Appareillage électrique d interruption HT (partie 1)

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1 Appareillage électrique d interruption HT (partie 1) par Denis DUFOURNET Membre Senior de la Société des électriciens et des électroniciens (SEE) et de l Institut américain des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE) Chef de recherches Principes de coupure ALSTOM T & D (Transmission & Distribution) 1. Généralités... D Classifications de l appareillage Fonction Tension Destination Installation Type de matériel Température de service Utilisation Techniques de coupure Caractérisation des appareils à courant alternatif à haute tension Caractéristiques assignées Tension assignée Niveau d isolement assigné Fréquence assignée Courant assigné en service continu Courant de courte durée admissible assigné Pouvoir de coupure en court-circuit Tension de rétablissement Pouvoir de fermeture assigné Séquence de manœuvres assignée et refermeture rapide Caractéristiques assignées pour les défauts proches en ligne Durée de coupure assignée Pouvoir de fermeture et de coupure en discordance de phases Pouvoir de coupure et de fermeture de courants capacitifs Nombre de manœuvres mécaniques Pour en savoir plus... Doc. D L appareillage électrique est un élément essentiel qui permet d obtenir la protection et une exploitation sûre et ininterrompue d un réseau à haute tension. Son histoire est riche d inventions diverses, de principes de coupure performants, de technologies très variées utilisant des milieux aussi différents pour l isolement et la coupure que l air à pression atmosphérique, l huile, l air comprimé, l hexafluorure de soufre et le vide. Des points communs subsistent cependant pendant toute son évolution : l amorçage d un arc entre deux contacts, comme principe de base pour la coupure d un courant alternatif ; Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

2 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) Dossier délivré pour l utilisation de l énergie d arc, pour favoriser son refroidissement et obtenir l interruption du courant ; la recherche permanente de la réduction des énergies de manœuvre, afin de réaliser des appareils plus fiables et plus économiques ; la réduction des surtensions, générées pendant leur fonctionnement, grâce à l insertion de résistances de fermeture ou par la synchronisation des manœuvres par rapport à la tension. Il est intéressant de noter que la technique de coupure par autosoufflage, qui vient de s imposer pour les disjoncteurs SF 6 à haute tension, avait déjà été envisagée dès les années C est grâce aux progrès importants réalisés dans le domaine de la modélisation d arc et de la simulation des écoulements gazeux que l énergie d arc a pu être domestiquée et utilisée efficacement pour définir des chambres de coupure à hautes performances. Les moyens de simulation ont aussi permis d augmenter la tension par élément de coupure, qui est passée de 145 à 420 kv en l espace de 25 ans, sans que la tension atteinte constitue une limite technique. Dans cet article, on verra, dans la partie 1, les différentes classifications d appareils à haute tension (HT) et leurs caractéristiques principales. On examinera, dans la partie 2, les principaux types de problèmes fondamentaux (coupure, diélectrique, échauffement, tenue des contacts) que le concepteur doit bien maîtriser pour définir un nouvel appareil. Les essais de type, qui sont effectués pour vérifier les performances d un appareil, seront présentés dans le troisième fascicule ainsi que les autres essais indispensables pour garantir que les appareils produits ont bien les performances annoncées. Également, dans ce fascicule, on décrira la formidable évolution des disjoncteurs à haute tension, de la technique à air comprimé à celle, actuelle, qui utilise le SF 6. L évolution de l appareillage à haute tension n est pas terminée ; de nouvelles perspectives apparaissent avec l introduction de l électronique qui permet de surveiller en permanence l état d un appareil. De nouvelles cellules sous enveloppe métallique et de nouveaux disjoncteurs conventionnels intègrent les réducteurs de mesure électronique de courant et de tension qui viennent d être développés. Cela permet d envisager l intégration de la surveillance d état et de la commande électronique de l appareillage dans un système totalement informatisé de contrôle-commande des postes à haute tension. On connaîtra à tout moment l état de santé d un appareil, ce qui facilitera l exploitation du réseau, améliorera la politique de maintenance et augmentera encore la fiabilité et la disponibilité de l appareillage. La diversité des études à mener (électrique, mécanique, électrostatique, magnétique, thermique, thermodynamique) donne beaucoup d intérêt au travail de conception et de développement de l appareillage électrique, intérêt que l auteur aimerait faire partager aux lecteurs de cet article. L article «Appareillage électrique d interruption à courant alternatif à haute tension» fait l objet de plusieurs fascicules : D Partie 1 : Généralités. Classifications. Caractérisation. D Partie 2 : Problèmes fondamentaux. Établissement et coupure des courants. D Partie 3 : Présentation de l appareillage. Essais de type et individuels. D Annexes. Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules. L article D traite l interruption des circuits alimentés en courant continu. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

