MESURES DU DÉPLACEMENT DE DISJONCTEURS

 1.1 Description

Lors de la synchronisation d'un disjoncteur, une mesure des temps de fonctionnement à partir de l'apparition de la commande aux bornes de la bobine de commande jusqu'au basculement du contact principal est tracée à l'aide de l'appareil de synchro, par exemple le CBA-32P de ZENSOL.

Cette mesure donne une information précieuse sur l'état du disjoncteur et permet dans la plus part des cas de vérifier avec exactitude la présence ou non des anomalies. Mais cette mesure précieuse et même essentielle ne révèle pas tous les secrets du disjoncteur. De l'information importante reste toujours à l'abri.

Là où c'est possible, une mesure point par point du mouvement des parties internes du disjoncteur, depuis le début du mouvement jusqu'à l'arrêt final, permet de tracer une courbe appelée COURBE DE DÉPLACEMENT.

Alors que la courbe de temps du contact principal donne l'instant du début du mouvement et l'instant de basculement de contact seulement, l'information révélée par la courbe de déplacement est intéressante car elle nous permet de suivre le déroulement du mouvement du début jusqu'à la fin.
 

 1.2 Fonctionnement à l'ouverture

Un exemple de courbe de déplacement à l'ouverture est tracé à la Fig. 1.2 superposée avec une courbe de temps d'ouverture du contact principal (en rouge).

Figure 1.2 - Courbe de déplacement à l'ouverture

Même si l'allure globale de la courbe en général est la première à vérifier, trois Zones (encerclées sur Fig. 1.2) reçoivent une attention particulière.

1. Zone A : le début du mouvement
2. Zone B : l'instant de la séparation des contacts
3. Zone C : le début du ralentissement jusqu'à l'arrêt final
  

 1.2.1 Zone A : Début du mouvement

C'est la zone où le mouvement commence. Il est extrêmement important de savoir si le mouvement a commencé à la bonne place. A titre d'exemple, Un retard avec la valeur de référence signifie la présence d'un problème, électrique ; si la bobine n'est pas excitée à temps ou mécanique ; quelque part entre le mécanisme de commande où le mouvement est initié et le contact mobile du disjoncteur lui-même.
 

 1.2.2 Zone B : Séparation des contacts

C'est la zone où les contacts principaux se séparent. À cet instant précis l'arc prend naissance et le disjoncteur met ses moyens pour son extinction. La vitesse de séparation prend un aspect important et devient un paramètre primordial pour réussir la coupure.

La méthode de calcul de la vitesse moyenne dans cette zone est propre au concepteur de l'appareil. C'est à lui seul à déterminer la méthode de calcul pour établir la valeur de référence.
 

 1.2.3 Zone C : Ralentissement

C'est la zone où le mouvement décélère jusqu'à l'arrêt complet du contact mobile du disjoncteur.

L'énergie mise en œuvre dans le processus de coupure est d'autant plus importante que le courant à couper est important. Une fois l'interruption du courant et l'extinction de l'arc réussis, l'énergie développée se trouve excessive.

Des moyens efficaces d'amortissement sont alors mis en œuvre pour absorber cet excès d'énergie et réduire le risque d'endommager les parties internes du disjoncteur. L'observation de cette zone permet de vérifier si l'amortissement est optimisé c'est à dire si l'arrêt se fait en douceur.

Un amortissement non suffisant, qu'on appelle sous-amortissement, laisse les parties en mouvement entrer en choc avec la fin de course, produisant des dommages importants.

Un amortissement sec provoque l'absorption de l'énergie cinétique développée par les parties mobiles résultant des dommages similaires au cas précédant, on dit alors qu'on est en sur-amortissement.
  

 1.3 Fonction à la fermeture

Un exemple de courbe de déplacement à la fermeture est tracé à la Fig. 1.3 superposée avec une courbe de temps de fermeture du contact principal (en rouge).

Figure 1.3 - Courbe de déplacement à l'ouverture

Même si l'allure globale de la courbe en général est la première à vérifier, trois Zones (encerclées sur Fig. 1.3) reçoivent une attention particulière.

1. Zone A : le début du mouvement
2. Zone B : l'instant de la fermeture des contacts
3. Zone C : le début du ralentissement jusqu'à l'arrêt final
 

 1.3.1 Zone A : Le début du mouvement

Comme dans le cas de la courbe de déplacement à l'ouverture, c'est la zone où le mouvement commence, et il est extrêmement important de savoir si le mouvement a commencé à la bonne place.
 

