Un disjoncteur à haute tension est destiné à établir, supporter et interrompre des courants sous sa tension assignée. La tension assignée est «la tension maximale du système pour laquelle le matériel est conçu», selon la définition donnée par la Commission électrotechnique internationale (CEI). Également selon la CEIDéfinition CEI: 441-14-20, sur electropedia.org, le disjoncteur à haute tension opère à la fois :
dans des conditions normales de service, par exemple pour connecter ou déconnecter une ligne dans un réseau électrique; dans des conditions anormales spécifiées, en particulier pour éliminer un court-circuit sur le réseau provoqué par la foudre (voir aussi la partie spécifique) ou d'autres causes.
De par ses caractéristiques, un disjoncteur est l’appareil de connexion essentiel à la protection d’un réseau à haute tension, car il est le seul capable d'interrompre un courant de court-circuit et donc d'éviter que le matériel connecté sur le réseau soit endommagé par ce court-circuit.
thumb|Figure 1 : Disjoncteur au Venezuela
Principe de fonctionnement La coupure d’un courant électrique par un disjoncteur à haute tension est obtenue par la séparation des contacts dans un gaz (air, SF6, gaz d'origine naturelle) ou dans un autre milieu isolant (l'huile ou le vide). Juste après la séparation des contacts, le courant continue de circuler dans le circuit à travers un arc électrique qui s’est établi entre les contacts du disjoncteur.
thumb|right|Figure 2 : Arc électrique entre les contacts d'arc d'un disjoncteur à haute tension
À ce jour, les disjoncteurs à haute tension ( à ) utilisent essentiellement le gaz ou l'huile pour l’isolement et la coupure, la technique de coupure dans le vide est limitée aux applications en moyenne tension avec quelques développements récents pour une tension assignée de Insulation characteristics of vacuum interrupter for a new 72/84 kV -GIS, sur ieeexplore.ieee.org ou une tension assignée de . Par exemple, un modèle de disjoncteur à vide a été conçu pour une tension assignée de . L’extinction de l’arc électrique est réalisée dans le vide, tandis que l’isolation extérieure des éléments de coupure est assurée par un mélange gazeux d’origine naturelle.
Dans les disjoncteurs à gaz, le courant est coupé lorsqu’un soufflage suffisant est exercé sur l’arc électrique pour le refroidir et l’interrompre.
À l’état normal, le gaz contenu dans le disjoncteur est isolant, il permet de supporter la tension du réseau connecté à ses bornes. Lorsque les contacts du disjoncteur se séparent, l’intervalle entre les contacts est soumis à un fort champ électrique, le courant circule alors à travers un arc qui est un plasma (ou gaz ionisé) composé de molécules de gaz décomposées, d'électrons et d’ions. La température de l'arc devient très élevée, elle peut atteindre ou plus au cœur de l'arc, entre autres selon l'intensité du courant de court-circuit, le type de milieu de coupure et la vitesse de refroidissement de l'arc. Sous l’action du soufflage exercé sur l’arc lors du fonctionnement du disjoncteur, la température de l’arc diminue, les électrons et les ions se recombinent et le fluide retrouve ses propriétés isolantes. La coupure de courant est alors réussie.
Pour les disjoncteurs à haute tension, le principe de coupure retenu est la coupure du courant lorsqu'il passe par zéro (ceci se produit toutes les dix millisecondes dans le cas d’un courant alternatif à ). En effet, c'est à cet instant que la puissance qui est fournie à l’arc par le réseau est minimale (cette puissance apparente fournie est même nulle à l’instant où la valeur instantanée du courant est nulle), on peut donc espérer, moyennant un soufflage suffisant, mettre à profit cet intervalle de temps pendant lequel le courant est de faible intensité pour refroidir suffisamment l’arc afin que sa température diminue et que l’espace entre les contacts redevienne isolant.
