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| Le
Disjoncteur |
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De
tout l'appareillage électrique haute tension
d'interruption, le disjoncteur occupe la place royale.
Ceci
est dû au fait qu'il joue, en plus de son
rôle normal de conduction, d'isolation et
d'interruption des courants nominaux de charge,
un rôle important de protection contre les courants
de court-circuit.
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2.1
Description générale
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Retour
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Sa
structure se divise, en général, en trois
parties majeures : |
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2.1.1
Partie électrique Active
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C'est la partie où le courant est établi ou interrompu dans le circuit principal. |
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2.1.1.1
Chambre de coupure
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Elle
est constituée d'une chambre fermée
contenant un contact fixe et un autre mobile dans un milieu
liquide ou gazeux appelé milieu de coupure et dont
l'établissement ou l'interruption du
courant se réalise par la mise en contact de ces
deux contacts ou leur séparation.
Pour
un disjoncteur triphasé, chacune des phases possède
au moins une partie active.
Pour
des niveaux de tensions nominales élevées,
cette partie active peut être composée de
plusieurs chambres identiques connectées en série
et commandées simultanément, de façon
à produire un seul contact électrique, dans
ce cas des condensateurs dits de répartition, sont
installés en parallèle avec chaque chambre
pour la répartition de la tension afin de réduire
les usures excessives des contacts au détriment
des autres.
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2.1.1.2
Résistances d'insertion
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Les modifications brusques des circuits électriques
en fonctionnement consécutif à la manœuvre
de disjoncteurs provoquent l'apparition de phénomènes
transitoires et donnent naissance à des surtensions
de manœuvre.
L'amplitude
de ces surtensions, fonction des caractéristiques
du circuit et de celles du disjoncteur, peut atteindre
dans certains cas des valeurs élevées qu'il
faut savoir réduire.
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| 2.1.1.2.1
À la coupure |
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Les surtensions sont généralement faibles,
à la coupure de circuits en charge ou en court-circuit.
Cependant
elles peuvent devenir élevées lors de la
coupure de courants capacitifs ou de faibles courants
inductifs.
Il
est possible de réduire ces surtensions par coupure
en deux temps sur résistance. |
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| 2.1.1.2.2À
la fermeture |
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La mise sous tension brusque d'un circuit est toujours
accompagnée d'une surtension dont l'amplitude
reste en général modérée sauf
s'il s'agit de l'enclenchement ou de réenclenchement
de longues lignes à vide. Ces
surtensions, fonctions de la longueur de la ligne, de
l'instant de fermeture, du décalage des trois
pôles, etc. , peuvent alors atteindre des valeurs
très élevées.
La
mise sous tension de charges capacitives, comme des batteries
de condensateurs, peut causer des courants d'appel
d'amplitude élevée, qui devra être
limité de manière à ne pas nuire
au disjoncteur ni aux batteries de condensateurs
L'enclenchement
en deux temps sur des résistances permet de réduire
très efficacement les surtensions et les surintensités
de fermeture.
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2.1.1.2.3
Mécanisme de fonctionnement
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Des contacts auxiliaires équipés des résistances
de valeurs appropriées sont installés en
parallèle avec les chambres de coupure.
Ils sont actionnés quelques millisecondes avant
l'entrée en contact ou la séparation
des contacts principaux, pour insérer la résistance
le temps nécessaire au bon fonctionnement, appelé
temps d'insertion, après l'écoulement
du temps d'insertion le contact auxiliaire s'ouvre |
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2.1.2
Partie commande
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C'est
la partie où l'énergie nécessaire
pour réaliser le déplacement du contact
mobile et assurer l'établissement ou l'interruption
du courant principal, est développée.
La
commande comporte des dispositifs à accumulation
d'énergie appelés les accumulateurs
d'énergie, dont le rôle est d'accumuler
l'énergie nécessaire pour la coupure
ou la fermeture et la maintenir prête à livrer
lorsque demandée.
Les
accumulateurs d'énergie les plus courants
sont les ressorts et les cylindres prégonflés
en azote.
La
commande peut être de type :
1.
Mécanique à ressort
2.
Hydraulique
3.