 1.3.2  Zone B : L'instant de la fermeture des contacts

C'est la zone où les contacts principaux rentrent en contact. Dans cette zone, appelée également zone de pré-arc, à fur et à mesure que les contacts se rapprochent, le diélectrique, fonction de la distance de séparation, se trouve insuffisant et un courant dit de pré-arc jaillit sous forme d'arc dont la durée est fonction de la vitesse des contacts.

La vitesse est alors un facteur important pour limiter l'usure prématurée des contacts.

Comme dans le cas de l'ouverture, la méthode de calcul de la vitesse moyenne dans cette zone est également déterminé par le concepteur de l'appareil. C'est à lui seul à déterminer la méthode de calcul pour établir la valeur de référence.
  

 1.3.3  Zone C : Ralentissement

C'est la zone où le mouvement décélère jusqu'à l'arrêt complet du contact mobile du disjoncteur.

L'énergie mise en œuvre dans le processus de fermeture est inférieure que celle mise dans le processus de coupure mais reste néanmoins importante.

Un excès d'énergie se traduit par une sur-course qui, si elle dépasse les tolérances permises, peut provoquer des dommages importants à l'apparei.
 

 1.4 Courbe de vitesse

Une courbe dite de vitesse, est calculée par dérivation de la courbe de déplacement à l'aide du logiciel d'analyse, CBAWIN par exemple. La courbe de vitesse donne la vitesse en fonction du temps ce qui permet d'obtenir de nouvelles informations sur le comportement dynamique de l'appareil.
 

 1.5 Courbe d'accélération

De la même façon une courbe d'accélération peut être tracée, par dérivation de la courbe de vitesse, toujours par le biais du logiciel d'analyse CBA, et une autre donnée utile en découle.
 

Pour la réalisation de la courbe de déplacement un montage entre l'appareil CBA32P de ZENSOL et le disjoncteur est nécessaire. Un capteur de déplacement est utilisé pour capter le mouvement du contact mobile. Le logiciel CBA Win traite les données, trace la courbe de déplacement et effectue les divers calculs de vitesse. Pour comprendre le processus, une description sommaire du capteur, de disjoncteur et du CBA-32P dans les lignes suivantes.
 

 2.1 Capteur de déplacement

 2.1.1 Description

Le capteur de déplacement, dans sa forme la plus élémentaire, est composé d'une partie fixe et une autre mobile. La partie mobile est connectée sur le contact mobile du disjoncteur à vérifier et se déplace avec celui-ci alors que la partie fixe constitue la référence.

Plusieurs types de capteurs existent sur le marché. Ils se distinguent par la méthode utilisée pour identifier la valeur relative par rapport à la valeur de référence. A titre d'exemples de capteurs:

- Capteur magnétique
- Capteur optique
- Capteur résistif
- etcétera.

Dans les lignes qui suivent, on va élaborer le capteur résistif qui est le plus populaire. Ce genre de capteur est constitué d'une résistance et un curseur mobile le long de cette résistance. On trouve deux types:

- Le capteur à déplacement linéaire, dit capteur linéaire (Fig. 2.11a)
- Le capteur à déplacement rotatif, dit capteur rotatif (Fig. 2.11b)

La différence entre les deux est par la disposition physique de la résistance de référence et dans la façon dont le curseur se déplace.

Figure 2.11a - Capteur Linéaire

Pour le capteur linéaire, le déplacement du curseur est linéaire en ligne droite, alors que pour le capteur rotatif le déplacement est une rotation.

Figure 2.11b - Capteur rotatif
  

 2.1.2 Fonctionnement

Le capteur vient se fixer solidement au support du disjoncteur, alors que le curseur mobile est solidement lié à la tringlerie de commande du contact mobile.

Une source de tension fixe (E) est connectée aux bornes (1) et (3) Lorsque le disjoncteur est en position FERMÉ, la tension lue entre les bornes (2) et (3) du capteur est (V1), à fur et à mesure que le contact mobile se déplace vers la position OUVERT, la tension lue (Vt) entre (2) et (3) décroît en fonction du temps jusqu'à la valeur (V2) inférieure à (V1) à l'arrêt final du contact du disjoncteur.