3 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) 1. Généralités L appareillage électrique d interruption à haute tension concerne les réseaux alimentés soit en courant alternatif sous des tensions supérieures à V, soit en courant continu sous des tensions supérieures à V. La parfaite maîtrise de l énergie électrique exige de posséder tous les moyens nécessaires à la commande et au contrôle de la circulation du courant dans les circuits qui vont des centrales de production jusqu aux consommateurs. Cette délicate mission incombe fondamentalement à l appareillage électrique. Son rôle est d assurer en priorité la protection automatique de ces circuits contre tous les incidents susceptibles d en perturber le fonctionnement, mais aussi d effectuer sur commande les différentes opérations qui permettent de modifier la configuration du réseau dans les conditions normales de service. L appareillage électrique permet d adapter, à chaque instant, la structure du réseau aux besoins de ses utilisateurs, producteurs et consommateurs d électricité, et de préserver, totalement ou partiellement, cette fonction en cas d incident. C est assez dire l importance du rôle de l appareillage électrique à haute tension pour la manœuvre et la protection du réseau. Il faut qu il soit disponible à tout moment et puisse intervenir sans défaillance, au point de faire oublier qu il existe. Pour remplir ses fonctions avec fiabilité et disponibilité, il doit posséder de nombreuses aptitudes : supporter des contraintes diélectriques dues à des ondes de chocs (dues à la foudre ou à la manœuvre d appareils) ou à des tensions à fréquence industrielle ; assurer le passage du courant permanent ou de court-circuit, sans échauffement excessif et sans dégradation des contacts ; être capable de fonctionner dans des conditions atmosphériques défavorables : à haute ou à basse température, en altitude où la densité de l air est plus faible, parfois sous forte pollution (pollution marine, vents de sables...) ; supporter des séismes avec une accélération au sol égale à 0,2g ou 0,5g ; et surtout, pour les disjoncteurs, être capable d interrompre tous les courants inférieurs à son pouvoir de coupure (courants de charge et courants de court-circuit). On exige de lui une fiabilité presque parfaite, des opérations de maintenance légères et en nombre limité dans la mesure où ces interventions sont à la fois coûteuses et gênantes pour l exploitation. Depuis plus d un siècle, de nombreuses solutions techniques ont été conçues par les ingénieurs pour développer des appareillages électriques toujours plus performants et plus fiables. Comme nous le verrons, des techniques de coupure se sont imposées dans les domaines de la moyenne et de la haute tension (respectivement HTA et HTB). Elles ont permis d obtenir les performances requises avec un nombre réduit de composants, un encombrement réduit, mais aussi avec une fiabilité qui n a jamais cessé d augmenter malgré un accroissement des contraintes imposées par le réseau, en particulier une augmentation des courants de court-circuit. 2. Classifications de l appareillage L appareillage peut être classé en plusieurs catégories selon : sa fonction ; sa tension ; sa destination ; son installation ; le type de matériel ; la température de service ; son utilisation ; sa technique de coupure. 2.1 Fonction Le tableau 1 donne les symboles normalisés pour la représentation des appareils de connexion. (0) Tableau 1 Symboles normalisés pour la représentation des appareils de connexion Symbole U Sectionneurs 1 2 Sectionneur Désignation Sectionneur à deux directions avec position d isolement médiane Interrupteur Interrupteur-sectionneur Contacteur Fusible dont l extrémité qui, après fusion, demeure sous tension est indiquée par un trait renforcé Interrupteur triphasé à ouverture automatique par l un quelconque des fusibles à percuteur Disjoncteur Parafoudre Varistance (parasurtenseur à oxyde de zinc par exemple) : 1 symbole normalisé 2 symbole couramment utilisé. Ce sont avant tout des organes de sécurité utilisés pour ouvrir ou fermer un circuit lorsqu il n est pas parcouru par un courant, et prévus pour isoler, par rapport au reste du réseau, un ensemble de circuits, un appareil, une machine, une section de ligne ou de câble, Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

4 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) Dossier délivré pour afin de permettre au personnel d exploitation d y accéder sans danger. En principe, les sectionneurs n ont pas à interrompre de courants ; cependant, certains sectionneurs peuvent être amenés à couper des courants de transfert de barres (jusqu à A sous 10 à 300 V) et les sectionneurs de terre doivent être capables de couper les courants induits qui peuvent circuler dans les circuits hors tension par couplage capacitif et inductif avec les circuits adjacents sous tension (jusqu à 160 A sous 20 kv) Interrupteurs Les interrupteurs sont des appareils destinés à établir et à interrompre un circuit dans des conditions normales de charge. Certains interrupteurs sont prévus pour remplir également les fonctions de sectionneur. Leurs performances sont limitées car, s ils sont capables d éliminer les surcharges sur le réseau, ils ne peuvent en aucun cas interrompre un courant de court-circuit Contacteurs Les contacteurs ont un rôle comparable à celui des interrupteurs, mais ils sont capables de fonctionner avec des cadences très élevées. Ils possèdent une grande endurance électrique combinée avec une grande endurance mécanique. Ils sont généralement utilisés pour la commande de fours, de moteurs à haute tension ou d équipements industriels divers qui nécessitent des manœuvres fréquentes. Ils ne peuvent jamais être utilisés comme sectionneurs et ne restent fermés que si leur bobine de commande est alimentée Coupe-circuit à fusibles Les fusibles permettent d interrompre automatiquement un circuit parcouru par une surintensité pendant un intervalle de temps donné. L interruption du courant est obtenue par la fusion d un conducteur métallique calibré. Ils sont surtout efficaces pour la protection contre les courts-circuits, vis-à-vis desquels ils agissent, le plus souvent, en limiteurs de la valeur crête du courant de défaut. Ils sont assez souvent générateurs de surtensions à la coupure et exigent malheureusement d être remplacés après chaque fonctionnement. En régime triphasé, ils n éliminent que les phases parcourues par un courant de défaut, ce qui peut présenter un danger pour le matériel et le personnel. Leur calibre doit être bien adapté pour éviter un fonctionnement intempestif en cas de surcharge momentanée. Pour pallier cet inconvénient potentiel, les fusibles peuvent être associés à des interrupteurs ou à des contacteurs avec lesquels ils constituent des combinés capables d assurer la protection en cas de surcharges ou de court-circuits. Les combinés présentent, en outre, l avantage d interrompre en triphasé en cas de fusion d un