Pneumatique
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2.1.3
Partie Contrôle
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Retour
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C'est
la partie où les commandes d'opération
sont initiées à partir d'une impulsion
électrique d'une durée de fraction
de seconde sur une bobine dans le mécanisme de
commande. Celui-ci amplifie cet ordre en une opération
du disjoncteur en libérant l'énergie
nécessaire emmagasinée préalablement
dans les accumulateurs d'énergie pour effectuer
la coupure ou la fermeture.
Elle
comprend les bobines d'enclenchement et de déclenchement,
le système de relayage basse tension, les capteurs
divers (de pression, de fin de course, etc.) nécessaires
pour effectuer la surveillance et le contrôle du
fonctionnement.
Par
exemple, lors de discordance de phase pour les disjoncteurs
à commandes monopolaires, le disjoncteur, déclenche
et verrouille les commandes subséquentes en donnant
une alarme.
Elle
comprend aussi, tout ce qui est nécessaire pour
assurer le retour au niveau nominal, de l'énergie
demandée pour la réalisation des manœuvres
subséquentes.
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2.2
Caractéristiques Mécaniques
de fonctionnement
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Retour
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Le
caractère de fonctionnement des disjoncteurs est
spécial. Ils sont normalement en position «
FERMÉE » pour conduire le courant ou en position
« OUVERTE » pour assurer l'isolation
du circuit. Ils ne sont appelés à changer
d'une position à l'autre qu'occasionnellement,
et ils ne ferment sur (ou n'interrompent) des courants
de court-circuit que rarement. |
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2.2.1
Fiabilité
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Retour
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Ils
doivent alors être fiables en position statique
et efficaces instantanément quand ils sont appelés
à opérer après de longues périodes
de repos. |
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2.2.2
Fonctionnement correct
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Retour
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La
commande du disjoncteur doit assurer un enclenchement
correct, quelle que soit l'intensité du courant
de fermeture, et assurer le déclenchement à
l'instant voulu, en libérant, sur action
manuelle ou sur l'action d'un relais, l'énergie
nécessaire dans des ressorts ou dans un gaz comprimé.
L'énergie
d'enclenchement (ou de déclenchement) fournie
par la commande doit faire face aux efforts antagonistes
d'une fermeture (ou d'une ouverture) en charge
ou à vide et, le cas échéant aux
efforts supplémentaires d'une fermeture (ou
d'une ouverture) sur court circuit.
Il
y a donc, lors d'une fermeture (ou ouverture) à
vide, un excédent d'énergie qui doit
être absorbé par un système amortisseur
efficace en fin de course des contacts. |
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2.2.3
Temps de coupure
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Retour
à la table des matières
La
commande du disjoncteur doit assurer un enclenchement
correct, quelle que soit l'intensité du courant
de fermeture, et assurer le déclenchement à
l'instant voulu, en libérant, sur action
manuelle ou sur l'action d'un relais, l'énergie
nécessaire dans des ressorts ou dans un gaz comprimé.
L'énergie
d'enclenchement (ou de déclenchement) fournie
par la commande doit faire face aux efforts antagonistes
d'une fermeture (ou d'une ouverture) en charge
ou à vide et, le cas échéant aux
efforts supplémentaires d'une fermeture (ou
d'une ouverture) sur court circuit.
Il
y a donc, lors d'une fermeture (ou ouverture) à
vide, un excédent d'énergie qui doit
être absorbé par un système amortisseur
efficace en fin de course des contacts. |
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2.3
Types de disjoncteurs
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Retour
à la table des matières
Les
problèmes des disjoncteurs découlent de
la nature même de leur existence.
Un
disjoncteur doit couper les courants allant de faibles
courants capacitifs ou inductifs, aux puissants courants
de court-circuit. Il doit être capable d'éteindre
des puissants arcs résultants.
Les
problèmes de coupure sont donc essentiellement
des problèmes d'arc.
Un
autre problème, est celui des surtensions de manœuvres.
Un
facteur principal influençant ces capacités
est le milieu de coupure. Le milieu utilisé influe
énormément les principes et les techniques
de coupure utilisés lors de la conception.
De
ces faits les disjoncteurs sont classés en familles
relativement aux milieux de coupure utilisés.
