Des essais d'établissement et de coupure sont exigés par la norme internationale CEI 62271-100 pour démontrer les performances d'un disjoncteur à haute tension à courant alternatif. Les normes ANSI/IEEE ont des spécifications similaires qui sont harmonisées en grande partie avec celles de la CEI ..
Un disjoncteur doit être capable d'établir et de couper des courants dans des conditions normales de service (mise sous tension et hors tension de charges capacitives ou inductives) et dans des conditions anormales de service (défaut aux bornes, défaut en ligne et discordance de phases) où un disjoncteur doit éliminer un court-circuit.
Parmi ces essais, certains sont obligatoires pour tous les disjoncteurs à haute tension (e.g. établissement et coupure de défaut aux bornes) alors que d'autres ne sont exigés par les normes que s'ils sont applicables (e.g. coupure de défaut en ligne uniquement pour les disjoncteurs reliés directement à une ligne aérienne, coupure en discordance de phases).
Généralités
Cet article ne traite que des essais d'établissement et de coupure de courants, d'autres essais sont exigés pour démontrer la conformité aux normes internationales (e.g. essais diélectriques, essais d'échauffements) , ils sont présentés dans l'article principal sur les disjoncteurs à haute tension.
Coupure d'un courant par un disjoncteur à haute tension
La coupure d'un courant alternatif par un disjoncteur à haute tension est obtenue en séparant des contacts dans un gaz (SF6 ou mélange de gaz) ou dans un milieu isolant tel que le vide.
Lorsque le disjoncteur s’ouvre dans un circuit parcouru par un courant, le courant continue de circuler dans un arc électrique qui est généré après séparation des contacts du disjoncteur (Figure 1).
Dans un disjoncteur à soufflage de gaz, le courant est coupé si le soufflage est suffisamment intense pour refroidir l’arc et l’éteindre. Cette coupure s'effectue généralement au passage par zéro du courant car c'est à cet instant que l'énergie apportée par le réseau est minimale (Figure 2).
Dans le cas d'un disjoncteur avec coupure dans le vide, la coupure est réussie si la tenue diélectrique du milieu est régénérée (sans particule métallique provenant des contacts et sans aspérité sur les contacts) entre contacts au passage par zéro du courant.
La coupure d'un courant continu sous haut tension n'est possible sous haute tension que si un passage par zéro est créé artificiellement . ..
La coupure est réussie si la tension qui se rétablit entre électrodes après l'interruption du courant est à tout moment supérieure à la tension transitoire de rétablissement (TTR) imposée par le réseau. En cas d'échec de la tenue de la TTR ou la tension rétablie à fréquence industrielle ( ou ) on parle généralement de réamorçage et dans quelques particuliers de réallumage (voir coupure de courants capacitifs et coupure de courants de charges inductives).. Un réamorçage thermique (en anglais thermal restrike) se produit pendant les premières micro-secondes après la coupure du courant alors qu'un réamorçage diélectrique (en anglais dielectric restrike) se produit plusieurs centaines de micro-secondes après l'instant de coupure.
Durée d'arc
La durée d'arc est l'intervalle de temps pendant lequel il y a un arc entre les contacts d'un disjoncteur. Dans le cas d'un défaut monophasé, elle est comprise entre l'instant de séparation des contacts et l'instant d'extinction de l'arc dans le pôle du disjoncteur qui coupe le courant. Dans le cas d'un défaut biphasé ou triphasé, selon la norme de disjoncteurs CEI 62271-100, la durée d'arc est l'intervalle de temps entre l'instant du premier début d'un arc et l'instant de l'extinction finale de l'arc sur tous les pôlesAppareillage à haute tension –Partie 100 : Disjoncteurs à courant alternatif à haute tension.
