Le disjoncteur limiteur

Les arcs électriques ou plasmas de coupure sont des plasmas froids et plus précisément des plasmas thermiques (en opposition au plasma hors d’équilibre où la notion de température unique n’a pas de sens). C’est ce type de plasma qui est mis en œuvre dans les appareils de coupure.

1.2.2 Le disjoncteur limiteur

Un disjoncteur limiteur est un dispositif qui permet d’obtenir un courant (courant li-mité) inférieur à celui que l’on aurait obtenu sans intervention extérieure (courant présumé)

1.2. Plasma de coupure et disjoncteur limiteur 11

Fig. 1.2 – Représentation de di¤érents plasmas à di¤érentes températures et à di¤érentes

densités de particules chargées. Extrait de “la science pour tous”. voir :http://www.cnrs.fr.

une énergie moindre et limiter les e¤ets des courants de défauts : –E¤ets électromagnétiques :

Les dispositifs électroniques au voisinage d’une ligne parcourue par un courant de court-circuit vont subir des perturbations entraînant des problématiques de Compatibilité Electro-Magnétique.

–E¤ets mécaniques :

Tout d’abord, les courants de défauts peuvent entraîner, par les e¤orts électrodyna-miques, la déformation ou la rupture de pièces conductrices. Ensuite le passage du cou-rant de défaut peut provoquer des ouvertures de contact par les forces électrodynamiques (dites de répulsion). Ces ouvertures intempestives et répétées vont entraîner des rebonds mécaniques sources d’usure et de vieillissement des contacts et d’amorçage d’arc suscep-tible d’endommager également les contacts électriques.

–E¤ets thermiques :

Lors d’un court-circuit les conducteurs et les interconnexions vont être le siège d’un échau¤ement adiabatique à l’échelle de temps des échanges naturels, pouvant entraîner une déformation qui peut aller jusqu’à la fusion.

Comment limiter ?

On s’intéresse au cas d’un circuit alternatif monophasé de tensione, débitant un courant i

dans une charge Z. Ce circuit comprend également un disjoncteur limiteur A, une résistance

12 CHAPITRE 1. Du réseau à la modélisation du processus de coupure représentés …gure 1.3.

i

R L

Z

e

u

Source

A

Fig.1.3 –Représentation de schéma électrique d’un réseau simpli…é de tension e, alimentant

une charge Z, un appareil de coupure A, L et R respectivement une inductance et une résistance caractérisant le réseau.

Quand apparaît un court-circuit aux bornes de la charge Z, le réseau est alimenté par une

tension e telle que :

e = (R + Z)I+L^dI

dt ^{+ua (1.1)}

Pour des facteurs de puissance usuels, l’aspect résistif du réseau et l’impédance de la charge sont négligeables devant l’inductance équivalente. L’équation précédente peut donc être réécrite ainsi :

L^dI

dt 'e u_a

On en déduit que la limitation du courant (^dI_dt <0) s’opérera lorsque la tension aux bornes de

l’appareil de coupure sera supérieure à celle de la tension du réseau :

Limitation ^dI

dt ^<0 ()e u_a (1.2)

D’où vient la tension aux bornes du disjoncteur ?

Elle a quatre origines di¤érentes que l’on peut détailler ainsi : i) Tension due à la résistance de l’arc(uconduction) :

L’arc est un conducteur résistif parcouru par un courant. Il voit donc à ses bornes une tension :

uconduction=RarcI (1.3)

où Rarc est la résistance de l’arc et uconduction la tension due à l’aspect résistif du plasma.

ii) Tension due à l’aspect inductif de l’arc (uinduction) :

Ce terme, directement lié à la loi de Faraday, est égal à la variation de ‡ux magnétique traversant la boucle que forme notre circuit. On a alors pour la tension d’induction :

u_induction = ^{d arc}

1.2. Plasma de coupure et disjoncteur limiteur 13

où arcest le ‡ux magnétique traversant le circuit.

Dans notre cas, la variation de ‡ux magnétique peut provenir : – de la variation de courant,

– de l’augmentation de la boucle de courant du fait du déplacement de l’arc entre les électrodes.

iii) Tension de chute anodique ou cathodique (upied) :

L’arc interagit avec les conducteurs en provoquant un gap de tension quasi-constant

pour un matériau donné ua_ c '20V . Les parties métalliques se comportent du point

de vue électrique comme une force contre-électromotrice. En prenant en compte plusieurs interactions arc/métal, la tension de pied s’écrit en première approche :

u_pied =n u_{a_ c} (1.5)

où n désigne le nombre d’interactions arc/métal et u_{a_ c} la di¤érence de potentiel

pro-voquée par l’interaction de l’arc avec le métal. On retrouvera plus d’information sur

l’origine des e¤ets de gaine anodique ou cathodique dans [Vaquié 00].

iv) Tension due à l’impédance des interconnexions(uA):