seul ou de deux fusibles Disjoncteurs Un disjoncteur est destiné à établir, supporter et interrompre des courants, sous sa tension assignée (tension maximale du réseau), dans les conditions normales de service et dans les conditions anormales spécifiées (court-circuit, discordance de phases...). C est l appareil de protection par excellence, capable d une totale capacité d intervention sans provoquer de surtension excessive sur le réseau. À un disjoncteur est très généralement associée une «intelligence», système de protection et de relayage, détectant un défaut et élaborant des ordres au disjoncteur pour éliminer automatiquement le défaut ou pour remettre en service un circuit lorsque le défaut présente un caractère fugitif ou a été éliminé par un autre disjoncteur. Les disjoncteurs peuvent maintenant être équipés de matériels électroniques permettant à tout moment de connaître leur état (usure, pression de gaz pour la coupure...), ce qui permet à l exploitant de programmer les opérations de maintenance et éventuellement de détecter, par des dérives de caractéristiques, et de prévenir un risque de défaillance. Ils peuvent aussi être équipés de dispositifs de synchronisation des ordres de fermeture et d ouverture pour permettre de manœuvrer des lignes, des transformateurs, des réactances ou des condensateurs, sans provoquer de surtensions ou de courants d appels susceptibles d endommager les composants du réseau. Tous les types de relais et de systèmes de protection peuvent lui être associés pour assurer, dans les meilleures conditions, l élimination des défauts qui surviennent dans les circuits qu il protège Parafoudres Les parafoudres sont des dispositifs statiques chargés de limiter, en un point donné du réseau, l amplitude des surtensions qui peuvent se produire. La limitation de surtension est faite en écoulant l énergie à la terre. Ces surtensions peuvent être soit d origine atmosphérique, c està-dire externes, soit consécutives à des manœuvres de l appareillage ou à des phénomènes de résonance, auquel cas elles sont dites internes. Les appareils les plus simples sont les éclateurs qui présentent cependant l inconvénient de rester conducteurs après amorçage et nécessitent donc l intervention d un disjoncteur pour l élimination du courant de défaut qui résulte de leur fonctionnement. Les appareils plus perfectionnés, tels les parafoudres à oxyde métallique (ZnO par exemple) sans éclateur, sont connectés en permanence au réseau car ils sont pratiquement isolants à la tension assignée. En cas de surtension, leur résistance devient temporairement très faible, mais ils redeviennent automatiquement isolants dès que la tension retrouve sa valeur normale. Ce sont des appareils très précieux, car ils jouent un rôle d écrêteur sans entraîner d interruption de service. Les constituants élémentaires que nous venons de définir sont le plus souvent associés entre eux pour réaliser des fonctions plus complexes, en vue d assurer la protection et la disponibilité d un ensemble de circuits. Bien que les parafoudres ne fassent pas partie, à proprement parler, de l appareillage, il nous paraît important de les décrire ici de manière succincte, car ils sont de plus en plus associés à l appareillage pour : limiter les surtensions en coupure de faibles courants inductifs ( et [D 4 692], 5.2.1) ; limiter les surtensions lors de l enclenchement des lignes longues [D 4 692], 5.5). 2.2 Tension La norme internationale CEI distingue deux domaines : la moyenne tension qui concerne les tensions supérieures à 1 kv et inférieures à 50 kv ; D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

5 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) la haute tension qui concerne les tensions supérieures ou égales à 50 kv. Dans le texte, les appellations haute tension (HT) et moyenne tension (MT), utilisées dans le langage courant, sont employées. Toutefois les dénominations actuelles (UTE C ) sont respectivement HTB et HTA. 2.3 Destination L appareillage à haute tension est destiné à fonctionner dans trois types de réseaux ou d installations principaux : réseaux de répartition ou de transport ( 52 kv ) ; réseaux de distribution (< 52 kv) ; installations industrielles (3,6 à 24 kv). 2.4 Installation Selon sa possibilité d installation, on distingue : le matériel pour l intérieur, qui est destiné à être installé uniquement à l intérieur d un bâtiment, à l abri des intempéries et de la pollution, avec une température ambiante qui n est pas inférieure à 5 C (éventuellement 15 C ou 25 C) ; le matériel pour l extérieur, qui est prévu pour être installé à l extérieur des bâtiments, et qui par suite doit être capable de fonctionner dans des conditions climatiques et atmosphériques contraignantes ( 2.6). Figure 1 Deux générations de disjoncteurs ouverts : 245 kv ; 40 ka ; 50 Hz (génération 1974 à gauche, génération 1984 à droite) [réseau EDF, France] 2.5 Type de matériel Deux types de matériels sont distingués : le matériel ouvert, dont l isolation externe est faite dans l air (figure 1 cf. [D 4 692], 1.5) ; le matériel sous enveloppe métallique ou blindé, muni d une enveloppe métallique, reliée à la terre, qui permet d éviter tout contact accidentel avec les pièces sous tension (figure 2). Le disjoncteur fait partie d une cellule isolée au SF 6 qui comprend les différents organes nécessaires au fonctionnement du poste : disjoncteur, jeu de barres, sectionneur de jeu de barres, sectionneur de terre, transformateur de courant (cf. [D 4 590] Postes sous enveloppe métallique (PSEM)). Il existe un type de disjoncteurs hybrides, dits «Dead Tank», dont l isolation des parties actives est faite dans le SF 6 à l intérieur d une cuve métallique et dont le raccordement au réseau est fait par l intermédiaire de traversées isolantes (figure 3). Cette disposition permet de placer les transformateurs de courant directement aux bornes du disjoncteur, en des points qui ne nécessitent pas d isolation électrique. 