disjoncteurs fluarc au sf6 et protection

cahiers techniques Merlin Gerin n° 143 / p.1

1. Historique p. 2

2. Coupure par autosoufflage (auto expansion) p. 23. Arc tournant p. 44. Coupures et surtensions de manœuvre p. 5

5. Surtensions et ondes à front raide Les réamorçages p. 5L'arrachement du courant p. 8Les préamorçages p. 9

6. Isolation des moteurs p. 107. Propagation d'ondes à front raide

p. 10

8. Isolation moteur d'après les normes Isolation entre spires p. 12Isolation par rapport à la terre p. 12

9. Performances des disjoncteurs Fluarc Essais de coupure p. 13Résultats des essais p. 13Dans la pratique p. 14

Avec l'expérience p. 1510. Conclusion p. 16

disjoncteurs Fluarc au SF6 et protectiondes moteurs MTJacques Hennebert

David GibbsP=

sommaire

dans les moteurs

CEI et pratiques courantes

Conséquences des phénomènesde surtensions p. 12


1. historique

Jusqu’à la fin des années 70 lesdisjoncteurs MT (moyenne tension) ontutilisé, principalement, les techniques decoupure dans l’air et dans l’huile.

Les disjoncteurs à coupure dans l’huile, àfaible ou à fort volume d’huile, étaient enEurope la seule alternative technologique.La majorité des constructeurs de dis-joncteurs, d’envergure internationale, lesprésentaient dans leurs catalogues.

Par ailleurs, les qualités des disjoncteursà coupure dans l’air étaient trèsappréciées par leurs utilisateurs dans ledomaine de la distribution industrielle de6,6 et 11 kV en Asie et en Europe, et de5 et 15 kV sur le continent américain.Avec les disjoncteurs à coupure dansl’air, que ce soit pour des applications BTou MT, les utilisateurs ne se préoccupaientpas des surtensions et bien souvent,

n’étaient même pas conscients del’existence d’un tel phénomène. En effetgrâce au soufflage magnétique dans l’air,le grand allongement de l’arc (fonction dela valeur du courant coupé), et sonrefroidissement, permettent une coupureen douceur, sans surtension excessive.

Les techniques de coupure dans le gazd’hexafluorure de soufre -SF6- ou dans levide ont commencé à être utilisées dèsles années 70-75 (selon les pays),particulièrement pour les disjoncteurs MTdes postes primaires.

Le succès de ces deux nouvellestechniques n’est plus à prouver. Leursavantages sont : une durée de vie plus grande que celledes disjoncteurs à huile ; un meilleur comportement en réen-clenchement rapide, coupure de batterie

de condensateurs, etc, comparé à ceuxde la coupure dans l’huile et dans l’air ; un volume réduit, par rapport auxdisjoncteurs à coupure dans l’air.

Pour remplacer les disjoncteurs à coupuredans l’air, dans les applicationsindustrielles, et particulièrement pour lacoupure des courants de démarrage desmoteurs, le disjoncteur SF6 est la solution,offrant : l’avantage d’une coupure en douceur,et, par rapport aux disjoncteurs à coupuredans l’air, un faible encombrement.Pour toutes ces raisons, après avoirfabriqué pendant 35 ans des disjoncteursà coupure dans l’air de type Solenarc,Merlin Gerin a opté dès 1970 pour latechnologie à coupure dans le SF6 dansle secteur de la moyenne tension.

2. coupure par autosoufflage (auto expansion)

Tous les Fluarc sont des disjoncteurs àauto-soufflage. Cela signifie que pendanttoute la durée de vie d’un disjoncteur - 20ou 30 ans - c’est la même masse de gazSF6, contenue dans une enceinte ferméeétanche et scellée à vie, qui participe à lacoupure et à l’isolement.

Pendant la période d’arc, celui-ci estrefroidi par convection du SF6 et échangethermique entre le gaz “chauffé” par l’arcet le gaz froid.Plus précisément, le gaz froid est insuffléperpendiculairement à la colonne d’arcpour renforcer le mélange du gaz chaudet du gaz froid (phénomène tourbillon-naire). En comparaison, l’énergie calori-fique échangée par conduction radialeest très faible.On pourrait s’attendre à un échangecalorifique par rayonnement dû à latempérature élevée de l’arc. En fait, leséchanges sont infimes car le rayonnementest produit uniquement par les couches

périphériques de l’arc. Les échanges detempérature pendant la période d’arcs’effectuent donc surtout par convection.L’énergie fournie par le système, dans untemps dt à une masse de gaz dm, est :dw = V.I.dt = h.dm,avec :V = tension de l’arc,h = enthalpie par unité de masse ;ou encore :V.I.dt = h.ρ. s.dxavec :ρ = densité,s = section en coupe de l’arcdx = chemin parcouru par la masse dmpendant un temps dt.D’où V.I = h.ρ. s.u, u étant la vitesse desgaz.L’énergie transmise dépend directementde cette vitesse, mais les lois d’écoule-ment des gaz nous apprennent que ledébit massique ne peut pas s’accroîtreindéfiniment lorsque la vitesse augmente.

Les développements techniques actuelsfont qu’il est intéressant de rester auvoisinage de la vitesse du son.Cette vitesse peut être atteinte par unegéométrie convenable et pour unecertaine énergie développée lors de lacoupure. Technologiquement, lescontacts tubulaires creux facilitentl’écoulement rapide des gaz chauds etentraînent l’instabilité de la racine de l’arc,évitant l’usure des contacts d’arc.

La technique de soufflage est d’uneremarquable efficacité, elle nécessited’injecter seulement une petite quantitéde gaz entre les contacts : par exemple,avec les disjoncteurs Fluarc FB et FG, laquantité de gaz comprimé injecté au colde la buse est de cinq grammes pendantl’ouverture.

Afin de limiter la température de l’arc quipeut atteindre 10 000 ou 15 000 °C, àl’approche du zéro de courant il faut avoir


fig. 3 : variation de la section de l'arc, de la course des contacts et du débit massique de SF6 pourune coupure :

à 10 % du P. de C.,à 100 % du P. de C. : effet bouchon.

