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Disjoncteurs à vide : lever les barrières à l’extrémité supérieure du spectre des tensions
Ce qui se produit lors de l’extinction d’un arc dans le vide : reconnexion rapide de l’arc plasma et rétablissement rapide du courant
Lorsque les contacts du disjoncteur à vide s'ouvrent, une vapeur métallique est ionisée et forme un arc plasma. À un niveau de vide extrême (pression < 10⁻⁴ torr), les particules chargées se déposent par condensation sous vide sur les contacts, permettant la reconnexion rapide de l’arc plasma en 1 à 5 ms. Cela permet également à la gaine de courant d’assurer une isolation rapide du système avant la prochaine impulsion de tension, ce qui garantit une commande fiable de l’arc dès le premier instant où le courant est censé atteindre zéro, ainsi que le contrôle de la formation de l’arc. Le niveau de vide confère aux électrons un libre parcours moyen environ 1 000 fois plus long que dans le gaz SF₆. C’est là la raison fondamentale pour laquelle les disjoncteurs à vide sont supérieurs aux disjoncteurs à gaz et aux disjoncteurs à air en matière d’interruption sûre du courant électrique.
Vitesse d’interruption inférieure à 15 ms et meilleure suppression des passages à zéro que les alternatives à SF₆ et à air.
En ce qui concerne l'interruption des défauts, les interrupteurs sous vide peuvent éliminer les défauts en 15 ms ou moins, soit 30 à 50 % plus rapidement que les systèmes à SF6 ou à coupure dans l'air. Comme l’interrupteur sous vide est placé dans le vide, la vitesse à laquelle il peut surmonter une interruption n’est pas régulée par des mécanismes complexes d’écoulement gazeux, ce qui n’est toutefois pas le cas des isolants gazeux. Dans la classe 72,5 kV, la technologie des interrupteurs sous vide offre des performances près de trois fois supérieures à celles du SF6 concernant ces redoutables tensions de rétablissement transitoires (TRV), comparativement à ce que la plupart des ingénieurs considèrent comme une valeur moyenne. La plupart des ingénieurs estiment que les mécanismes conventionnels de coupure dans l’air nécessitent au moins 8 à 10 passages par zéro du courant avant de pouvoir interrompre de façon fiable un arc. Les interrupteurs sous vide, quant à eux, sont conçus pour interrompre tous les arcs (jusqu’à 99,8 % d’extinction d’arc, conformément à la norme IEC 62271-100) en deux passages par zéro du courant ou moins. Des applications réelles d’interrupteurs sous vide à 100 % ont également démontré des pics de tension nettement plus faibles. Des essais en conditions réelles ont également montré qu’il y a environ 40 % de pics de tension en moins par rapport aux interrupteurs sous vide isolés au gaz. Une forte tenue diélectrique permet une intégration haute tension compacte et fiable.
Résistance diélectrique intrinsèque du vide (> 30 kV/cm) et conception évolutive de l'entrefer de contact pour des applications de 72,5 à 145 kV
Le vide présente une résistance diélectrique remarquable supérieure à 30 kV par cm, ce qui permet une isolation efficace des systèmes haute tension sans recourir à des gaz supplémentaires. Cette caractéristique permet aux ingénieurs d’optimiser l’espacement de l’entrefer de contact dans les calibres normalisés CEI allant de 72,5 kV à 145 kV. Contrairement aux disjoncteurs au SF₆, la technologie sous vide est supérieure car elle assure des performances constantes, quelles que soient la température, l’altitude et l’humidité. En outre, la technologie sous vide élimine les préoccupations liées à la gestion des gaz, garantissant ainsi un fonctionnement fiable des postes électriques dans des conditions défavorables.
Avantages en termes d’encombrement et de poids : empreinte au sol réduite de 30 à 40 % dans les postes sous enveloppe métallique (GIS) et les postes hybrides par rapport aux disjoncteurs au SF₆
Le vide possède une rigidité diélectrique très élevée, ce qui permet de réduire considérablement les distances d’isolement entre composants. Cela donne lieu à des interrupteurs plus compacts et, par conséquent, à des disjoncteurs globalement plus petits. Les gains d’espace sont très significatifs. En comparant des installations de matériel sous enveloppe isolante gazeuse (GIS) utilisant la technologie à vide plutôt que le SF₆, on constate couramment une réduction de l’encombrement de l’ordre de 30 à 40 %. Les mécanismes d’actionnement sont également plus légers, dans certains cas jusqu’à 60 %. Cela est particulièrement avantageux pour les postes électriques hybrides, car cela améliore le cheminement des barres omnibus et accélère les travaux de rénovation. Lors de modernisations de réseaux en Europe, de nombreuses entreprises ont signalé un gain d’espace d’environ 35 % après l’implémentation de la technologie à vide à la tension standard de 145 kV.
Fiabilité à long terme avec cycle de service élevé en haute tension et entretien minimal
Plus de 20 000 manœuvres < 0,001 % de taux de défaillance selon la norme IEEE C37.09-2018
Les interrupteurs sous vide, qui sont hermétiquement scellés et ne sont donc pas affectés par leur environnement, peuvent dépasser 20 000 opérations mécaniques avec des taux de défaillance inférieurs à 0,001 % selon la norme IEEE C37.09-2018. L’absence de points de fuite de gaz ou de joints dynamiques permet de maintenir une tenue diélectrique stable pendant de nombreuses années de service. Les données terrain indiquent que de nombreux gestionnaires de réseaux électriques obtiennent environ 30 ans de service avant le remplacement des composants de 72,5 kV. À l’inverse, pour les conceptions plus récentes, les exploitants réalisent environ 40 % d’économies sur les coûts. L’absence de pièces mobiles et de contacts glissants — éléments généralement responsables des défaillances lors d’opérations répétées de coupure de défauts — est ce qui améliore la fiabilité de ces conceptions.