Techniques de coupure Les premiers disjoncteurs à haute tension, introduits à la fin des années 1890 et au début du vingtième siècle, ont utilisé l’huile ou l'air comprimé du 24 septembre 1912 (déposé en 1905) pour la coupure. Le premier brevet de disjoncteur pour la Haute tension B, basé sur la séparation de deux contacts dans l'huile (et dans l'air), a été déposé par Sebastian Ziani de Ferranti en juillet 1895Brevet GB 189513091 Improvement of Electric Switches, sur espacenet.com. Ce principe sera amélioré par la suite et donnera lieu aux disjoncteurs à huile. La coupure dans l’air atmosphérique (gaz d'origine naturelle) s'est développée en Haute tension A, l’idée étant alors d’allonger suffisamment l’arc dans l’air afin de provoquer son refroidissement, son extinction et ensuite assurer la tenue de la tension du réseau CIGRÉ Technical Brochure N°304: Guide for application of IEC 62271-100 and IEC 62271-1, Page 7 : Circuit-breaker history, 2006.
La technique de coupure dans l'huile a été ensuite supplantée par la coupure dans l'air comprimé, le gaz SF6, les gaz d'origine naturelle et le vide.
Disjoncteur à huile thumb|upright=.8|Figure 3 : Brevet de disjoncteur à eau et huile, déposé en 1923 La coupure dans l’huile s’est imposée en haute tension après avoir été développée en moyenne tension (ou Haute tension A). Sous l’action de l’arc électrique, l’huile est décomposée, plusieurs types de gaz sont produits (essentiellement de l’hydrogène et de l’acétylène) lors de cette décomposition. L’énergie de l’arc est utilisée pour décomposer et évaporer l’huile, ceci permet de refroidir le milieu entre les contacts et par suite d’interrompre le courant à son passage par zéro.
Les premiers disjoncteurs à huile avaient des contacts de coupure qui étaient plongés dans de l’huile contenue dans une cuve métallique au potentiel de la terre, d'où leur nom dead tank Oil Circuit Breakers, sur xnet.rrc.mb.ca. Ils sont appelés . Certains sont toujours en service actuellement, par exemple aux États-Unis.
Par la suite, dans les années 1950, les ont été conçus pour réduire la quantité d’huile nécessaire et surtout limiter le risque d’incendie inhérent aux disjoncteurs à gros volume d’huile. L’arc se développe dans un cylindre isolant afin de limiter sa longueur et de contrôler autant que possible l’énergie contenue dans l’arc. Cette énergie est utilisée pour générer le soufflage par vaporisation de l’huile comme expliqué précédemment. Cette technique que l’on appelle par sera reprise plus tard pour les disjoncteurs à gaz SF6. Elle a été appliquée pour des tensions assignées atteignant et des courants de défaut très élevés, pouvant atteindre Eugène Maury, Évolution des disjoncteurs des réseaux de transport, 1971, Revue Générale de l'Électricité, septembre 1971, page 106.
Ces disjoncteurs avaient pour principaux inconvénients de nécessiter de nombreux éléments de coupure en série (pour tenir la tension), et de nécessiter un entretien important et délicat (remplacement de l’huile usagée). Ils ont été supplantés par les disjoncteurs à gaz SF6 qui nécessitent peu de maintenance et ont une longue durée de vie.
left|thumb|upright=.6|Figure 4 : Ampoule à vide pour disjoncteur à moyenne tension
Disjoncteurs avec ampoules à vide
Les premières recherches et brevets sur les ampoules (interrupteurs) à vide ont été menées par le California Institute of Technology vers 1926. Les premières applications industrielles ont été réalisées à la fin années 1950 lorsque les difficultés technologiques de mise en œuvre furent résolues, notamment la garantie d'un vide poussé pendant au moins vingt ans, ce qui nécessite une étanchéité parfaite de l'ampoule Leslie Falkingham, A brief history showing trends in vacuum interrupter technology, L.T.Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 1998. Proceedings ISDEIV. XVIIIth International Symposium, Volume 2, Issue, 17-21 Aug 1998, Page(s) : 407 - 414.