évacué l’énergie calorifique produite (quiatteint approximativement 30 000 jouleslors de l’interruption d’un courant de25 kA). La courbe d’enthalpie du gazmontre qu’un gramme de SF6 suffit àtransporter cette énergie (cf. fig. 1).

Pendant la période d’arc, l’espace occupépar l’arc au col de la buse dépend de lavaleur du courant instantané.La section de l’arc, étant proportionnelleà cette valeur, est donc sujette à la mêmevariation sinusoïdale. A des valeursélevées de courant, l’arc peut occupertout l’espace, bloquant ainsi le flux de gazfroid, c’est l’effet «bouchon» (cf. fig. 2).

Le débit massique total à la base de labuse est donc faible lorsque les valeursde courant instantané sont élevées, maisil s’élève rapidement dès que le courantchute, juste avant le zéro de courant. Ilest alors plus important que lors de lacoupure d’un courant faible (cf. fig. 3).

L’effet «bouchon» est bénéfique pourdeux raisons :

quand un disjoncteur s’ouvre sur uncourant élevé, il conserve une quantitéde gaz en réserve plus importante quelorsqu’il interrompt des courants faibles.Il n’agit pas en «aveugle» à l’approche duzéro de courant. Ainsi :

sur fort courant, le gaz participe trèsefficacement au refroidissement de l’arcet à la désionisation,

et pour les faibles courants, le faibledébit massique évite la coupure brutale(arrachement),

l’interruption d’un courant fort entraîneun freinage du mouvement d’ouverture.

fig. 1 : enthalpie du SF6 en fonction de latempérature.

Ce freinage limite la distance entre lescontacts, c’est à dire la longueur de l’arcet de ce fait l’énergie dissipée dans l’arc.

A titre indicatif dans les appareils MT (12,24 ou 36 kV) la longueur de l’arc est del’ordre de 15 mm.

fig. 2 : effet bouchon.

h

50

enthalpie10 kJ/g

40

30

20

10

5 000° 10 000° 15 000°

T °K

t 0

coursedescontacts

effet bouchon

circuit ouvert

circuit fermé: début d'ouverture des contacts d'arc

t

t

section de l'arc(proportionnelleau courant) avec effet

bouchon

t 0

t

débitmassiquede gaz

t 0

effet bouchon

sans effetbouchon

i

t


3. arc tournant

Cette technique est utilisée en particulierpour les appareils à grande cadence demanœuvres, dans les contacteurs Rollarcpar exemple et dans certains disjoncteurs.

PrincipeUn conducteur parcouru par un courant,et placé dans un champs magnétique,est soumis à une force qui tend à le fairedéplacer : c’est la loi de Laplace (champ-force-courant). Et c’est cette même loiqui, appliquée à un arc électriqueconducteur, permet d’obtenir un arctournant.

ApplicationLors de l’écartement des contactsprincipaux, le courant à couper passe autravers d’un solénoïde jusqu’à uneélectrode circulaire. Un arc apparaît entredeux anneaux, perpendiculairement auchamp magnétique B produit par lesolénoïde. L’arc étant conducteur subitdonc une force F, et est en conséquenceaccéléré dans un mouvement circulaire(cf. fig. 4).

La technique de l’arc tournant présenteplusieurs avantages : le refroidissement de l’arc est efficacedans le SF6 environnant,

produit vectoriel du champ et du courant,deux paramètres qui ne sont pas en phasemais dont le produit garde une valeursignificative au voisinage du zéro decourant (cf. fig. 5).

Lors de la coupure de faibles courants, lavitesse est très faible juste avant le pas-sage à zéro du courant. Le refroidisse-ment par convection est alors faible et ladésionisation n’est due qu’aux qualitésintrinsèques du gaz SF6. Ce faible refroi-dissement et cette désionisation font queles coupures s’effectuent en douceur etsans surtension de manœuvre.

les points chauds créant des vapeursmétalliques et une usure ponctuelle sontévités grâce au mouvement des racinesde l’arc ; cette rotation de l’arc se produit jusqu’auzéro de courant.

La vitesse de rotation de l’arc a étémesurée. Elle varie avec l’intensité ducourant à couper, et dans le gaz peutatteindre la vitesse du son pour les fortscourants de court-circuit.

Lors de la coupure des courants de court-circuit, la force au voisinage du zéro decourant est assez élevée pour maintenirl’arc en rotation. En effet, la force est le

fig. 4 : exemple d'un contact à arc tournant (contacteur type Rollarc).

fig. 5 : vitesse de rotation de l'arc due au champ magnétique.

pendant la période d'arc juste avant le zérode courant

courants élevés très élevée élevée(vitesse du son)

courants faibles élevée faible

vitesse de rotation de l'arc

FI

B

I

noyau magnétique

bobinage parcouru par le courantà couper

circuit magnétique

contact fixe principal

contact d'arc fixe

contact d'arc mobile

contact mobile principal


4. coupures et surtensions de manœuvre

La modification brusque de la structured’un réseau électrique provoquel’apparition de phénomènes transitoires.Ceux-ci se traduisent souvent par lanaissance d‘une onde de surtension, oud’un train d’ondes HF de type apériodiqueou oscillatoire à amortissement rapide.

Ce problème de surtensions liées à lacommande des circuits avec quelqueappareil que ce soit (interrupteur, contac-teur, fusible, ou disjoncteur), a beaucoupfait parler de lui et de nombreuses étudesont été effectuées à ce propos.Pour comprendre le problème, il fautexaminer les phénomènes qui donnentlieu aux diverses surtensions, ou ondes àfront raide, qui apparaissent : réamorçages successifs ou arrache-ments du courant, à l’ouverture ; préamorçages successifs, à lafermeture avec certains types d’appareilsde commande.