Les essais de coupure en court-circuit (défaut aux bornes, défaut en ligne et discordance de phases) doivent démontrer la capacité de coupure du disjoncteur avec des durées d'arc minimale, maximale et intermédiaire. La durée d'arc minimale, la plus courte pour laquelle le disjoncteur peut couper, varie d'un disjoncteur à l'autre, de la technique de coupure et sont généralement fonction de l"amplitude du courant à couper. L'intervalle entre la durée d'arc maximale et la durée d'arc minimale est spécifiée par la norme, elle est fonction du type de défaut (monophasé ou triphasé) et du régime de neutre du réseau.
Sur la figure 3, les trois rectangles remplis en violet donnent les durées d'arc et valeurs crêtes de TTR dans le cas d'une coupure triphasée dans un réseau à neutre effectivement à la terre (typiquement pour des tensions assignées supérieures ou égales à . Les rectangles correspondent de gauche à droite à la coupure des première, deuxième et troisième pôle qui coupent. Les rectangles remplis en jaune donnent les informations dans le cas d'une coupure triphasée dans un réseau à neutre non-effectivement à la terre.
Pour une fréquence industrielle égale à , la durée d'une alternance de courant est égale à , cette sinusoïde correspond à 180° (degré électrique). Par suite la norme CEI 62271-100 indique les angles en degré, correspondant à 18° pour un réseau à (et à 18° pour un réseau à ).
L'intervalle de durée d'arc possible de pour chaque pôle qui coupe s'explique par le fait qu'en triphasé un passage par zéro du courant se produit tous les (trois fois par alternance de , un décalage de l'instant de séparation des contacts de conduit nécessairement à la même durée d'arc du premier (et des autres) pôles qui coupe.
Les normalisateurs ont choisi un intervalle maximal un peu inférieur à et ont pris (soit moins à ) TRV for High-Voltage Circuit Breakers diapositives 63 à 69. La figure 4 montre un exemple de durées d'arc minimale et maximale dans le cas d'un réseau avec neutre non effectivement à la terre.
Moyens de mesure Lors des essais il est nécessaire d'enregistrer le courant, la tension aux bornes du (ou des) pôle(s) en essais, l'instant où l'ordre est donné au disjoncteur, le déplacement des contacts, et d'autres enregistrements qui permettront d'analyser les résultats d'essais (e.g. la surpression dans un cylindre de soufflage). Dans les années 1970, ces enregistrements étaient faits sur papier UV ou sur oscilloscopes. Par la suite des analyseurs transitoires ont été utilisés, actuellement les mesures sont faites de manière digitale ce qui permet de faire une détermination automatique des résultats d'essais, de stocker les enregistrements sur ordinateur avec des possibilités d'analyse ultérieure ..
Établissement et coupure de courants capacitifs
L’établissement et la coupure de courants capacitifs sont des opérations normales que doivent effectuer pratiquement tous les disjoncteurs à haute tension. Les cas les plus typiques d'application sont les mises sous tension et hors tension de lignes à vide (circuit ouvert à son autre extrémité), de câbles . à vide et de batteries de condensateurs.
Essais de coupure (mise hors tension) Les contraintes liées à la tenue de la tension rétablie en coupure de courants capacitifs sont présentées au chapitre Circuit capacitif de l'article connexe sur la tension transitoire de rétablissement.
Une distinction est faite dans les normes CEI et ANSI/IEEE entre les deux cas possibles de claquage diélectrique/échec de la tenue à la tension rétablie : Jusqu’à et y compris un quart de période après l’instant de coupure : il s’agit d’un réallumage. Il n’y a pas de limitation du nombre de réallumages lors d’essais normalisés car un réallumage ne produit pas de surtension. Plus d’un quart de période après l’instant de coupure : il y a réamorçage de l’appareil. Le nombre de réamorçages en essais ne doit pas dépasser une valeur définie dans les normes car un réamorçage produit une surtension sur le réseau.