Aucune gestion de gaz, aucun problème lié à l’humidité ni aucun sous-produit toxique issu de la décomposition — ce qui élimine les principaux modes de défaillance des systèmes au SF₆.
Les systèmes d’interruption sous vide évitent trois points critiques de défaillance propres aux systèmes à gaz comprimé :
Pas de gestion des gaz : Pas de gestion du SF₆, pas de détection de fuites ni de gestion coûteuse des gaz à récupérer
Immunité à l’humidité : La rupture diélectrique liée à l’humidité, principale cause de défaillance des disjoncteurs au SF₆, est évitée.
Non toxique : Aucun sous-produit métallique fluoré contaminant le système à gaz
En conséquence, des études de cas menées par des entreprises de services publics ont montré que les besoins en maintenance avaient diminué de 75 %. En outre, elles ont évité les pénalités moyennes annuelles de 740 000 $ liées aux émissions de SF₆, mentionnées dans les audits de conformité de l’EPA. La conception à contacts solides évite également la décomposition par érosion des contacts qui se produit dans les interrupteurs à gaz après quelques manœuvres de court-circuit.
Plages de tension évolutives : Du courant moyen au courant élevé
Déploiements
Les disjoncteurs à vide normalisés ont des tensions assignées (12–145 kV) et des installations à 145 kV destinées aux services publics
Les disjoncteurs à vide ont récemment évolué afin d’améliorer leur utilité dans les systèmes moyenne tension et haute tension de 145 kV. Le développement des matériaux de contact, du vide, des joints d’étanchéité et de l’actionnement électromagnétique a amélioré leur utilisation dans les installations de 145 kV. Leur pouvoir de coupure en service atteint jusqu’à 40 kA (c’est-à-dire < 20 ms). Ces disjoncteurs remplacent des solutions d’équipements primaires plus volumineuses dans des plages de température ultra-étendues, allant de –40 à +55 degrés Celsius, et ce, compte tenu de l’absence de gaz nocif pour l’environnement.
Technologie des interrupteurs à vide pour 245 kV : normes IEC 62271-100 et développements des séries d’interrupteurs à plusieurs ruptures
Les fabricants commercialisent depuis longtemps la technologie sous vide pour des applications à 245 kV avec des conceptions d'interrupteurs en série à plusieurs coupures. En substance, ils assemblent plusieurs interrupteurs sous vide afin que la tension soit répartie uniformément entre plusieurs dispositifs, plutôt que d'être concentrée en un seul endroit. Ces conceptions sont récemment devenues conformes à la norme IEC 62271-100 pour une capacité de coupure de 245 kV / 50 kA, ce qui constitue une avancée majeure pour le secteur. L’un des modèles prototypes est conçu pour interrompre le courant en 2 cycles électriques, soit 40 % plus rapidement que les interrupteurs à simple coupure traditionnels. En outre, ce modèle utilise des contacts en cuivre-chrome (Cu/Cr)
qui réduisent le courant de coupure à moins de 3 A. Plusieurs modèles prototypes initiaux ont été intégrés au réseau électrique européen depuis l’année dernière. La plupart des experts du secteur estiment que la technologie sous vide remplacera finalement le gaz SF6 dans les applications haute tension où les préoccupations environnementales sont prioritaires.
FAQ
Quel est le principal avantage des disjoncteurs à vide par rapport aux systèmes à SF6 et aux systèmes à coupure dans l'air ?
En ce qui concerne les systèmes haute tension, les disjoncteurs à vide présentent une récupération plus rapide de la tenue diélectrique, ce qui permet une extinction plus rapide de l'arc et une réduction des pics de tension. Cela signifie que les disjoncteurs à vide peuvent fonctionner à un niveau d'efficacité nettement supérieur à celui des autres systèmes.
Que pouvez-vous me dire concernant la conception des disjoncteurs à SF6 qui permet aux interrupteurs à vide d'avoir des dimensions plus compactes ?
En raison de la tenue diélectrique inférieure des disjoncteurs à SF6, ceux-ci nécessitent des écartements de contacts plus importants. Par conséquent, les interrupteurs à vide occupent environ 30 à 40 % moins d'espace que les disjoncteurs à SF6.
Les interrupteurs sous vide ont une durée de vie supérieure à 20 000 opérations et, de ce fait, présentent un faible taux de défaillance. Ce faible taux de défaillance signifie qu’ils peuvent fonctionner avec succès pendant environ 30 ans. Ce faible taux de défaillance et ce fort taux de réussite impliquent que les interrupteurs sous vide peuvent coûter environ 40 % moins cher que les technologies plus anciennes, en raison d’une maintenance et de réparations moins fréquentes.
Existe-t-il un avantage à utiliser des interrupteurs sous vide plutôt que des disjoncteurs au SF6 en ce qui concerne l’environnement ?
Bien sûr ! Les interrupteurs sous vide éliminent le besoin de systèmes de gestion de gaz et sont également insensibles à l’humidité. Ils produisent peu ou pas de sous-produits dangereux. Par conséquent, ils entraînent également des coûts environnementaux moindres, ainsi que des coûts financiers réduits par rapport aux systèmes au SF6.