Il est à noter que : l’ampleur des surtensions ayant pourorigine ces trois phénomènes dépend del’instant (par rapport à la sinusoïde) où leprocessus est initié ; les phénomènes de préamorçages etde réamorçages successifs sont particu-

lièrement dépendants du type d’appareilde coupure.

Dans tous ces phénomènes, la coupuredes petits courants inductifs dus àl’énergie selfique (1/2.L.I 2) des circuitsest un important facteur de surtension.Ces surtensions sont fonctions de l’appa-reillage de coupure utilisé et de la charge,essentiellement transformateur oumoteur. pour les transformateurs à vide, lefacteur d’amplitude étant faible, la coupurede petits courants magnétisants est facileet sans danger. pour les moteurs, la coupure descourants de démarrage est plus difficileet peut être grave de conséquences,particulièrement en terme de destructionprogressive de l’isolation du moteur quiest plus faible que celle des autreséquipements.

En fait, le grand nombre de moteurs MTutilisés dans l’industrie, leur prix, et leursensibilité aux surtensions, ont renduprudent leurs utilisateurs et lesconcepteurs de réseaux. Car pendantleur durée de vie, ces machines subissentdes surtensions variées en termed’amplitude et de temps de montée.

De nombreuses études ont récemmentété effectuées sur les surtensions demanœuvre à la suite de défaillancesmoteur et avec certaines technologies decoupure.Ces études montrent que, pour toutes lestechniques de coupure, les surtensionsinjectées aux bornes d’un moteur tournantà son régime, qu’il soit chargé ou non, nesont pas dans la majorité des cas,capables d’endommager l’isolation desmoteurs. Ceci tient à la faible impédancede l’onde et à la force électromotricedéveloppée par le bobinage du moteur.Au démarrage cette force électromotricen’existe pas et le risque est élevé.

Pour mieux cerner les influences etperformances des appareils de coupures,il est intéressant : d’étudier les caractéristiques desformes d’ondes de surtension généréespar les opérations de coupure et l’effet deces ondes sur les différents typesd’isolation; de déterminer les effets des surtensionssur l’isolation des moteurs ; de connaître les tenues en tension desmoteurs.

5. surtensions et ondes à front raide

L’étude des surtensions passe donc parcelle des trois phénomènes citésprécédemment : réamorçages, arrachement du courant, préamorçages.

les réarmorçagesLe phénomèneQuand les contacts se séparent justeavant le passage au zéro du courant50 Hz, un amorçage peut se produire carla tension s’élève entre les contacts qui,

encore trop rapprochés, n’ont pas ladistance d’isolement nécessaire. Lecourant qui s’établit alors est un courantde haute fréquence que le dispositif decoupure est capable d’interrompre si savitesse de régénération diélectrique esttrès élevée. Puis le même processus serépète, et plusieurs réamorçages, jusqu’àune centaine, peuvent se produire. Cesréamorçages produisent des ondes quise propagent le long du circuit. L’amplitudede ces ondes dépend de la différence detension présente entre les contacts, justeavant que la coupure ne se produise.

Pour résumer ce phénomène, si unappareil peut interrompre des courantstransitoires à haute fréquence, il peutalors provoquer des trains d’ondestransitoires de haute fréquence.

A noter qu’un moteur peut être soumis àune onde à front raide, de même type quecelle apparaissant sur son appareil decommande, mais ayant une amplitudedouble (en raison du phénomène de ré-flexion d’onde).


Les réamorçages selon les normesCEIDans les documents de la CEI, lesréamorçages multiples créés parl’appareillage de commutation sontqualifiés «d’événements anormaux».Dans ce cas les équipements sensibles(enroulements de moteur) doivent : soit être prévus pour résister à un niveauplus élevé de tension de choc, soit être protégés de façon convenable.

Pour les moteurs MT, l’utilisateur a doncdeux solutions pour éviter les dommages : soit utiliser des moteurs ayant une trèsbonne isolation, correspondant auxcaractéristiques (front, amplitude) desondes à front raide qui se propagent, soit utiliser des parasurtenseurs (pourlimiter l’amplitude de la surtension), etdes systèmes RC (pour dériver lescourants transitoires de haute fréquence).Les documents CEI illustrant cesphénomènes (cf. fig. 6) montrent que lesréamorçages sont non seulement définispar le niveau de surtension par rapport àla terre -Ulf- mais aussi par la valeurmaximale de la tension crête-à-crête -Us--.Les phénomènes transitoires deréamorçageDans la réalité, des phénomènestransitoires accompagnent très souventles réamorçages décrits précédemment.Cette réalité est approchée dans leschéma équivalent (cf. fig. 7) d’un circuitcomportant : une source de tension sinusoïdaled’inductance L1 et de capacité C1, un appareil de coupure (disjoncteur D)non dissociable des éléments parasitesLp et Cp, une charge inductive L2 possédant une

capacité répartie symbolisée par C2, enfin une inductance de ligne L0.Lors d’une interruption, plusieursoscillations indépendantes apparaissent : au niveau du disjoncteur, les valeursparasites de Cp1 et Lp1 provoquent unepremière oscillation parallèle de fréquenceFp1 très élevée, de 1 à 10 MHz, pendantlaquelle Cp1 se décharge à travers ledisjoncteur :

fig. 6 : tension côté charge

le second phénomène appelé secondeoscillation parallèle, provoqué par untransfert d’énergie se produit entre lasource et les capacités de la charge àtravers l’inductance de liaison L0, ilconcerne la boucle “disjoncteur-C1-L0-C2".Cette oscillation se produit avec unefréquence Fp2 de 100 à 500 kHz :

Du fait des valeurs importantes de l’in-ductance de la source et des inductancesde charge, le reste du circuit n’est pasconcerné par les secondes oscillationsparallèles.