2.6 Température de service L appareillage est prévu pour fonctionner avec les températures normales de service suivantes : la température maximale de l air ambiant n excède pas 40 C et sa valeur moyenne, mesurée pendant une période de 24 h, n excède pas 35 C ; la température minimale de l air ambiant n est pas inférieure à 25 C ou 40 C selon la norme CEI Figure 2 Disjoncteur sous enveloppe métallique : 420 kv ; 50 ka ; 50 Hz [Poste Meeden, Hollande] D autres valeurs de température minimale peuvent être exigées dans des cas particuliers, telles que 30 C, suivant la norme ANSI C qui est applicable en Amérique du Nord, ou 50 C dans certaines régions froides du Canada. Ces conditions de service ont une incidence importante sur la conception, le dimensionnement et parfois la technique de coupure utilisée pour les disjoncteurs. Le fonctionnement à très basse température entraîne, par exemple, une limitation de la pression de remplissage des disjoncteurs SF 6 pour éviter tout risque de liquéfaction du gaz. Par ailleurs, des dispositions particulières doivent être prises pour permettre un bon fonctionnement de l organe de manœuvre (calorifugeage de la cabine) ou garantir une bonne étanchéité de l appareillage sous pression (joints spéciaux). Le fonctionnement à haute température ambiante nécessite de s assurer que la température et l échauffement des composants n excède pas les limites admissibles ( 3 en [D 4 692]). Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

6 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) Dossier délivré pour Figure 3 Disjoncteur «Dead Tank» : 145 kv ; 63 ka ; 60 Hz [États-Unis] 2.7 Utilisation On peut aussi classer l appareillage en fonction de son utilisation. Dans le cas des sectionneurs, on distingue les appareils destinés à la manœuvre de lignes et ceux utilisés pour la mise à la terre d un circuit (cf. [D 4 694], 5). Pour les disjoncteurs, qui sont les appareils de protection par excellence, les trois types principaux ci-après peuvent être distingués. Pour être exhaustif, on pourrait aussi mentionner les disjoncteurs de bancs de condensateurs qui doivent faire face à des contraintes particulières pendant l établissement et la coupure de courants capacitifs (cf. [D 4 705]) Disjoncteurs de ligne Comme leur nom l indique, ils sont chargés de manœuvrer les lignes des réseaux à haute tension et, à ce titre, ils doivent posséder la plupart des performances pouvant être exigées d un disjoncteur à haute tension. Dans des conditions normales de service, ils sont utilisés pour l ouverture ou la fermeture des lignes. Ils doivent être capables d effectuer ces manœuvres sans provoquer de surtensions excessives sur le réseau. En particulier, un disjoncteur de ligne doit posséder un pouvoir de coupure et de fermeture de lignes à vide ( 3.14). Ces disjoncteurs doivent aussi être capables d interrompre les défauts qui se produisent sur une ligne, ou directement à ses bornes, et qui donnent lieu à de forts courants de court-circuit. L exploitant spécifie un pouvoir de coupure en court-circuit au disjoncteur, qui tient compte du courant de court-circuit maximal susceptible de se produire, de l évolution possible du réseau et des valeurs normalisées de la composante périodique (cf ). Dans le cas, relativement rare, où ces disjoncteurs peuvent être amenés à fonctionner dans des conditions de perte de synchronisme entre deux éléments de réseau (cf ), les disjoncteurs de ligne doivent posséder, en outre, un pouvoir de fermeture et de coupure en discordance de phases Disjoncteurs de générateurs Ces disjoncteurs sont connectés entre un générateur et le transformateur élévateur de tension. Ils sont généralement utilisés à la sortie des générateurs de forte puissance (100 à MVA), pour les protéger de manière sûre, rapide et économique. De tels disjoncteurs doivent pouvoir transiter des courants permanents élevés en service continu (6 300 à A), et être dotés d un pouvoir de coupure élevé (63 à 275 ka). Des particularités importantes caractérisent ces disjoncteurs et font qu ils sont notablement différents des disjoncteurs de ligne : ce sont des disjoncteurs à moyenne tension dont la tension assignée n excède pas 38 kv ; les valeurs considérables du courant permanent (ou en service continu) nécessitent parfois d utiliser un refroidissement forcé pour limiter l échauffement des parties actives ; deux systèmes sont actuellement utilisés pour refroidir les contacts : la circulation d eau et la circulation d air. La figure 4 donne deux exemples très différents de ce type de disjoncteurs : la figure 4 a montre un disjoncteur de générateur à refroidissement par air, des circulateurs font passer l air comprimé de la chambre de coupure dans des radiateurs extérieurs dont les ailettes sont refroidies par des ventilateurs ; son pouvoir de coupure est de 275 ka avec un courant permanent de A ; le type de disjoncteur de générateur, représenté sur la figure 4 b, est plus récent ; il permet de supporter un courant permanent de A sans système de refroidissement ; son pouvoir de coupure est de 63 ka. Les caractéristiques des générateurs sont généralement telles que, lors d un court-circuit, l amortissement de la composante apériodique du courant est faible. Si certaines conditions sont remplies (courant de court-circuit fortement asymétrique), la sinusoïde de courant est décalée par rapport à l axe de courant nul, de sorte que le courant ne passe pas par zéro avant plusieurs périodes à fréquence industrielle. Pour que le disjoncteur assure son rôle de protection, il faut donc qu il soit capable de forcer le passage par zéro du courant, grâce à sa tension d arc, pendant la période où il effectue un soufflage efficace de l arc permettant l extinction du courant Disjoncteurs de réactances Ces disjoncteurs manœuvrent quotidiennement des réactances qui sont utilisées pour le réglage de la charge réactive dans une ligne. Ils doivent être capables d effectuer ces manœuvres sans provoquer de surtensions sur le réseau. Dans les réseaux à très haute tension où le niveau de surtension admissible est relativement faible (1,6 p.u. en 800 kv), une solution éprouvée consiste à munir le disjoncteur de parafoudres à oxyde de zinc (figure 5). 2.8 Techniques de coupure L appareillage de coupure peut aussi être caractérisé par la technique utilisée pour la coupure. Historiquement, les milieux suivants ont été choisis pour la coupure : air ; huile ; air comprimé ; SF 6 ; vide. Ces différentes techniques sont décrites dans l article [D 4 705] relatif aux techniques de coupure en moyenne tension et dans le fascicule [D 4 694], pour ce qui concerne les disjoncteurs haute tension au SF 6 ou à air comprimé. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