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2.3.1
Les milieux de coupure
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Retour
à la table des matières
Un
grand nombre de substances possèdent des qualités,
plus ou moins acceptables, pour être des milieux
de coupure.
Trois
de ces milieux ont gagné l'attention des
fabriquants de disjoncteurs du fait que leurs propriétés
excellentes ont permis des réalisations économiques
à hautes performances. Ce sont :
-
L'huile minérale
-
L'air comprimé
-
L'hexafluorure de soufre ou SF6
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2.3.1.1
L'huile minérale
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Le liquide isolant utilisé par excellence dans
l'appareillage électrique est l'huile
minérale.
Les
qualités isolantes de l'huile sont excellentes,
surtout lorsqu'elle est très pure, ce qui
est le cas de son utilisation dans certains matériels
comme les condensateurs statiques ou les transformateurs,
qui sont des appareils étanches.
Par
contre, les disjoncteurs possèdent des orifices
de respiration et l'huile est soumise au contact
de l'arc. On retrouve donc, dans l'huile de
disjoncteur, un certain taux d'humidité et
une certaine quantité de poussières d'origines
diverses, y compris les particules de carbone.
Pour
ces raisons, il est indispensable de surveiller l'état
de l'huile dans les appareils en service et de renouveler
celle-ci en fonction du nombre de coupures effectuées
par l'appareil.
Les
critères de changement d'huile dépendent
de la structure des disjoncteurs et doit être indiqués
par le constructeur.
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2.3.1.2
L'air comprimé
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Retour
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L'isolant gazeux le plus utilisé est évidemment
l'air à pression atmosphérique dont
les avantages sont considérables ; il ne fait jamais
défaut, se renouvelle constamment et ne coûte
rien.
La
tension disruptive de l'air, au-dessus de la pression
atmosphérique, croît avec la pression.
En
pratique, on peut compter que, pour une pression de 10
bars, l'air comprimé présente une
tension disruptive d'environ 90 KV en valeur de
crête, sur une distance de 1 cm, et une valeur 1,5
fois plus grande pour une pression de 20 bars.
L'air
comprimé a d'abord été employé
uniquement comme fluide de coupure dans les disjoncteurs
pneumatiques. Plus tard on a utilisé, en plus,
ses qualités isolantes en maintenant l'air
comprimé en permanence entre les contacts après
leur ouverture, ceux-ci étant placés à
l'intérieur d'une chambre isolante
prévue pour supporter la pression de l'air
comprimé. La distance d'ouverture des contacts
s'est trouvée ainsi considérablement
réduite.
Qualité
de l'air pour les disjoncteurs pneumatiques:
Une
certaine qualité doit être exigée
pour l'air comprimé alimentant les disjoncteurs
pneumatiques.
Il
est important, en effet, d'éviter toute condensation
dans les isolateurs creux et les conduits d'air
isolants, ce qui pourrait conduire à des amorçages
internes.
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2.3.1.3
L'hexafluorure de soufre, SF6
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Retour
à la table des matières
Un certain nombre de gaz, dits électronégatifs,
possèdent des qualités diélectriques
très supérieures à celles de l'air.
Parmi
ceux-ci l'hexafluorure de soufre, SF6, connaît
un emploi de plus en plus large dans l'appareillage
électrique car il possède également
des propriétés extinctrices d'arc
remarquables.
Le
SF6 est un gaz lourd, inodore, incolore, non toxique et
ininflammable. La tension disruptive du SF6 est 3 fois
celle de l'air.
Sous
l'effet de l'arc électrique, le SF6
subit une décomposition partielle. Les produits
de décomposition peuvent attaquer les métaux
et les isolants surtout en présence de l'humidité,
mais il est facile de les absorber au moyen d'alumine
activée placée dans les enceintes contenant
le gaz.
Le
SF6, à des températures normales et à
la pression atmosphérique, se liquéfie à
- 60oC. À des pressions élevées,
le SF6 se liquéfie à plus haute température,
20oC à 20 bars, ce qui lui fait perdre de ses qualités.
Pour
de très basses températures, -50 oC par
exemple, il faut chauffer le gaz ou, une solution adoptée
est de le mélanger avec d'autres gaz, comme
l'azote ou le CF4.