Tous les éléments se situant entre les bornes du disjoncteur et l’arc électrique (…ls, bi-lame, tresse que nous décrirons plus tard) seront également soumis au passage du courant. Ils n’ont qu’une faible in‡uence devant les autres résistances et inductances du circuit. Toutefois, leur agencement va entraîner une compétition de trajet pour le passage du courant (…gure 1.4). En e¤et, l’arc se positionnera dans la branche de circuit correspon-dant à l’évolution la plus réversible du champ (Chapitre 2 : approche thermodynamique de l’électromagnétisme). La tension générale aux bornes du disjoncteur s’écrit alors :

ua = RarcI | {z } uc o n d u c t i o n + ^{d arc} dt | {z } ui n d u c t i o n +n ua_ c | {z } up i e d | {z } uarc + (ZA 1 kZA 2)I | {z } uA (1.6)

avec(Z_{A 1} kZ_{A 2})l’impédance issue de la compétition des trajets de courant.

Comment augmenter la tension aux bornes du disjoncteur ?

Avec l’équation 1.6, il est aisé de déterminer les paramètres susceptibles de faire évoluer la

tension aux bornes du disjoncteur u_a. En première approximation, nous allons considérer l’arc

comme un conducteur de résistivité homogène dont la résistance peut s’écrire Rarc = arcLarc

Sarc . On a alors : u_a = ^arcLarc S_arc ^I+ d _arc dt ^{I+n ua_ c+ (ZA 1} kZ_{A 2})I (1.7)

Si bien que pour obtenir une augmentation de cette tension, il est nécessaire, soit :

– d’augmenter le courant, ce qui peut paraître absurde car c’est ce que l’on cherche à diminuer. Toutefois, il est à noter que pour des courants forts, on aura une limitation naturelle importante, simplement par le passage du courant dans l’arc,

14 CHAPITRE 1. Du réseau à la modélisation du processus de coupure Z_A1 u_a Z_arc

A

Fig.1.4 – Représentation de la tension aux bornes du disjoncteur ua comprenant la tension

d’arc uarc et la tension liée à l’impédance du disjoncteur uA qui dépendra du chemin suivi par

le courant dans le disjoncteur.

– de diminuer le diamètre de l’arc, – d’augmenter la longueur de l’arc,

– de favoriser l’augmentation du ‡ux magnétique traversant la boucle que forme le circuit, en déplaçant l’arc rapidement,

– d’augmenter le nombre d’interactions arc/métal,

– de favoriser la commutation vers la branche de circuit ayant la plus grande impédance. Il est peu aisé de jouer sur le diamètre ou la résistivité de l’arc car ils dépendent principa-lement de la composition chimique du plasma et de son comportement hydrodynamique. Par contre, il est possible d’allonger l’arc ou de le segmenter dans plusieurs lamelles métalliques. La conception des disjoncteurs limiteurs est faite en ce sens et c’est ce que nous allons voir lors de la description de l’architecture.

Description de l’architecture d’un disjoncteur limiteur

Le disjoncteur est constitué d’une enveloppe plastique percée d’échappements contenant : i) Un système de circulation du courant

– Une électrode amont et une électrode aval qui assurent la circulation du courant en régime de fonctionnement normal.

– Un contact mobile, initialement en contact avec les électrodes amont et aval, qui peut s’en écarter a…n d’interrompre la circulation du courant.

– Une tresse de cuivre reliant le contact mobile à l’électrode aval. Celle-ci permet d’as-surer la circulation du courant tout en permettant le mouvement du contact mobile. ii) Un système d’ouverture

Ce système, qui a pour vocation de déplacer le contact mobile précédemment cité, peut être mis en fonctionnement par di¤érentes méthodes :

1.2. Plasma de coupure et disjoncteur limiteur 15 Bloc limiteur, Mécanique Joue gazogène Déclencheur thermique (Bilame) Déclencheur magnétique

Contact mobile ^{Réglage seuil}

thermique

Contact fixe

Tige percuteur Manette

Noyau mobile

Fig.1.5 – Description des éléments constitutifs d’un disjoncteur limiteur C60 de

Schneider-Electric.

– méthode thermique : le passage du courant se fait à travers une lame bimétallique cali-brée de telle manière qu’avec un courant nominal, elle ne subisse aucune déformation. Par contre si des surcharges sont provoquées par les récepteurs, la lame va se déformer et entraîner l’ouverture du contact.

– méthode magnétique : en service normal, le courant nominal circulant dans la bobine n’a pas assez d’in‡uence magnétique (induction magnétique) pour entraîner la tige percuteur. Le circuit est fermé. Si un défaut apparaît dans le circuit aval du disjoncteur, l’impédance du circuit diminue et le courant augmente jusqu’à atteindre la valeur du courant de court-circuit. Dès cet instant, le courant de court circuit provoque une violente aimantation de l’armature mobile, ce qui va provoquer la mise en mouvement du percuteur, puis du contact mobile.

