1 Description de l'arc électrique.

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1 Ceci est un cours naguère distribué en accompagnement de celui sur les sur intensités et moyens pour les éliminer : fusibles et disjoncteurs. Il y était aussi fait référence dans le cadre de celui sur la commande fonctionnelle : les contacteurs. La technologie n est plus trop au goût du jour mais bon... M. Catallon m a fourni pas mal de renseignement glanés lors de sa formation, merci à lui. 1 Description de l'arc électrique. A la séparation des deux parties d un contact électrique parcouru par un courant suffisant, il y a création d un arc électrique. Celui-ci résulte de l ionisation de l air ambiant (ou du diélectrique) situé entre les deux parties du contact. La température élevée de l arc a pour effet de volatiliser le métal constituant les contacts. Un transfert de matière peut même avoir lieu à travers l arc provoquant ainsi une érosion des contacts. Afin d éviter la détérioration des contacts, il faut éteindre l arc le plus rapidement possible. C est pourquoi plusieurs dispositifs d extinction d arc sont mis en oeuvre dans la fabrication de composants tels : interrupteur, contacteur, disjoncteur etc Caractéristiques de l arc électrique Tension d arc. Quelque soit la nature du courant (alternatif ou continu), à tout instant, la différence de potentiel entre les deux contacts en mouvement. Uarc se divise en 3 parties comme sur le diagramme suivant. Uarc (V) zone cathodique tension d arc totale zone anodique Longueur (mm) On distingue les chutes de tension aux bornes (anode et cathode) qui dépendent essentiellement des matériaux les composant et qui valent environ 15 volts. La partie médiane dépend elle de la longueur de l arc Température. La température de l arc est très élevée (entre 2500 et 5000 C), c est la raison pour laquelle il y a volatilisation du métal qui compose les contacts électriques. Cette élévation de température est telle qu elle entraîne une élévation de la pression si l arc a lieu dans une enceinte fermée (volume constant) ce qui est le cas d une armoire par exemple Comportement magnétique. Un arc électrique peut-être assimilé à un conducteur mobile dont il possède toutes les propriétés physiques et notamment magnétiques à savoir : il est soumis à la force de Laplace. (Voir le cours de physique appliquée) 1.2 Facteurs influents. 1/8

2 1.2.1 Nature du courant. Si la source de tension est continue il est nécessaire de forcer le courant à décroître puis à s annuler, alors que si la source de tension est alternative (50 ou 60 Hz en général), le courant s annule de lui-même. Le problème consistera alors à empêcher le réamorçage de l arc après le passage par zéro du courant Géométrie. Plus la tension d arc (qui s oppose à la source) sera élevée plus le courant diminuera, ce qui signifie qu en augmentant la tension Uarc définie plus haut on diminue le courant. Les idées qui en découlent sont donc de diviser l arc électrique principal en plusieurs «sous arc» afin de multiplier les chutes de tension anodique et cathodique d une part et d allonger d autre part la longueur totale de l arc Milieu diélectrique. L ionisation du milieu baignant les contacts est directement liée à sa température, plus celle-ci est élevée et plus l ionisation est facilitée. La dés ionisation rapide nécessite donc un refroidissement des gaz rendus conducteurs. 2 Techniques mises en oeuvre actuellement (1998). 2.1 Courant interrompu «faible». Dans cette partie on considère que l ouverture des contacts s effectue sur le courant nominal de l installation ou sur une surcharge. Les techniques ci-dessous sont donc celles mises en oeuvre dans les interrupteurs ou les contacteurs qui assurent une commande fonctionnelle ou la protection contre les surcharges lorsqu ils sont associés à des relais thermiques Fractionnement et refroidissement de l arc. Pour diviser l arc électrique on peut multiplier le nombre de contact en série devant interrompre le courant, mais on peut surtout le fractionner en forçant l arc à passer dans une chambre de coupure constituée de plaquettes ferromagnétiques qui multiplient les chutes de tensions au voisinage des électrodes. Les plaquettes ci-dessus absorbent en outre la chaleur dégagée par l effet joule dans l arc et participent ainsi au refroidissement, donc à la dés ionisation, de l espace inter contact Soufflage par auto ventilation. Le moyen le plus simple d allonger l arc consiste à utiliser la capacité des gaz chauds à s élever. L air chauffé par l arc fait monter celui-ci qui forme ainsi une boucle ayant tendance à s agrandir jusqu à son extinction. La forme et la disposition des contacts favorisent cet effet. On peut même créer un effet de cheminée en coiffant chaque pôle de coupure d un boîtier isolant en matière plastique largement ouvert à sa base et réduit dans sa partie supérieure. 2/8