Dans un disjoncteur à vide, l'arc est alimenté par les particules issues des contacts. La haute tenue diélectrique obtenue dans un vide poussé permet de tenir la tension transitoire de rétablissement entre contacts après interruption du courant. Le passage du courant dans des contacts de forme appropriée engendre un champ magnétique qui entraîne la rotation de l'arc et évite que ce dernier reste attaché sur la même surface de contact. Il est ainsi possible d'éviter la fusion des contacts d'arc et une production excessive de particules métalliques qui aurait limité la tenue de la tension après l'interruption du courant.
Des disjoncteurs intégrant des ampoules à vide sont actuellement en service à , au Japon. Le pouvoir de coupure d'un disjoncteur à vide peut atteindre et même davantageExemple de disjoncteur à vide jusqu'à 63kA : VAH High Rating, sur omkt.areva-td.com. Un modèle de disjoncteur à un seul élément de coupure par pôle et fabriqué par la compagnie Siemens permet la coupure dans le vide jusqu'à . Des recherches sont en cours pour la conception de disjoncteurs à vide de tension assignée supérieure Research and development on 145 kV/40 kA one break vacuum circuit breaker, sur ieeexplore.ieee.org, jusqu'à une tension assignée de et un pouvoir de coupure de 80 kA.
Disjoncteur à air comprimé ou à gaz d'origine naturelle thumb|upright=.6|Figure 5 : Disjoncteur à air comprimé Le gaz contenu dans les disjoncteurs à air comprimé d'ancienne génération est maintenu sous haute pression ( à ) à l’aide d’un compresseur. Cette haute pression permet d’assurer la tenue diélectrique et de provoquer le soufflage de l’arc pour la coupure Edmond Thuries, Development of air-blast circuit-breakers. CIGRE Session 1972, Rapport 13-09, 1972..
Le soufflage intense exercé dans ces disjoncteurs a permis d’obtenir de très hautes performances (courant coupé jusqu’à sous haute tension) et avec une durée d’élimination du défaut très courte permettant d’assurer une bonne stabilité des réseaux en cas de défaut.
Ils ont eu longtemps le monopole des très hautes performances et furent pendant les années 1960 et 1970 utilisés de préférence dans les réseaux à très haute tension, en particulier en Amérique du Nord.
Un défaut des disjoncteurs à air comprimé est leur bruit très important à l'ouverture. De plus, ils nécessitent un entretien périodique, en particulier de leurs compresseurs, ceci explique qu’ils ont été progressivement supplantés par une autre génération de disjoncteurs, celle des disjoncteurs à gaz SF6 (ou hexafluorure de soufre).
Il est à noter que la technique à air comprimé est la seule qui permette encore aujourd’hui d’atteindre les pouvoirs de coupure les plus élevés ( sous ) qui sont exigés pour les disjoncteurs de générateurs PKG - Generator Circuit Breaker, sur omkt.areva-td.com.
Des activités de recherche et développement (R et D) sont menées actuellement par l'industrie concernant l'utilisation d'un mélange gazeux composé de dioxyde de carbone et de dioxygène (gaz d'origine naturelle). Les nouveaux modèles en développement sont généralement conçus sans compresseur, en particulier pour les disjoncteurs à cuve sous tension.
Disjoncteur à haute tension au SF6 (hexafluorure de soufre) Historique L'utilisation du gaz SF6 pour l'isolation a été brevetée aux États-Unis par Franklin Cooper de General Electric en 1938 12 novembre 1940 (déposé en 1938), et son utilisation pour l’interruption d’un courant a été revendiquée aussi en 1938 dans un brevet allemand par Vitaly Grosse de AEG (Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft).
La première application industrielle du gaz SF6 pour la coupure date de 1953, elle a été faite par Westinghouse pour des interrupteurs en charge à haute tension à avec un pouvoir de coupure de 600 ADenis Dufournet, Disjoncteurs SF6 - Évolution de 1959 à 1994, 1994, Revue Générale de l'Électricité n° 5.