Fp2= 1

2π

C1+ C2

L0 . C1 . C2

Fp1= 1

2π Lp1 . Cp1

phase avec interruption réussie

U

t

U

t

phase non encore interrompue

U

: valeur instantanée de la tension réseau: tension réseau à l'instant de la coupure: point d'extinction: surtension par rapport à la terre: surtension maximale par rapport à la terre: amplitude maximale crête-à-crête de la surtension due au réamorçage

p

UpUs

Uc Um

Uf

Ulf

UfUcUmUlfUpUs


fig.7 : circuit équivalentoù Cp1 : capacité parasite du disjoncteur

Lp1 : inductance du disjoncteur

le troisième phénomène, appeléoscillation du circuit principal, concernetout le circuit avec une fréquence Fm de 5à 20 kHz :

qui peut ainsi être simplifiée pour unecharge très selfique :

Ces trois oscillations se produisent enmême temps après le réamorçage, et lasurtension qui en résulte est une super-position des trois formes d’onde. Cepen-dant le développement de ces formesd’ondes dépend des caractéristiques dudisjoncteur, de celles du circuit et del’amortissement des composantesrésistives.

Le réamorçage uniqueInitialisée par la décharge de Cp1, lapremière oscillation parallèle se produitjuste après le réamorçage du disjoncteuravec une fréquence élevée Cp1. Laseconde oscillation parallèle alorsprépondérante entraine un courantoscillatoire qui peut provoquer (ou non)un zéro de courant, et dans ce cas peut(ou ne peut pas) être interrompu par ledisjoncteur.Dans le cas contraire, l’oscillation se pour-suit jusqu’à ce qu’elle soit suffisammentamortie, et alors l’oscillation du circuitprincipal prédomine.

Les réamorçages multiplesDans des circuits fortement inductifs, lecourant est déphasé de presque 90° parrapport à la tension. Aussi, aprèsl’interruption du courant au voisinage ducourant zéro, la tension atteint presqueune valeur de crête.La tension commence à osciller à lafréquence fL du côté de la charge, et à lafréquence fS du coté de la source. Si ladifférence momentanée des tensionsd’oscillation dépasse le niveau de tenuediélectrique, un réamorçage de l’arc seproduit.Le circuit connait alors les premières etsecondes oscillations parallèles du côtéde la charge. Ces secondes oscillationsprovoquent un courant de hautefréquence qui traverse le disjoncteur.Lorsque ce courant est superposé au

courant de fréquence industrielle (50 ou60 Hz), il peut créer plusieurs zéros decourant à haute fréquence. La coupureeffective dépend alors du di/dt du courantlorsqu’il passe au point zéro et de l’apti-tude de l’appareil à couper avec ce di/dt.Ceci dépend de sa vitesse de régénérationdiélectrique : dans le cas des disjoncteurs ayant unevitesse élevée de régénération diélec-trique, la coupure définitive peut seproduire lors du premier passage au zérode courant à haute fréquence, pour des disjoncteurs à vitesse derégénération plus lente, plusieursoscillations peuvent être nécessaires ; lacoupure peut même ne pas se produiredu tout.

Ce courant à haute fréquence est initialisépar les secondes oscillations parallèleset de ce fait, ce courant passe dans lecircuit disjoncteur Cp1 et Lp1 (cf. fig. 7).Sa fréquence est fonction descomposants de cette boucle. Le courantpassant ainsi par l’inductance de la chargeL2, n’est pas touché par la boucle dessecondes oscillations parallèles sauf parde faibles perturbations.

Pendant la période de réamorçage, latension aux bornes de la charge oscilleautour d’un niveau de tension déterminépar la valeur acquise lors de la premièreinterruption. Le niveau de tension moyenpendant cette période provoque unaccroissement du courant de charge.Pendant la période de coupure, la tensionde rétablissement transitoire monte

jusqu’à ce qu’elle dépasse la rigiditédiélectrique de l’espace entre les contacts,et provoque ainsi un réamorçage.Il faut se souvenir que pendant la périoded’ouverture d’un disjoncteur ses contactsse séparent, et de ce fait la tenuediélectrique de l’espace entre ces contactsainsi que de la tension d’amorçages’accroissent à chaque réamorçage.Pendant ce temps, le courant de chargeva augmenter puis décroître selon que lavaleur instantanée de la tension côtécharge dépasse ou non le niveau detension E/2, ainsi que le montre la figure 8page 8.

Ainsi, la surtension de réamorçage pos-sible est gouvernée par les caractéristi-ques du circuit et du disjoncteur. La courbed’onde de réamorçage est donc fonctionde la fréquence du circuit de la secondeoscillation parallèle, tandis que l’ampli-tude possible est déterminée par la puis-sance disponible, c’est à dire par la puis-sance stockée dans l’inductance du cir-cuit et dans la capacité au moment de lacoupure.

Dans la pratique, les réamorçages successifs et lesinterruptions de courant de fréquencesélevées qui provoquent le processus deréamorçages multiples peuvent se répéterplusieurs fois. La quantité d’énergie croîtdans l’inductance de la charge alors quel’écart des contacts augmente, doncchaque réamorçage successif se produità une tension plus élevée ;

Fm = 1

2π

L1+ L2

L1 . L2 (C1+ C2)

Fm = 1

2π L1(C1+ C2)si L1<< L2

LC C

première boucle d'oscillation parallèle

deuxième boucle d'oscillation parallèle

L

C L

L

1

1

p1 p1 2 2

0


fig. 8 : réamorçage

la seconde façon est de ne pas couperrapidement le courant HF, mais d’attendrequ’il s’amortisse et s’annule, pour couperdéfinitivement au prochain passage àzéro du courant à fréquence industrielle.

l’arrachement du courantIl est défini comme une «coupure decourant abrupte assez loin du zéro decourant 50 ou 60 Hz”.Alors que le courant a été brusquementamené à zéro par la coupure, le courantde l’inductance de charge a besoin d’uncertain temps pour dissiper l’énergiemagnétique emmagasinée et pourpermettre au champ magnétique dechuter. L’énergie emmagasinée dans l’in-ductance L2 (cf. fig. 7) est transférée à

chaque oscillation, dans la capacité C2 etcrée une surtension. Grâce à laconservation d’énergie, la relationmathématique entre le courant coupé«la» et la valeur de surtension est bienconnue :

OùUc = tension aux bornes de C2 avantl’oscillationC2 = valeur de la capacité en avalL2 = valeur de l’inductance en avalEt donc, si le neutre côté charge n’est pasmis à la terre (c’est le cas pour la plupartdes moteurs), dès l’interruption de lapremière phase (cf. fig. 9) un déplacementdu potentiel du neutre par rapport à laterre se produit et la surtension qui enrésulte est :

avec V = tension simple, entre phase etneutre.