7 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) Disjoncteur Parafoudre a disjoncteur à refroidissement par air (poste de Maraba - Brésil) Figure 5 Disjoncteur de réactances 800 kv à trois chambres de coupure du réseau et parafoudres associés AEP (American Electric Power, États-Unis) 3.1 Caractéristiques assignées Une valeur assignée est la valeur d une grandeur fixée, pour un fonctionnement spécifié d un matériel, d un dispositif ou d un composant. Exemple : les caractéristiques assignées à indiquer pour un disjoncteur sont les suivantes : tension assignée ; niveau d isolement assigné ; fréquence assignée ; courant assigné en service continu ; courant de courte durée et valeur de crête du courant admissible assigné ; pouvoir de coupure assigné en court-circuit ; tension transitoire de rétablissement assignée relative au pouvoir de coupure assigné en court-circuit ; pouvoir de fermeture assigné en court-circuit ; séquence de manœuvres assignée ; durée de coupure assignée ; nombre de manœuvres mécaniques. b disjoncteur au SF 6 : 17,5 kv ; 63 ka ; 60 Hz Figure 4 Disjoncteurs de générateur 3. Caractérisation des appareils à courant alternatif à haute tension Les conditions d emploi de l appareillage à haute tension sont extrêmement variées. Cela oblige à utiliser, pour caractériser un appareil, tout ou partie de nombreuses définitions de performances, que l on appelle caractéristiques assignées. On détaille dans ce paragraphe 3 ces caractéristiques, en rappelant à quelles conditions d emploi elles se réfèrent. Pour des utilisations spéciales, on doit aussi donner les caractéristiques suivantes : pouvoir de coupure assigné en discordance de phases ; pouvoirs de coupure et de fermeture assignés de batterie de condensateurs. Des caractéristiques particulières doivent être indiquées pour certains disjoncteurs dans les cas suivants : caractéristiques de défaut proche en ligne, pour les disjoncteurs prévus pour être reliés directement à des lignes aériennes de transport ; pouvoir de coupure assigné de lignes à vide, pour les disjoncteurs tripolaires destinés à la mise en et hors circuit des lignes aériennes de transport (obligatoire pour les disjoncteurs de tensions assignées supérieures ou égales à 72,5 kv) ; pouvoir de coupure assigné de câbles à vide, pour les disjoncteurs tripolaires destinés à la mise en et hors circuit de câbles (obligatoire pour les disjoncteurs de tensions assignées inférieures ou égales à 52 kv). Pour les sectionneurs et les sectionneurs de terre, deux caractéristiques particulières doivent être définies : Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

8 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) Dossier délivré pour pouvoir d établissement-coupure de courant de transfert de barre des sectionneurs ; pouvoir d établissement-coupure de courant induit des sectionneurs de terre. A B C A B C 3.2 Tension assignée a b c Châssis a b c La tension assignée (U r ) d un appareil est la valeur maximale de la tension du réseau dans lequel il peut être installé. Les valeurs de tension assignée ont été harmonisées entre les normes CEI et ANSI C : moyenne tension : 3,6 4,76* 7,2 8,25* 12 15* 17, ,8* 36 38* 48,3* kv, Les valeurs affectées d un astérisque (*) sont utilisées uniquement en Amérique du Nord ; haute tension : 52 72, kv. 3.3 Niveau d isolement assigné Le niveau d isolement d un appareil (cf. [D 4 750] Lignes et postes : choix et coordination des isolements) est défini par les valeurs : de la tension de tenue de courte durée à fréquence industrielle ; de la tension de tenue aux chocs de foudre ; éventuellement, de la tension de tenue aux chocs de manœuvre. Ces valeurs caractérisent les contraintes diélectriques auxquelles il est susceptible d être soumis en service et qu il est capable de supporter avec une très grande probabilité de réussite. Pour chaque tension assignée, on définit en général deux niveaux d isolement : dans les réseaux de distribution et les réseaux jusqu à 170 kv, le choix du niveau d isolement dépend des conditions de mise à la terre du neutre du réseau ; dans les réseaux de tensions supérieures à 170 kv, où les neutres sont toujours effectivement à la terre, le choix entre les deux niveaux d isolement dépend des dispositions prises pour limiter les surtensions de toutes origines qui peuvent survenir sur le réseau. Le tableau 2 donne, selon la norme CEI des exemples de valeurs de niveaux d isolement pour certaines tensions assignées : les «valeurs communes» indiquées dans le tableau 2 correspondent à l isolement entre phase et terre, entre pôles (Aa, Bb, Cc) et entre bornes (A et a, B et b, C et c) de l appareil ouvert (figure 6) ; les valeurs de tenue «sur la distance de sectionnement» ne s appliquent que pour les appareils conçus pour satisfaire aux exigences de sécurité spécifiées pour les sectionneurs. Dans le cas de disjoncteurs destinés à des manœuvres de synchronisation accompagnées de surtensions permanentes ou temporaires (cf. [D 4 692]), l isolation d un disjoncteur normal peut être insuffisante. Dans ce cas, on utilise soit un disjoncteur normal de tension assignée plus élevée, soit un disjoncteur spécial ayant réussi un essai plus sévère en position d ouverture. Figure 6 Connexions d un appareil Tension assignée Tableau 2 Niveaux d isolement suivant la norme CEI Tension de tenue assignée de courte durée à fréquence industrielle 3.4 Fréquence assignée Tension de tenue assignée aux chocs de foudre U r U d U p (kv) (kv) (kv) Valeur commune Sur la distance de sectionnement Valeur commune Sur la distance de sectionnement , de fermeture Position d'ouverture Les valeurs normales de la fréquence assignée à l appareillage à haute tension sont 50 et 60 Hz. D autres valeurs sont possibles, par exemple 16 2/3 Hz, mais elles correspondent à des applications particulières comme la traction ferroviaire. Ces applications peuvent nécessiter des appareils spéciaux dans la mesure où les contraintes de coupure sont différentes, parfois plus sévères que celles qui ont été appliquées lors des essais de type du matériel standard prévu pour fonctionner à 50 ou 60 Hz. 3.5 Courant assigné en service continu Le courant assigné en service continu correspond au courant que l appareil peut supporter indéfiniment dans des conditions norma- (0) D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