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2.3.2
Disjoncteur à l'huile
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Retour
à la table des matières
Les
premiers disjoncteurs à haute tension furent des
disjoncteurs à gros volume d'huile auxquels
ont succédé les disjoncteurs à faible
volume d'huile.
Dans
un disjoncteur à l'huile, l'arc décompose
celle-ci en formant des gaz constitués principalement
de 70% d'hydrogène et de 20% d'acétylène,
et en libérant des particules de carbone.
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| 2.3.2.1
Disjoncteur à gros volume d'huile |
Retour
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Les
contacts du disjoncteur à gros volume d'huile
sont placés dans une grande cuve métallique
où pénètrent deux traversées
isolantes.
Les
contacts au bas des traversées isolantes sont reliés
par une tête conductive portée par une tige
en bois ou en un matériel composite qui, dans les
modèles courants, s'abaisse par la gravité
suite à la séparation des contacts sous
l'effet d'un ressort, ainsi ouvrant le disjoncteur.
Au-dessus
du niveau d'huile, un certain volume d'air,
le matelas d'air, permet aux bulles gazeuses qui
prennent naissance autour des deux arcs en série,
de se développer tout en limitant à la fois
leur expansion et la pression dans la cuve.
Toutefois,
même améliorés, les disjoncteurs à
gros volume d'huile présentent des inconvénients
:
-
dimensions et masse importantes,
-
dangers d'incendie,
-
fortes réactions au sol,
-
défaillances d'isolement dûes aux traversées,
etc.
Aussi ont-ils été remplacés par des
disjoncteurs à faible volume d'huile.
|
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2.3.2.2
Disjoncteur à faible volume d'huile
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Retour
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Les
premiers disjoncteurs à faible volume d'huile
furent des appareils correspondant aux plus hautes tensions
de l'époque, 170 et 245 KV, tensions pour
lesquelles les inconvénients des disjoncteurs à
gros volume d'huile étaient les plus marqués.
Ce fut aussi dans le but d'éliminer l'huile
comme isolant et ainsi réduire la quantité
d'huile utilisée au point qu'il n'y
aurait plus de risque. Cependant, ses qualités
extinctrices d'arc ont été utilisées
dans des chambres de coupure spéciales, étanches
à l'huile et à l'air.
Les
disjoncteurs à faible volume d'huile pour
la haute tension sont à coupure simple en-dessous
de 170 kV, et à coupure multiple au-dessus de 230
kV.
Les
contacts sont placés dans une enveloppe cylindrique
isolante, munie à chaque extrémité
de prises de courant et posée sur un support isolant.
Ainsi,
par rapport au disjoncteur à gros volume d'huile,
l'isolement à la masse se trouve amélioré
de façon considérable par la suppression
des traversées toujours vulnérables et de
la cuve métallique trop voisine de l'arc.
L'huile ne participe plus à l'isolement
à la masse et son volume se trouve réduit
de grandes proportions, de 10 à 20 fois.
Pour
éviter qu'il ne prenne trop grand développement
dans l'enveloppe isolante, l'arc est contenu
efficacement dans un pot de coupure dont le rôle
est réduire au minimum sa durée, son énergie
et l'énergie transmise au piston d'huile.
Lorsque
le disjoncteur interrompt de faibles courants, l'arc
est éteint par un flux axial d'huile. Dans
le régime court-circuit, l'arc est éteint
en fonction du courant, soufflé par un jet d'huile
perpendiculaire à son axe.
Presque
tous les disjoncteurs sont prévus pour le réenclenchement
rapide. Ils doivent donc pouvoir effectuer deux coupures
successives, à 0.2 ou 0.3 s d'intervalle.
Pour cela, il faut que les disques des pots de coupure
maintiennent à l'intérieur du pot,
après une première coupure, une quantité
suffisante d'huile pour assurer la deuxième
coupure.