Mais cette équation ne tient pas comptede l’amortissement du circuit qui faitdécroître progressivement l’amplitude desoscillations. Dans la pratique, il faut doncintroduire un facteur d’amortissement K :

K = 1 + x1,5 V

avec x = amplitude de l’oscillation autourdu potentiel du neutre.

D’où : lorsqu’il n’y a pas de courant arraché,la valeur minimale de Umax obtenue estde : (Umax) mini = 0,5 V + X= 0,5 V + (K - 1) 1,5 V= 1,7 V avec K = 1,8= 1,4 V avec K = 1,6. avec un courant arraché, petit maisnon négligeable, Umax est bien sûr plusimportant; les valeurs les plus élevéespouvant être observées lorsque lacoupure de la première phase provoquela coupure des autres phases, presqueinstantanément. Ce phénomène estappelé arrachement du courant virtuel.Le processus d’arrachement de cecourant virtuel dépend entièrement descaractéristiques du circuit et du couplageentre phases. Il peut donc se produireavec n’importe quel disjoncteur.

l’amplitude est limitée par la tenuediélectrique de l’espace entre les contacts,amplitude qui s’accroît pendantl’ouverture. La vraie valeur de tension deréamorçage est donc fonction de l’énergiedisponible et de la régénération diélec-trique, si bien qu’une valeur généralemaximale ne peut être fixée.

Le processus de réamorçage/coupurepeut s’interrompre de deux façons : la première, par la fin des phénomènesde réamorçage. L’espace entre lescontacts, nécessaire pour couper,augmente en même temps que la tensiontransitoire de rétablissement (TTR).Lorsque le taux d’augmentation de latenue diélectrique dépasse le tauxd’accroissement de la TTR, la coupureest définitive ;

12

C2 . Umax2

= 12

C2 . Uc2+ 1

2L2 . I a

2

Umax= Uc2+

L2

C2I a

2

Umax= 0,5 V + (1,5V)2+ 1,5 L2/ C2 I a

2

t

instant de séparation des contacts

courant zérot = 0

E

0

- E/2

zone de tenue diélectriqueentre les contacts

tension côté charge

V

V

tensiond'alimentation

périoded'extinction

périodede décharge

t

courant côté charge pendant les processus de réamorçages

max

min


avec des valeurs élevées du courantarraché, la puissance emmagasinée dansle circuit de charge au moment de lacoupure peut être extrêmement élevée,et peut entraîner des surtensionsexcessives.

les préamorçagesAu moment de la fermeture des appareilsde connexion (disjoncteur-contacteur-interrupteur), une position est atteinte oùla tenue diélectrique entre les contactsdevient inférieure à la tension entre lescontacts. A cette position, un amorçage(appelé préamorçage) se produit. Lestensions, du coté de la source et du cotéde la charge, vont très rapidementatteindre une tension intermédiaire et latension entre les bornes amont et aval del’appareil de coupure décroître pouratteindre une valeur plus basse. Cechangement rapide de tension a poureffet de créer une onde de tension à frontraide de part et d’autre de l’appareil.L’amplitude du front peut atteindre unevaleur aussi grande que la valeur decrête de la tension simple. Les ondes dehaute fréquence qui en résultentatteignent la charge où a lieu une réflexion,et l’onde réfléchie retourne aux bornes dudisjoncteur. L’arc du préamorçage peutêtre alors coupé au zéro de courant ou àproximité de ce zéro. Sa coupure dépenddu di/dt du courant lorsqu’il passe auzéro.Mais étant en cours de fermeture,l’écartement entre les contacts diminue;cette coupure n’est donc effective quejusqu’à ce que la tension dépasse ànouveau leur tenue diélectrique. Avantque les contacts se touchent ce processuspeut se répéter plusieurs fois.La tension qui apparaît aux bornes durécepteur connaît un «double effet» dû àla réflexion (généralement de l’ordre de1,8 fois la tension introduite ). Après avoir

atteint sa valeur de crête, l’onde de tensionhaute fréquence décroît lentement du faitdu passage des ondes dans le câble(l’impédance caractéristique d’un câbleest de quelques dizaines d’ohms).Le processus répété de préamorçagesuivi d’une onde de courant de hautefréquence et d’une coupure de courantest donc semblable dans sa nature auphénomène de réamorçage décritprécédemment. Une différence toutefois :la tenue diélectrique diminuant avec lerapprochement des contacts, la courbe

enveloppe des trains d’oscillations HFest décroissante.Comme nous venons de le voir, lephénomène de préamorçage est trèscomplexe et difficile à prévoir. L’apparitionde surtensions dépend de nombreuxfacteurs : caractéristiques du disjoncteur(propriétés diélectriques, capacité àcouper le courant de haute fréquence), caractéristiques du circuit (impédancescaractéristiques des câbles et récepteurs), ainsi que l’instant de la fermeture.

fig. 9 : interruption de la première phase avec courant arraché Ia.

I

N

V

U

X

V0,5

max

i

a


6. isolation des moteurs

La majorité des enroulements stator desmachines à courant alternatif estconstituée de bobines préformées, reliéesentre elles pour former le bobinage d’unephase. Les bobines sont constituées deplusieurs spires en série, chacune d’entreelles devant être isolée l’une de l’autre etdu circuit magnétique mis à la terre.