– méthode mécanique : à travers une manette en face avant, un opérateur peut ouvrir manuellement le circuit et mettre …n à la circulation du courant. Il peut également le refermer par processus inverse, s’il le souhaite.

iii) Un système de coupure

Ce système regroupe l’ensemble des éléments qui vont favoriser le déplacement de l’arc et son extinction. Il comprend :

– un bloc limiteur (…gure 1.6), composé de plusieurs ailettes, qui permet de piéger l’arc électrique, d’évacuer l’énergie et d’augmenter la tension d’arc par augmentation de la tension de pied (section : 1.2.2 D’où vient la tension d’arc ?), le dé‡ecteur, élément métallique situé sous la cage et les ailettes, qui permet la bonne insertion de l’arc

élec-16 CHAPITRE 1. Du réseau à la modélisation du processus de coupure

trique dans les séparateurs. En e¤et, dès lors que l’arc électrique touchera cet élément, le courant apparaîtra en son sein et favorisera le déplacement de l’arc électrique. – des parois plastiques gazogènes qui vont favoriser le déplacement de l’arc grâce aux

forces de pression.

Tous ces éléments représentés …gure 1.5. vont permettre d’assurer la circulation du courant en régime nominal et de favoriser la limitation lors de la coupure dont nous allons décrire les étapes.

Fig.1.6 –Représentation d’un bloc limiteur dans lequel l’arc va se segmenter et ainsi contribuer

à la limitation du courant par la multiplication de la tension de pied.

Description des étapes de la coupure

Les di¤érentes étapes que nous allons décrire sont représentées …gure 1.7.

Naissance du plasma Lorsque les contacts s’écartent l’un de l’autre, la surface de contact est de plus en plus en faible, forçant le courant à passer dans des sections de cuivre de plus en plus réduites. Les surfaces en contact vont alors se transformer en ponts fondus et donner naissance à un arc saturé en vapeurs métalliques d’une température voisine de 15.000 K. La circulation du courant entre l’électrode aval et amont est ainsi assurée par le plasma de coupure.

Croissance du plasma L’arc subit à la fois les e¤ets électromagnétiques (e¤et de boucle1

et e¤ets réluctant²) et les forces de pression ‡uide. Ces deux e¤ets vont allonger l’arc, puis

l’entraîner dans le bloc limiteur. On peut noter également un troisième e¤et, mal maîtrisé

et négligé par la suite, qui correspond aux mouvements des pieds d’arcs [Vaquié 00]. Il est

important de favoriser les deux e¤ets principaux pour éloigner l’arc des contacts, dont l’état de surface doit être préservé a…n d’assurer une circulation du courant peu dissipative en régime de fonctionnement normal.

1E¤et qui tend à faire croître la boucle de courant. Une boucle de courant déformable tend à minimiser son

enthalpie libre G= ¹₂Li² . A i …xé cela revient à augmenter l’inductanceLde la boucle et par conséquent

la surfaceSsur laquelle s’appuie la boucle [Landau 90][Slama 01].

2E¤et du à l’aimantation des pièces mises en jeux qui tend à “raccourcir” les lignes de champ magnétiques

1.2. Plasma de coupure et disjoncteur limiteur 17

a) Position fermée, passage du courant

b) Apparition c) Allongement

d) Commutation _{e) Déplacement} f) Insertion

I

I

Fig.1.7 – Etapes : a) Position fermée, passage du courant. b) Naissance du plasma entre les

contacts. c) Allongement de l’arc dans la chambre de coupure. d) Commutation de l’arc du contact mobile vers le dé‡ecteur. e) Déplacement de l’arc entre les rails. f) Insertion de l’arc dans la chambre de coupure composée de plusieurs ailettes.

Commutation du plasma A…n de favoriser l’insertion de l’arc dans la chambre de coupure, on utilise une électrode de commutation (ou un dé‡ecteur). Lorsque le gaz au voisinage de celle-ci sera su¢ samment chaud, les …lets de courant la reliant seront de plus en plus intenses jusqu’à ne se concentrer que sur elle ; cette phase est appelée la phase de commutation. L’arc commuté sera soumis à des nouvelles forces de Laplace qui vont favoriser l’insertion de l’arc dans le bloc limiteur.

Insertion du plasma dans le bloc limiteur Avant de s’insérer, l’arc va stagner devant le bloc limiteur. Les e¤ets hydrodynamiques et électromagnétiques vont entraîner du gaz chaud entre les séparateurs et rendre le milieu plus conducteur. L’insertion s’opérera lorsque la tension d’arc deviendra supérieure à ce qu’elle serait si l’arc était inséré. L’arc va ensuite évacuer beaucoup d’énergie à travers les lamelles métalliques constitutives du bloc limiteur. Cet échange conséquent va être à l’origine d’une augmentation drastique de la tension d’arc et ainsi que d’une limitation importante.

18 CHAPITRE 1. Du réseau à la modélisation du processus de coupure

Extinction du plasma L’arc va poursuivre sa perte d’énergie jusqu’à “geler” à l’intérieur des ailettes. Le processus de coupure est terminé.