9 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) Le courant établi est donné par la formule : Figure 7 Établissement d un courant de court-circuit près d un zéro de tension les de service. Sous l effet du courant permanent, les différentes parties de l appareil s échauffent, mais elles ne doivent pas présenter d échauffement supérieur aux valeurs fixées par la norme CEI Ces valeurs sont déterminées de manière à garantir qu il n y aura pas de modification des performances consécutive à cet échauffement (cf. [D 4 692], 3). Les valeurs de courant assigné par la norme CEI sont les suivantes : A A. Ces valeurs, à première vue surprenantes, proviennent de la série de Renard de base 10 qui définit des valeurs proportionnelles à 10 n/10. En règle générale, le choix d un appareil doit être tel que son courant assigné soit supérieur aux courants susceptibles de traverser l appareil. Cependant une certaine surcharge est possible lorsque la température ambiante est inférieure à la valeur maximale définie pour les conditions normales de service (40 C) [ANSI C ]. 3.6 Courant de courte durée admissible assigné Le courant de courte durée admissible caractérise la capacité d un appareil à supporter : un courant de court-circuit donné pendant un temps donné ; une amplitude maximale du courant lors de ce court-circuit. La figure 7 montre que, lorsqu un court-circuit se produit dans un réseau au passage par zéro de la tension u, le courant qui s établit se présente sous la forme d une sinusoïde décalée par rapport au zéro. Ce courant i est dit asymétrique. Il est la somme d une composante périodique et d une composante apériodique qui décroît vers zéro avec une constante de temps (L/R) qui est fonction des caractéristiques du réseau. L expression analytique du courant peut être obtenue en étudiant le phénomène transitoire provoqué par la fermeture d un appareil dans un circuit comprenant une source de tension E en série avec une inductance L et une résistance R. Si ϕ est la phase de la tension à l instant de fermeture : avec ω = 2πf,, f = 50 ou 60 Hz et () = E 2 sin( ωt + ϕ) fréquence du circuit. e i t (ms) [ sin( ωt + ϕð δ) Ð sin( ϕð δ) exp ( Ðαt) ] it () = E Z Lω avec tan δ = ,, R R α = ---,, L Z = R 2 + L 2 ω 2 L amplitude maximale du courant est obtenue lorsque la fermeture est effectuée à un instant où la phase de la tension vérifie : π ϕ = δ Ð -- 2 (en première approximation on peut considérer que ϕ = 0) : [ Ð cosωt + exp( Ðαt) ] it () = E = I 2 [ Ð cosωt + exp( Ðαt) ] Z Si on négligeait l amortissement par la résistance (R = 0 et α = 0), la valeur maximale du courant établi serait égale au produit de la valeur efficace I de la composante périodique par 2 2 ( 2,83). Le rapport entre l amplitude maximale du courant et la valeur efficace de la composante périodique du courant dépend de la constante de temps (L/R) du réseau et de la fréquence assignée. La valeur crête assignée est égale à la valeur efficace du courant de courte durée admissible multipliée par les coefficients suivants : 2,5 pour les réseaux à 50 Hz avec une constante de temps de 45 ms ; 2,6 pour les réseaux à 60 Hz avec une constante de temps de 45 ms ; 2,7 pour les applications particulières, avec une constante de temps supérieure à 45 ms. Pour les disjoncteurs, la valeur de crête du courant admissible assigné est égale au pouvoir de fermeture assigné en court-circuit ( 3.9). Le courant de courte durée assigné génère : des efforts électrodynamiques entre pôles et à l intérieur de chaque pôle ; des échauffements dans les parties conductrices ; ils sont fonction de la valeur efficace et de la durée du courant (en général 1 s, plus rarement 3 s). 3.7 Pouvoir de coupure en court-circuit Cette caractéristique est limitée aux disjoncteurs Définition et caractéristique Le pouvoir de coupure assigné en court-circuit est la valeur la plus élevée du courant de court-circuit que le disjoncteur doit être capable d interrompre dans les conditions d emploi et de fonctionnement fixées par la norme CEI On trouve un tel courant dans un circuit dont la tension de rétablissement à fréquence industrielle correspond à la tension assignée du disjoncteur et dont la tension transitoire de rétablissement est égale à la valeur assignée spécifiée ( 3.8). Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

10 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) Dossier délivré pour i (A) 0 x y t 0 x y t 0 composante périodique composante apériodique instant de séparation des contacts t (ms) i ap 100 i 90 p τ 4 τ 2 τ 1 = 120 ms τ 3 = 75 ms = 50 = 45 ms ms t op + t r (ms) Figure 8 Forme d un courant comportant une composante apériodique Pour un disjoncteur tripolaire, le courant de court-circuit triphasé est pris en compte. Dans le cas d un défaut monophasé, le courant de court-circuit (I mono ) est donné par la formule suivante en fonction du courant de court-circuit triphasé (I tri ) : 3 I tri I mono = X 0 X 1 avec X 0 composante homopolaire de l impédance de court-circuit, X 1 composante directe de l impédance de courtcircuit. Dans la grande majorité des réseaux à haute tension, X 0 est supérieur ou égal X 1. Par suite, le courant de défaut monophasé est habituellement inférieur au courant de défaut triphasé. Le pouvoir de coupure assigné en court-circuit est caractérisé par deux valeurs : la valeur efficace de sa composante périodique ( 3.7.2) ; le pourcentage de la composante apériodique, par rapport à la composante périodique ( 3.7.3). Les composantes périodique et apériodique sont déterminées d après la figure Composante périodique du pouvoir de coupure assigné en court-circuit Les valeurs normales de la composante périodique du pouvoir de coupure assignée en court-circuit sont choisies dans la série de Renard R10 : 12, , ka Composante apériodique du pouvoir de coupure assigné en