L’isolation est donc à considérer “entrespires” et “entre bobinage et masse”.Pour assurer leurs performances sur leplan magnétique et thermique, les bobinessont placées dans des encoches situéesau cœur du stator, lequel est mis à laterre. Ainsi, l’isolement de type sec entre

rapport à la terre (ou isolation principale),est soumis a des contraintes diélectriquesde trois à sept fois supérieures à la tensionnominale 50 Hz.L’isolation entre spires est normalementsoumise à des niveaux de contrainte trèsbas, mais qui peuvent être de 100 à 1000fois plus élevés pour les premières spiresdes bobinages lorsque les surtensionsdues aux réallumages multiples seproduisent. Cette isolation entre spiresest d’ailleurs très difficile à tester, ce quiconduit à diverses appréciations desconditions d’essais. Il n’existe donc pasd’essais directs normalisés.

spires n’a donc pas besoin d’être élevé;par contre, l’isolement entre les bobineset la masse doit être élevé pour supporterla tension phase-terre.Ceci conduit à des distances d’isolementfaibles entre les spires et une isolationplus épaisse de la masse pour supporterla tension phase-terre. Cette technologieintroduit une capacité importante d'unepart entre les spires, d'autre part entre lesbobines et les encoches, ce qui conduit àune faible vitesse de propagation de lasurtension dans les bobinages d’unmoteur.

Le bobinage de la machine isolé par

7. propagation d’ondes à front raide dans les moteurs

Comme décrit précédemment, le statord’un moteur est constitué de nombreusesspires.Déterminer avec précision la répartition,entre spires, des tensions de choc à frontraide est très difficile. Aussi plusieursmodèles ont été développés pour étudierces surtensions, le plus connu utilise unréseau maillé de bobines et decondensateurs en dérivation.Dans un tel réseau maillé, le bobinageest considéré comme un “milieu” danslequel des ondes se propagent avec uneimpédance caractéristique donnée etpendant un certain temps. L’onde à frontraide met donc un certain temps (Tt) àpasser de spire en spire ; ce temps estgénéralement beaucoup plus petit que letemps de montée de l’onde (Tf) (cf.fig. 10).

Si l’amplitude de l’onde est Vmax, la tensiondéveloppée dans les spires est :V2 = Vmax.(Tt/Tf).Ainsi pour un moteur ayant unecaractéristique de propagation d’ondefixée (Tt), la tension qui apparaît auxbornes de la première spire dépend del’amplitude et du temps de montée de lasurtension.

fig. 10 : tension développée entre spires et extrémités de bobine lors de l'application d'une tension àfront raide sur le bobinage d'un moteur.

0 A B C D

V V V V V0 A B C D

V

0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

20

40

60

80

100

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

20

40

60

80

100

τf

V0VA

VB VC

cτ

τt

t ( s)µ

tension sur extrémité de bobine

tension sur première spiretension% V

tensionphase-terre% V

(V - V )0 A

théorique réel

tf

t ( s)µ


0 1 2 3 4 5 6 7 80,2

1

2

3

4

5

V1

V2

V3

tens

ion

de c

hoc

phas

e/te

rre,

en

p. u

.

durée du front en sµ

Des relevés d’expériences (cf. fig. 11)révèlent que : les temps de front d’ondes supérieurs à3 µs provoquent une tension négligeableaux bornes des premières spires ; l’amplitude de la surtension est plusimportante pour des ondes à front demontée de l’ordre de 0,5 à 0,2 µs ; ces résultats sont indépendants de lapuissance des moteurs concernés.

Toutefois la durée de telles surtensions(ondes à front raide) est très courte; enconséquence, même si la puissanceinstantanée de la surtension peut êtreélevée, l’énergie est très faible. De ce fait,les dommages provoqués à l’isolationsous forme de trous microscopiques dansle système d’isolation, parfois appelés“trous d’épingle”, sont très limités et biensouvent ne peuvent pas être détectés. Eneffet un seul trou d’épingle cause très peude modifications dans les caractéristiquesd’isolation. Mais ces trous d’épingle semultiplient au rythme des surtensions àfront raide. Ils provoquent alors des “pointschauds”, qui dégradent progressivementles caractéristiques d’isolation, limitantainsi la vie du moteur. Cette dégradationest un processus généralement lent quipeut ne pas être détecté jusqu’à ce quel’isolation de la bobine soit totalementdétériorée.

De récentes discussions sur lesdommages crées sur les moteurs MT ontconduit à établir des courbes de résistancedes moteurs aux tensions de choc. A titred’exemple, en fonction du temps demontée, la figure 12 montre la courbe detenue au choc publiée par un comité del’Institut des Ingénieurs Electriciens etElectroniciens ( IEEE) qui tient compte duvieillissement des moteurs. Cette courbemontre l’excellente capacité de l’isolationdes moteurs à supporter les surtensionsà fronts d’onde de durée supérieure à5 µs, mais aussi la grande sensibilité auxamorçages dûs à des surtensions ayantdes fronts d’onde de durée inférieure à1 µs. La contrainte est donc bien fonctiondu temps de montée de la surtension.

fig. 11 : amplitude de la tension en fonction du temps de montée de l'onde.

fig. 12 : courbe enveloppe de résistance à la tension de choc de moteur.

VI=tension nominaleen kV

V1= 2/3 V1.(1p.u.)V2=2 V1

V3=1,25 2 (2V1+1)

0 1 2 30

20

40

60

80

100

V%

Puissances des moteurs2 200 kW 100 kW 75 kWet + autres puissances

µ( s)τ


conséquences desphénomènes desurtensionsLes réamorçagesComme expliqué précédemment, chaqueréamorçage successif se produit à unetension plus élevée avec une valeurmaximale qui ne peut être fixée. Or larépétition excessive des surtensions peutconduire à la destruction définitive del’isolation entre spires aussi le nombre deréamorçages lors d’une même coupureest une donnée de base.

L’arrachement du courantLes claquages de moteurs ayant pourcause ce phénomène, directement lié àl’instant initial de la coupure, sont :

soient dus à une surtension très élevéeconsécutive à un fort courant arraché, soient dus à une répétition desurtensions de moindre valeur,consécutives à plusieurs coupures avecarrachement.