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2.3.3
Disjoncteur à air comprimé
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Retour
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Les
disjoncteurs à air comprimé à haute
tension occupent un domaine très vaste; en tension
nominale ils s'étendent de 170 KV jusqu'aux
plus hautes tensions, actuellement 800 KV; en pouvoir
de coupure de 20 KA jusqu'aux plus grandes, actuellement
100 KA.
Au-dessus
de 100 KV, les disjoncteurs à air comprimé
sont à coupure multiple, la tension optimale d'un
élément de coupure est de 80 KV. Pour 765
KV les premiers disjoncteurs avaient 12 éléments
par phase, ramenées à 8 éléments
par phase suite à des améliorations continues.
Bien
que l'augmentation de la pression permette d'accroître
la vitesse de régénération diélectrique,
celle-ci reste relativement lente dans un disjoncteur
à air comprimé. Aussi est-on souvent amené
à réduire la vitesse de la tension transitoire
de rétablissement au moyen d'une résistance
de faible valeur.
Pour
insérer la résistance dans le circuit et
surtout pour interrompre le courant dans la résistance
au moment voulu, un interrupteur auxiliaire est nécessaire.
Le
disjoncteur à air comprimé s'adapte
bien à toutes les nouvelles exigences des réseaux
à très haute tension.
Par
exemple, l'adjonction de résistances de fermeture
à un ou deux échelons pour la réduction
des surtensions de fermeture se fait sans grande difficulté.
De même, des temps de coupure très courts,
deux cycles ou même moins, pour l'amélioration
de la stabilité des réseaux peuvent être
obtenus.
Par
ailleurs, les disjoncteurs à air comprimé
sont des appareils de haute technicité, de grande
endurance électrique et mécanique. L'usure
des contacts est faible en raison des durées d'arc
très courtes et de tensions d'arc peu élevées.
Les
deux inconvénients des disjoncteurs à air
comprimé sont :
-
La sujétion de l'installation à la
décompression d'air,
-
Le bruit au déclenchement.
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| 2.3.4
Disjoncteur au SF6
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Retour
à la table des matières
Nous
avons vu que le SF6 convient particulièrement bien
pour éteindre un arc. Aussi ce type de disjoncteur
a-t-il connu un grand développement ces dernières
années. Ils sont disponibles pour toutes les tensions
dans la gamme de 14.4 kV à 800 kV, en courant continu
jusqu'à 4000 A, et en interruption symétrique
jusqu'à 63 kA.
Une
mise en œuvre du SF6 semblable à celle de
l'air comprimé dans les disjoncteurs pneumatiques
conduit à la technique double pression.
Cependant,
les qualités du SF6 permettent d'utiliser
la technique autopneumatique même lorsqu'il
s'agit d'obtenir des performances élevées.
Aussi, la tendance actuelle est de généraliser
cette technique qui va supplanter la précédente.
Par
ailleurs, il faut noter que la régénération
diélectrique rapide du plasma-d'arc dans
le SF6 rend inutile les résistances de coupure,
ce qui contribue à simplifier l'appareil.
En
plus de la réalisation des disjoncteurs conventionnels
en SF6, Les disjoncteurs SF6 sont à la base des
postes blindés à haute tension, dont le
développement se poursuit de façon rapide.
Ces
disjoncteurs sous enveloppe métallique utilisent
les mêmes dispositifs de coupure que les appareils
précédents de type ouvert. Ils ont l'avantage
de s'installer aussi bien en position horizontale
que verticale, selon la structure des postes. Les distances
seront donc réduites et les postes plus compacts.
En
raison de leur grande sécurité, leur endurance
électrique, leur fonctionnement peu bruyant, et
leur aptitude à couper des grands courants sous
tension de rétablissement de vitesse et d'amplitude
élevées, les disjoncteurs SF6 sont appelés
à un grand développement dans de différents
domaines.
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| Conclusion |
Une analyse correcte permet d'obtenir les meilleures
décisions pour le disjoncteur, le réseau
et le personnel d'entretien. Pour cela, la connaissance
de l'appareil de synchronisation et de la signification
des temps d'opération est primordial mais
non suffisant.
La
connaissance de son disjoncteur, les valeurs de référence
(Charte de synchronisation) et les caractéristiques
du réseau électrique sont nécessaires.
Tout
ceci supporté par une bonne expérience et
un bon sens de jugement de la personne effectuant les
essais.
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