court-circuit La valeur du pourcentage de la composante apériodique peut être déduite de la figure 9. Elle est basée sur l intervalle de temps (t op + t r ) et la constante de temps τ utilisés dans la formule : i ap [ Ð( t op + t r )] (%) = 100 exp i p τ i ap composante apériodique = i p valeur crête de la composante périodique t op + t r intervalle de temps à partir du début du courant de court-circuit Figure 9 Composante apériodique du pouvoir de coupure en fonction du temps (t op + t r ) représente la durée entre la détection du défaut et l instant de séparation des contacts du disjoncteur. La valeur du pourcentage de la composante apériodique i ap, par rapport à la valeur de crête de la composante périodique i p, doit être déterminée comme suit : pour un disjoncteur à déclenchement autonome, le pourcentage de la composante apériodique doit correspondre à un intervalle de temps égal à la durée d ouverture minimale du premier pôle t op du disjoncteur ; le temps t r dans la formule précédente est égal à 0 ms ; pour un disjoncteur qui ne peut être déclenché que par une forme quelconque d énergie auxiliaire, le pourcentage de la composante apériodique doit correspondre à un intervalle de temps égal à la durée d ouverture minimale du premier pôle t op du disjoncteur à laquelle on ajoute une demi-période (valeur normalisée) de la fréquence assignée (t r ). La durée t r, appelé «temps relais», correspond à la durée nécessaire pour que l ordre soit transmis au disjoncteur après détection du défaut. Les courbes de la composante apériodique en fonction du temps, indiquée sur la figure 9, sont basées sur : a) une constante de temps normalisée de 45 ms ; b) des constantes de temps pour des applications particulières, suivant la tension assignée du disjoncteur : 120 ms pour les tensions assignées inférieures à 72,5 kv ; 60 ms pour les tensions assignées à partir de 72,5 kv inférieures ou égales à 420 kv ; 75 ms pour les tensions assignées supérieures à 420 kv. Ces constantes de temps pour des applications particulières reconnaissent le fait que la valeur normalisée peut être inadaptée pour certains réseaux Vérification du pouvoir de coupure en court-circuit Le pouvoir de coupure en court-circuit est vérifié en effectuant les essais normalisés de coupure (CEI 60056) : de défaut aux bornes et de défaut en ligne pour les disjoncteurs à haute-tension ; de défaut aux bornes pour les disjoncteurs à moyenne tension. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique

11 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) Un disjoncteur doit être capable de couper tout courant inférieur ou égal à son pouvoir de coupure. Il faut noter que les conditions de coupure les plus sévères pour un disjoncteur ne sont pas toujours obtenues avec le courant de court-circuit maximal correspondant au pouvoir de coupure assigné. u u c 3.8 Tension de rétablissement La coupure d un courant de court-circuit dépend des caractéristiques du rétablissement de tension qui se produit entre contacts après l interruption du courant. On convient de distinguer deux phases. La tension transitoire de rétablissement (TTR) est appliquée aux bornes de l appareil dès la première microseconde qui suit l interruption du courant et dure plusieurs centaines de microsecondes. La TTR est en général oscillatoire à simple ou double fréquence. La TTR est associée au pouvoir de coupure assigné en court-circuit. C est la tension de référence qui constitue la limite de la tension transitoire de rétablissement présumée de circuits que le disjoncteur doit pouvoir couper lors d un court-circuit à ses bornes. La tension de rétablissement à fréquence industrielle (50 ou 60 Hz) subsiste après disparition du régime transitoire sur tous les pôles. Elle s exprime en valeur efficace. Lors des essais de type, elle doit être maintenue pendant au moins 100 ms afin de bien tester la tenue diélectrique de l appareil pendant toute la phase de rétablissement de tension Représentation des ondes de la TTR La forme d onde des tensions transitoires de rétablissement est variable suivant la configuration des circuits réels. Dans certains cas, particulièrement dans les réseaux de tensions supérieures ou égales à 100 kv et pour des courants de court-circuit relativement importants par rapport au courant de court-circuit maximal à l endroit considéré, la tension transitoire de rétablissement comprend une période initiale, pendant laquelle la vitesse d accroissement est élevée, et une période ultérieure, pendant laquelle la vitesse d accroissement est plus réduite. Cette forme d onde est en général relativement bien représentée par une enveloppe constituée de trois segments de droite définis par quatre paramètres (figure 10). u u c u 1 u' 0 A B t d t' t 1 t 2 t d retard à l'origine t', u' paramètres qui définissent le segment de retard AB, avec t d Figure 10 Représentation d une TTR par quatre paramètres t u' 0 A B t d t' t 3 t d retard à l'origine t', u' paramètres qui définissent le segment de retard AB, avec t d Facteur d'amplitude : u c valeur crête de la tension = u R valeur stabilisée de la tension Figure 11 Représentation d une TTR par deux paramètres Le tracé par quatre paramètres (t 1, u 1, t 2, u c ) (cf. [D 4 696]), qui a été proposé dès 1958, a pour avantage de bien représenter les contraintes du réseau dans les deux zones où il est important de tester la coupure [74] (cf. [D 4 692], 4) : la partie initiale de la TTR où des réamorçages thermiques sont possibles ; la zone proche de la crête de tension (u c ) où des réamorçages diélectriques peuvent se produire. Dans d autres cas, particulièrement dans les réseaux de tension inférieure à 100 kv ou bien dans les réseaux de tension supérieure à 100 kv pour des courants de court-circuit relativement faibles par rapport au courant de court-circuit maximal et alimentés au travers de transformateurs, la tension transitoire de rétablissement U R a une forme proche d une oscillation amortie à une seule fréquence. Cette forme d onde est suffisamment bien représentée par une enveloppe constituée par deux segments de droite définis par deux paramètres (u c, t 3, figure 11). La capacité du réseau au lieu d installation, et du côté de l alimentation