Les préamorçagesLors du préamorçage du premier pôle,une onde à front raide de 1,8 p.u. peutêtre appliquée aux bornes du moteur.Cette tension se propage à travers lesbobines et sera vue en tête de la deuxièmebobine comme une oscillation «lente»d’amplitude de 1,8 p.u.. A ce moment là,la tension coté source est maximale surla phase A (1 p.u.) et, sur les phases B etC, elle est égale à 0,5 p.u..Ainsi dans le cas le plus défavorable,lorsque le réamorçage se produit sur un

second pôle, alors que la tension cotémoteur est égale à 1,8 p.u., une tensionde 2,3 p.u. est appliquée coté source etcoté charge, sous la forme d’une onde àfront raide. Cette onde subit aussi uneréflexion qui porte son amplitude à1,8 x 2,3 = 4,1 p.u. aux bornes du moteur.

En résuméLes phénomènes de préamorçage sonttrès complexes. Les surtensions qui enrésultent dépendent de beaucoup de fac-teurs : du disjoncteur et de soncomportement dans de tellescirconstances (capacité ou non àinterrompre prématurément le courant),du circuit (impédances transitoires,fréquences propres), ainsi que de l’instantde fermeture sur l’onde sinusoïdale decourant.

8. isolation moteur d’après les normes CEI et pratiques courantes

isolation par rapport à la terreEssai de tension à fréquenceindustrielleLa tension efficace (2Un + 1) kV estappliquée entre les bornes du bobinageet la terre pendant une minute, puis estaugmentée à une vitesse de 1 kV/s jusqu’àdeux fois (2Un + 1) kV; puis immé-diatement ramenée à zéro, à la cadenced’au moins 1 kV/s. A la suite de cet essai,le moteur ne doit présenter ni claquage,ni dommage.La valeur de crête, 2 2 (2Un + 1) kV,dérivée de ce test est un peu supérieureà celle de l’essai de choc.Pour Un = 6,6 kV, la valeur de crête cor-respondante est donc de :

2 2 (2Un +1) = 40 kV ; mais elle n’estappliquée que pendant un temps courttandis que la valeur 20 kV crête apparaîtà chaque demi-période pendant uneminute.

Essai de tenue à la tension de choc defoudreLa tension d’essai est 4 Un + 5 kV, ou4,9 p.u. + 5 kV en valeur de crête.Cette tension est la même que pour l’essaid’isolement entre spires mais avec untemps de front de 1,2 µs.Le tableau de la figure 13 récapitule lesdifférents essais de coordination del’isolement qui sont effectués sur lesmoteurs MT.

Le comité technique pour les machinestournantes (travaillant pour la CEI), etdifférents auteurs de la littératuretechnique, s’accordent sur les niveauxd’isolation nominale des machinesrotatives MT.La norme CEI 34 stipule les niveauxsuivants.

isolation entre spiresLa tenue à la tension de choc de foudreest vérifiée par l’application d’une onde àfront raide, de niveau (4Un + 5) kV, Unétant la tension nominale. Ainsi, pourUn = 6,6 kV, la tension d’essai est de :(4 x 6,6) + 5 ≈ 31 kV (crête).Généralement, le niveau de surtensionest exprimé en p.u. (per unit) c’est lavaleur crête de la tension phase/terre :

Pour Un = 6,6 kV, la tension d’essais’écrit aussi :4,9 p.u. + 5 kV (crête).Par convention, 50 % de cette tensiondoit être appliquée aux bornes d’unéchantillon de bobines d’entrée, ce quicorrespond à un compromis dû à ladistribution non linéaire de la tension lelong du bobinage. Le temps de frontd’onde ne doit pas être inférieur à 0,5 µs.

isolement essai à 50 (60) Hz essai de chocvaleur efficace

entre spires 4,9 p.u. + 5 = 31 kV à 6,6 kV(50 % sur un échantillon)temps de montée 0,5 µs

par rapport 2 UN + 1 ⇒ 2 (2 UN + 1) ⇒ 0 4,9 p.u. + 5 = 31 kV à 6,6 kVà la terre 14 kV ⇒ 28 kV⇒ 0 temps de montée 1,2 µs

fig.13 : niveaux d'isolement nominaux pour machines tournantes.

1 p.u. = Un 2

3

0 1 mn

1 kV/s


9. performances des disjoncteurs Fluarc

De nombreux tests ont été réalisés dansdifférents laboratoires, depuis denombreuses années, sur les associationsdisjoncteur-moteur MT ou des montageséquivalents.Récemment, selon le projet qui est sur lepoint d’être inclus dans le documentCEI 17A, les tests suivants ont été réalisésdans le laboratoire Volta (rapports destests AC 1239 et AC 1241) :

essais de coupureSchéma du circuit : (cf. fig. 14).100 A - 7,3 kV et 280 A - 7,3 kV

fig. 15 : résultats des essais avec disjoncteur Fluarc FG2/40 kA et FG1/25 kA : il ne se produit pas de réamorçages multiples(tension d'essai : 7,3 kV - Cc : 7,35 µF).

type de I (A) K (facteur surtension (p.u.) réamorçagesdisjoncteur d'amortissement) moyenne moyenne multiplesSF6 + un écart typeFG2 100 1,77 2,96 3,43 non

100 1,77 2,94 3,41 non280 1,54 1,91 2,09 non280 1,54 1,87 2,14 non

FG1 100 1,77 1,63 1,81 non100 1,77 1,79 2,14 non280 1,54 1,69 1,78 non280 1,54 1,43 1,64 non

fig. 14 : schéma du circuit d'essai 100 A/7,3 kV - 280 A/7,3 kV.

