des disjoncteurs à vide soutient la planification de la maintenance pour les installations extérieures où la contamination et les températures extrêmes aggravent les problèmes liés aux VRT.
Exemple de cas : Défaillances de batteries de condensateurs dans l'industrie
Une installation de batterie de condensateurs de 12 kV, 15 Mvar, a connu trois pannes de disjoncteur en 18 mois. L'enquête a révélé ce qui suit :
Solution : Remplacement par un disjoncteur à vide de classe C2 plus une résistance de pré-insertion pour une marge supplémentaire lors des transitoires de mise sous tension.
Les disjoncteurs à vide XBRELE intègrent la capacité de commutation des condensateurs de classe C2 en standard sur toute la gamme de produits. Notre équipe d'ingénieurs d'application fournit un support d'évaluation TRV pour les installations de câbles et de condensateurs, garantissant la précision des spécifications avant l'approvisionnement.
Pour les applications non standard, des essais personnalisés de vérification de la capacité des TRV peuvent être organisés par notre usine de fabrication. La documentation comprend des certificats d'essai de type avec des données détaillées sur l'enveloppe de la VRT, mettant en correspondance la capacité réelle avec les exigences de votre système.
Compréhension principes de base de l'interrupteur à vide aide les ingénieurs à évaluer comment l'approche de conception de XBRELE offre la performance de récupération diélectrique que les applications TRV sévères exigent.
Contactez notre équipe technique pour une analyse TRV spécifique à l'application et des conseils sur la sélection des disjoncteurs à vide.
Référence externe : IEC 60071 - IEC 60071 coordination de l'isolation
Quelle valeur RRRV indique qu'un disjoncteur à vide a besoin d'une spécification TRV améliorée ?
Pour les applications à 12 kV, une RRRV supérieure à 5 kV/μs au niveau de courant de défaut réel justifie une consultation du fabricant ; les valeurs approchant 7 kV/μs nécessitent généralement soit une conception améliorée des disjoncteurs, soit des dispositifs externes d'atténuation de la TRV.
Pourquoi les câbles de 50 à 500 mètres créent-ils des conditions de TRV particulièrement sévères ?
Cette gamme de longueurs produit des temps d'aller-retour d'ondes progressives de 0,6 à 6 μs, provoquant des réflexions de tension qui arrivent aux contacts du disjoncteur avant que l'entrefer sous vide ne retrouve complètement sa rigidité diélectrique après l'extinction de l'arc.
En quoi la commutation de condensateurs de classe C2 diffère-t-elle de la classe C1 en termes pratiques ?
La classe C2 exige un taux de redémarrage pratiquement nul sur une séquence d'essai normalisée de 56 opérations, tandis que la classe C1 autorise une probabilité de redémarrage statistiquement faible ; seule la classe C2 offre la marge de performance requise pour les applications de batteries de condensateurs.
L'ajout de condensateurs aux bornes des disjoncteurs peut-il réduire la sévérité des TRV sur les installations existantes ?
Des condensateurs shunt de 0,1-0,5 μF peuvent réduire efficacement la RRRV initiale en fournissant un stockage de charge local, bien que cela nécessite une coordination du fabricant pour vérifier que le condensateur résiste au transitoire et n'affecte pas la synchronisation du disjoncteur.
Quels sont les symptômes qui suggèrent qu'un disjoncteur subit des contraintes liées à la VRT en service ?
Des modèles d'érosion de contact asymétriques, des défaillances se produisant spécifiquement lors de la mise hors tension du condensateur ou du dégagement du défaut de câble plutôt que de manière aléatoire, et des surtensions transitoires capturées pendant les opérations de commutation sont autant d'indices d'une inadéquation potentielle des VRT.
Comment la technologie du vide se compare-t-elle au SF6 pour les applications TRV sévères ?
Les interrupteurs sous vide permettent généralement une récupération diélectrique dans les 5 à 15 μs qui suivent l'arrêt du courant - plus rapidement que la technologie SF6 - ce qui offre des avantages inhérents dans les applications à haute VRR communes aux circuits alimentés par câble à des tensions nominales moyennes.
Quand la simulation des transitoires électromagnétiques doit-elle être exigée pour l'analyse des VRT ?
La simulation EMT est justifiée pour les applications de centrales électriques, les installations avec des courants de défaut dépassant 80% du calibre des disjoncteurs combinés à des parcours de câbles courts, et toute situation où des défaillances multiples de disjoncteurs suggèrent des problèmes de TRV non identifiés.