du disjoncteur, réduit la vitesse d accroissement de la tension pendant les quelques premières microsecondes de la TTR. On en tient compte par l introduction d un temps de retard (t d ). Sur la figure 11 on peut voir que, pendant le régime transitoire, la valeur de la TTR dépasse la valeur stabilisée après la fin des oscillations. Le rapport entre la valeur crête (u c ) et la valeur stabilisée U R est appelé facteur d amplitude ; il est désigné, dans la norme CEI 60056, par k af. Chaque période de l onde de TTR peut influencer les performances de coupure d un disjoncteur. Le tout début de la TTR peut être important pour certains types de disjoncteurs. Cette période de la TTR, dénommée tension transitoire de rétablissement initial (TTRI), est provoquée par une oscillation initiale de faible amplitude due aux réflexions sur la première discontinuité majeure du jeu de barres. Elles est surtout déterminée par la configuration du jeu de barres et par la disposition des appareils au départ de chaque poste. Si le disjoncteur a un pouvoir de coupure de défaut proche en ligne ( 3.11), les prescriptions de la TTRI sont considérées comme satisfaites si les essais de défaut proche en ligne sont effectuées avec une ligne n introduisant pas de retard. Étant donné que la TTRI est proportionnelle à l impédance d onde du jeu de barres et au courant, les prescriptions la concernant peu- u R t Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique D

12 APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D INTERRUPTION HT (PARTIE 1) Dossier délivré pour e A e B (B) N e P P (C) e C e A, e B, e C tensions d'alimentation des trois phases A, B, C e P tension au point P de court-circuit Figure 12 Schéma avec défaut triphasé montrant la situation à l instant de coupure par le premier pôle qui coupe A vent être négligées pour tous les disjoncteurs ayant un pouvoir de coupure assigné inférieur à 25 ka et pour les disjoncteurs de tension assignée inférieure à 100 kv. De plus, les prescriptions concernant la TTRI peuvent être négligées pour les disjoncteurs installés dans l appareillage sous enveloppe métallique du fait de la faible impédance d onde Facteur de premier pôle La coupure des courants de court-circuit par les disjoncteurs à haute tension à courant alternatif doit toujours s effectuer au passage par zéro du courant, car c est un instant propice pour le refroidissement de l arc et son extinction. Par ailleurs, les contraintes les plus sévères en coupure de défaut aux bornes sont obtenues dans le cas d un défaut triphasé, car, d une part, le courant coupé est généralement le plus élevé et, d autre part, le premier pôle qui coupe le courant doit le faire sous la tension la plus élevée (si l on excepte le cas particulier de la coupure en discordance de phases où les courants à couper sont nettement plus faibles). En coupure de défauts triphasés, la TTR se réfère au premier pôle qui coupe, c est-à-dire à la tension aux bornes d un pôle ouvert, les deux autres étant fermés. Selon la façon dont le neutre du réseau est mis à la terre, la tension à fréquence industrielle aux bornes du premier pôle qui coupe est plus ou moins grande. Le rapport entre cette tension rétablie et la tension entre phase et terre U r 3 s appelle le facteur de premier pôle. Dans la norme de disjoncteur CEI 60056, il est désigné par k pp. Les valeurs normales de la TTR spécifiée sont établies dans les deux cas suivants : avec un facteur de premier pôle égal à 1,5 pour les disjoncteurs devant être installés dans un réseau à neutre non effectivement à la terre ; avec un facteur de premier pôle égal à 1,3 pour les disjoncteurs devant être installés dans un réseau effectivement mis à la terre (cas habituel pour les tensions assignées supérieures ou égales à 245 kv). La figure 12 illustre, à titre d exemple, le cas d un défaut triphasé isolé dans un réseau à neutre N à la terre. Un réseau à haute tension en court-circuit étant essentiellement inductif, la tension est en avance sur le courant et déphasée de 90 el. Nota : on rappelle que les durées peuvent s exprimer en millisecondes (ms) ou en degrés électriques ( el.), 360 el. correspondant à un cycle à fréquence industrielle soit 20 ms à 50 Hz ou 16,7 ms à 60 Hz. (A) Tension (kv) e C e B e A 1 p.u. e P = 0,5 p.u. pu e P = e B + e C 2 TR = e A e P = e B = e C Figure 13 Tensions de phases et tension aux bornes du pôle A La tension d alimentation de la première phase qui coupe (e A sur les figures 12 et 13) a donc une amplitude maximale au moment de la coupure que l on peut désigner par 1,0 p.u. La figure 13 montre que, à cet instant, la tension des deux autres phases est égale à : 0,5 p.u. de sorte que la tension au point de court-circuit est aussi : e P = 0,5 p.u. Par suite, la tension TR aux bornes du premier pôle qui coupe est égale à 1,5 p.u. Un résultat identique aurait bien sûr été obtenu dans le cas d un défaut triphasé à la terre dans un réseau à neutre isolé (mais l explication est un peu plus compliquée) ; ce cas est d ailleurs beaucoup plus fréquent et pris en compte pour la normalisation des essais de type. Dans les réseaux de tension assignée supérieure ou égale à 245 kv, le neutre est généralement mis à la terre et la probabilité d avoir un défaut triphasé isolé est négligeable. Par suite, le facteur de premier pôle est inférieur à 1,5. La valeur exacte est définie, en fonction des composantes directes (X 1 ) et homopolaires (X 0 ) de la réactance de court-circuit du réseau, par la formule : 3X 0 k pp = X 1 + 2X 0 Pour les réseaux à haute tension, compte tenu des caractéristiques des composants, on convient de prendre : X 0 α = = 3, 25 X 1 Par suite, le facteur de premier pôle est égal à 1,3. t (ms) Valeurs normales de la tension transitoire de rétablissement spécifiée Dans le cas d une TTR à quatre paramètres ( 3.8.1, figure 10), ces paramètres sont définis en fonction de la tension assignée (U r ), du facteur de premier pôle (k pp ) et du facteur d amplitude (k af ) comme suit : 2 u 1 = k pp U r -- 3 t 1 est déterminé à partir de u 1 et de la vitesse d accroissement spécifié ; u 1 t 1 u c = k af u 1, où k af est égal à 1,4 ; t 2 = 3t 1 TR = 1,5 p.u. D Techniques de l Ingénieur, traité Génie électrique