Caractéristiques des câblesLes extrémités de l’écran du câble àchamp radial sont mises à la terre.Longueur : 100 mTension : 12/20 kVCourant : 295 AType : Pirelli X23Isolation : polyéthylèneCapacité/m : 0,22 nF/mImpédance : 40 ΩParamètres du circuit moteur courant : 100 Acos ϕ : < 0,2Fréquence d’oscillation : 11,7 kHz

courant : 280 Acos ϕ : < 0,2Fréquence d’oscillation : 27 kHz

résultats des essais(cf. fig. 15, 16, et 17)

Les disjoncteurs Fluarc utilisés étaientdes FG2/40 kA et FG1/25 kA.Tension d’essai : 7,3 kV.Ces résultats reposent sur vingt essaisréalisés à chaque valeur de courant et decapacité. Ce résumé tient compte del’aspect statistique.

R

moteurdisjoncteurde protection

organede fermeture

Co = 40 nF inductancejeu de barre25 à 50 Hµ

circuit de réglage

100 m de câbleà champ radial± 10 m/40 ± 10Ω Ω

5 ΩCc = 7,35 Fµ

Cp = 400 pFà 2,5 nF


les contacts, seulement une micro-seconde après le zéro de courant. Quanddes disjoncteurs et des contacteurs àcoupure dans le vide coupent un circuit,lorsqu’il y a suffisamment d’énergie pourinitialiser un réamorçage, il en résultesouvent un processus coupure /réamorçage (réamorçages multiples).Ce comportement varie selon le typed’alliage des contacts, mais reste différentdu comportement d’un disjoncteur àcoupure dans le SF6 qui a besoind’environ dix microsecondes pourretrouver 75 % de sa tenue diélectrique.Aussi, avec la technique de coupure dansle SF6, un seul réamorçage est possibleet fréquent lorsque les contacts seséparent juste avant le courant zéro(50 Hz). Exceptionnellement quelquesréamorçages peuvent se produire maisjamais en nombre important.

Vis à vis de l’arrachement decourantDes surtensions pouvant être observéeslorsque la coupure de la première phaseprovoque prématurément la coupure desautres phases, ce processus dit decoupure du courant virtuel dépendentièrement des caractéristiques du circuitet du couplage entre phases. Il peut doncse produire avec n’importe quel dis-joncteur.Et comme d’autres phénomènes qui fontintervenir des coupures de courant dehaute fréquence, la coupure du courantvirtuel risque plus de se produire dans lesdisjoncteurs à coupure dans le vide,qu’avec des disjoncteurs utilisant d’autrestechniques de coupure.

dans la pratiqueComme expliqué dans le premier chapitre,les techniques actuellement les plusutilisées dans les appareils MT sont lacoupure dans le vide et la coupure dansle SF6. Ces deux techniques présententcependant des différences importantesdans le domaine de la protection desmoteurs MT.

Vis à vis des réamorçages etpréamorçages multiplesLe phénomène de réamorçages multiplesdépend de la capacité du disjoncteur àcouper des courant de haute fréquence.Les disjoncteurs à coupure dans le videsont capables d’interrompre des courantsHF, du fait de l’extrême vitesse de larégénération diélectrique : la tenuediélectrique peut atteindre 75 % de lavaleur qu'elle aurait normalement entre

fig. 16 : oscillogramme de coupure d'un disjoncteur FG2, à 100 A sur 7,3 kV, avec le circuit d'essai CEI.

0,1 ms

voie 410.00 kV

voie 510.00 kV

voie 610.00 kV

17,6 kV

Laboratoire VOLTA C1239 86/12/12/030


En résuméLa capacité des disjoncteurs à coupuredans le vide d’interrompre des courantsde haute fréquence, les rend beaucoupplus sensibles aux préamorçagesmultiples que les autres disjoncteurs. Parcontre, les disjoncteur au SF6 ne coupantpas prématurément les courants de hautefréquence, ne provoquent en généralqu’un seul préamorçage.

avec l’expérienceLe premier disjoncteur Fluarc fut mis enservice en 1971. En 20 ans, plus de70 000 disjoncteurs de ce type ont étéinstallés dans le monde entier, pour desapplications variées notamment dans ledomaine industriel où les manœuvresdes moteurs doivent être sûres à 100 % : auxiliaires de centrales,

industries lourdes ( de process), plates-formes offshore,...Ceci démontre la parfaite adaptation desdisjoncteurs Fluarc à la commande et à laprotection des moteurs MT.

fig. 17 : oscillogramme de coupure d'un disjoncteur FG1, à 100 A sur 7,3 kV, avec le circuit d'essai CEI. Le disjoncteur coupe sans arrachement de courant.

1 ms

Laboratoire VOLTA C1241 86/12/16/013 100.0

voie 1.10 kA

voie 72.00 V

voie 410.00 kV

voie 2.10 kA

voie 82.00 V

voie 510.00 kV

voie 610.00 kV

voie 92.00 V

voie 3.10 kA


La comparaison entre le niveau d’isola-tion des moteurs et celui des surtensionsrésultant de l’utilisation des disjoncteursFluarc et contacteurs Rollarc montre qu’ilexiste une bonne marge de sécurité.A la tension de 6,6 kV qui est la plusutilisée pour des moteurs, le niveaud’isolation de l’ensemble de l’installationMT (CEI 298) est de 60 kV “choc” etl’isolation du moteur entre ses bornes etla terre est de seulement 31 kV “choc”(CEI 34)

Cette valeur comparée aux résultats detest donnés au chapitre 9 montre que lesFluarc ne surtensionnent pas de façondangereuse pour le moteur.Ces disjoncteurs couvrent une gammeétendue de courants nominaux, detensions et de pouvoirs de coupure. Pourles cas difficiles (vieux moteurs ou risquesde vieillissement accéléré) l’emploi desdisjoncteurs Fluarc FG1 ou descontacteurs Rollarc (P < 250 kW) estconseillé, car ces matériels utilisent latechnique de l’arc tournant.

Les Fluarc et Rollarc ne génèrent pas deréamorçages multiples, ce qui permet desauvegarder l’isolement entre les spiresdes moteurs.L’expérience a montré que leur emploirend inutile l’utilisation de limiteur desurtension ZnO pour écrêter et de circuitsRC pour atténuer les effets desréamorçages multiples.

10. conclusion

disjoncteurs fluarc au sf6 et protection

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