3 2.1.3 Soufflage magnétique. On a vu plus haut que l arc électrique de par sa nature est sensible à la force de Laplace que créerait un champ magnétique. En créant un champ on peut alors soumettre l arc à une force qui tend à l allonger. Ce champ magnétique est généralement créé par une bobine en série avec le circuit des contacts, il est parfois même renforcé par un U magnétique judicieusement disposé. 2.2 Court-circuit et fusible. Plusieurs principes sont utilisés pour faciliter l extinction de l arc créé dans un coupe-circuit à fusible. L élément fusible peut présenter plusieurs sections réduites ce qui a pour effet de fractionner l arc. La matière 3/8

4 de remplissage, quand il y en a une, absorbe la chaleur produite, «éponge» le métal en fusion et lorsqu il s agit de sable ou de composant silicé se vitrifie, ce qui permet d augmenter le pouvoir de coupure et d accélérer la coupure. (Voir le chapitre concernant la protection contre les courts-circuits.) 2.3 Court-circuit et disjoncteur basse tension. Les techniques utilisées dans ce type d appareillage sont très variées et complexes. Plutôt que de les exposer de manière exhaustive, il est préférable de vous présenter un composant mis au point par la société Merlin Gerin et qui est une synthèse originale des technologies utilisées à l heure actuelle. Il associe un disjoncteur classique avec un compartiment limiteur Fonctionnement de l ensemble. 4/8

5 2.3.2 Disjoncteur Compact C125. «Ce mécanisme utilise la répulsion des contacts placés en vis à vis et parcourus par des courants opposés. Sur courant de court-circuit, la force électrodynamique engendrée provoque une séparation très rapide des contacts. Le développement et la coupure de l arc sont assurés par le champ magnétique généré au niveau des contacts et par effet de pression des joues gazogène.» (1) contact fixe retourné face au contact mobile. i 2 et i 3 parallèles et de sens contraire créent une force de répulsion électrodynamique importante sur court circuit. (2) blindage magnétique annulant l effet de i 1. (3) «U» magnétique renforçant le champ magnétique au niveau des contacts pour développer l arc. (4) joue en polyamide dont l effet gazogène «étouffe» l arc électrique. (5) chambre de coupure pour le fractionnement, l allongement et le refroidissement de l arc Particularité : la commutation d arc : Ce disjoncteur offre un pouvoir de coupure de 15 ka sur tous ses calibres, même faibles, grâce à une commutation de l arc électrique. En se développant, l arc électrique commute sur un deuxième contact fixe. Le courant de défaut est alors dérivé dans un circuit shunt. Il ne passe donc plus par le bilame. Ce dernier est ainsi protégé et le pouvoir de coupure de 15 ka est conservé, même sur les petits calibres. 5/8

6 2.3.4 Compartiment limiteur. Description : (1) (2) (3) (4) (5) (6) Connexions croisées : Circuits avaleur et expulseur : 6/8

7 2.4 Disjoncteur haute tension. On a vu précédemment que la régénération de l air ionisé s effectuait par l air ambiant (par convection généralement). En moyenne et haute tension on emploie de plus en plus l hexafluorure de soufre (SF6) comme diélectrique. Ce gaz possède des qualités diélectriques bien meilleures que celle de l air (sa rigidité par exemple est 2,5 fois supérieure) de plus il évacue très bien la chaleur de l arc. Le gaz est injecté sous pression dès le début de l ouverture des contacts, il refroidit l arc et accélère sa décroissance puis l interrompt définitivement grâce à ses qualités diélectriques. Synthèse. 7/8

8 Exemple du poste source Marie : situé sur la route de Tain après l hôpital de Romans il abaisse la tension 63 kv en 20 kv pour alimenter avec le poste source de Pizançon la zone Romans/Bourg de péage. 8/8