Les normes CEI et ANSI/IEEE, harmonisées dans ce domaine, définissent les essais pour deux classes C1 et C2 de disjoncteurs qui ont respectivement une faible probabilité de réamorçage ou une très faible probabilité de réamorçage .,
Les disjoncteurs de classe C2 ont un niveau de performance supérieur, exigé habituellement pour des tensions assignées supérieures à , car: le nombre d'essais est le double de celui spécifié pour la classe C1, les essais sont effectués sur un appareil usé par trois coupures préalable d'un courant de court-circuit égal à 60 % de son pouvoir de coupure, alors que les essais de la classe C1 sont effectués sur un appareil neuf.
À titre d'exemple, pour des essais monophasés de coupure de courant de lignes à vide le nombre d'essais est égal à 48 pour la classe C1 et 96 pour la classe C2.
Les essais les plus sévères sont obtenus avec la durée d'arc minimale du disjoncteur (voisine de ) car dans cette condition la tension maximale est appliquée pour la plus faible distance possible entre contacts. Par suite, la norme exige qu'un fort pourcentage d'essais soit effectué avec la durée d'arc minimale.
Lorsque des essais sont effectués en monophasé, en substitution aux essais triphasés qui ne sont pas toujours réalisables en haute tension, la tension d'essai doit être égale à la tension phase-terre multipliée par : 1 ou 1,4 dans le cas de câbles à vide, suivant le type de câble et régime de neutre du réseau, 1,2 ou 1,4 dans le cas de lignes à vide ., 1 dans le cas de batteries de condensateurs avec neutre à la terre et un réseau avec neutre effectivement à la terre, 1,4 dans le cas de batteries de condensateurs à neutre isolé ou de réseaux à neutre non effectivement à la terre.
Essais d'établissement de courant (mise sous tension) La mise sous tension de lignes à vide, de câbles à vide et d'une batterie de condensateur unique n'est pas contraignante pour un disjoncteur à haute tension, par suite le courant établi (courant d'appel) n'est pas spécifié.
Dans le cas de batteries de condensateurs dos-à-dos, des essais d'établissement de courant doivent être effectués pour démontrer la capacité d'un disjoncteur à effectuer de nombreuses manœuvres d'établissement, puis de coupure, avec un courant d'appel dont la valeur crête spécifiée est égale à et la fréquence égale à . Plusieurs méthodes existent pour limiter l'amplitude du courant d'appel et les surtensions à la mise sous tension de batteries de condensateurs dos-à-dos, la plus efficace étant la manœuvre synchronisée ..
Établissement et coupure de courants de défaut aux bornes
right|thumb|Figure 6: courant asymétrique thumb|right|Disjoncteur en essai de coupure de défaut aux bornes dans les laboratoires du CERDA (France)
Démonstration du pouvoir d'établissement et de coupure en défaut aux bornes Pour démontrer la capacité du disjoncteur à éliminer des défauts triphasés, la norme CEI 62271-100 spécifie quatre séquences d'essais avec un courant symétrique égal à 10 % ; 30 %, 60 % et 100 % du pouvoir de coupure en court-circuit et une tension rétablie définie en fonction du type de réseau (neutre effectivement ou non à la terre). Le courant est dit symétrique lorsque les alternances positives et négatives ont la même amplitude (à une tolérance près).
Afin d'identifier clairement les séquences d'essais dans les rapports d'essais, elles sont appelées respectivement T10, T30, T60 et T100s.
La vitesse de rétablissement de tension (ou vitesse d'accroissement de la tension rétablie: VATR) diminue lorsque le courant augmente, la valeur normalisée est respectivement égale à , , et pour les séquences T10, T30, T60 et T100s. Les paramètres VATR et courant variant en sens opposé il n'est pas possible d'indiquer à priori qu'une séquence d'essais est plus sévère qu'une autre.
Pour chaque séquence d'essais le disjoncteur doit effectuer sa séquence de manœuvre assignée avec trois coupures et deux établissements du courant de défaut.