Figure 2.1.2 Fonctionnement d'un capteur de déplacement linéaire
  

 2.2 Disjoncteur

 2.2.1 Description

Un disjoncteur haute-tension est composé de deux parties principales:

1. Partie Electrique de puissance (partie active)
2. Partie commande

La première est chargée d'établir ou d'interrompre le courant de puissance dans le circuit haute tension où le disjoncteur est installé. La deuxième est chargée de développer l'énergie nécessaire pour la réalisation de ces opérations.

La liaison entre la commande et la partie active se fait dans la plupart des cas par une tringle isolante, montrée symboliquement en rouge dans la Fig. 2.21.

Figure 2.2.1 Principe du disjoncteur
 

 2.2.2 Partie Electrique de puissance

Cette partie est généralement constituée de trois phases égales. Chaque phase comporte un ensemble contact fixe et un autre ensemble contact mobile. Lorsque les deux ensembles de contacts se touchent, on dit que le disjoncteur est "FERMÉ" et le courant passe dans le circuit de puissance.

Pour interrompre le passage du courant dans le circuit de puissance, l'ensemble contact mobile est déplacé mécaniquement loin de l'ensemble contact fixe et arrêté à une distance suffisante pour assurer l'isolation électrique.

Figure 2.2.2 - Partie électrique de puissance
 

 2.2.3 Partie commande

Cette partie est chargée de bâtir l'énergie nécessaire pour réussir les opérations mécaniques tant à l'ouverture qu'à la fermeture.

3 types de commandes sont populaires dans le monde des disjoncteurs haute-tension:

- Commande pneumatique
- Commande hydraulique
- Commande mécanique à ressort
 

 2.2.3.1 Commande pneumatique

Equipe généralement les disjoncteurs à air comprimé. Ce type de disjoncteur utilise l'air comprimé comme fluide diélectrique et possède des contacts mobiles de type piston.

Une série de valves activées à des moments précis permet d'admettre la pression de l'air comprimé sur un côté du piston ce qui provoque son déplacement sous l'effet de la différence de pression des 2 bords du piston. Le mouvement du contact mobile n'est généralement pas accessible dans ce type de disjoncteur rendant presque impossible l'utilisation des capteurs conventionnels.
 

 2.2.3.2 Commande hydraulique

Ce type de commande possède un réservoir d'énergie, appelé accumulateur, sous forme d'azote sous pression ou des ressorts comprimés par de l'huile hydraulique et une pompe. Le contact mobile du disjoncteur est lié au piston d'un vérin hydraulique puissant par l'intermédiaire d'une tringle isolante.

Un jeu de valves hydrauliques permet l'admission de la pression accumulée préalablement dans les accumulateurs, d'un côté ou l'autre du piston du vérin qui se déplace et le contact mobile dans la direction souhaitée.

Figure 2.2.32 - Commande hydraulique
  

 2.2.3.3 Commande mécanique à ressort

Ce type de commande est le plus demandé pour sa fiabilité démontrée et sa faible fréquence de maintenance périodique.

Elle comporte en général un ressort comprimé pour accumuler l'énergie nécessaire pour la fermeture et un autre ressort destiné à accumuler l'énergie pour l'ouverture.

Le ressort de fermeture (E) est comprimé manuellement, à l'aide d'une manivelle ou, électriquement par le biais d'un moteur électrique. Un jeu de cliquets de verrouillage à la fermeture contrôle l'énergie accumulée dans le ressort de fermeture.

Cette énergie lorsque libérée, par détente du ressort de fermeture, provoque le déplacement du contact mobile vers le contact fixe, par l'entremise des bielles de liaison, et charge simultanément le ressort d'ouverture qui maintient l'énergie ainsi accumulée, par un jeu de cliquets de verrouillage à l'ouverture, pour le prochain ordre d'ouverture.

Figure 2.2.33 - Commande mécanique à ressort
 

 2.3 Choix du capteur

Le but recherché est de reproduire le mouvement exact du contact mobile de la chambre de coupure du disjoncteur qui est, en général, non accessible car le tout est enfermé dans un volume clos. Tandis que le déplacement final de ce contact mobile est toujours linéaire, le mouvement initial qui est généré par le mécanisme de commande n'en est pas toujours pour autant.

Le mouvement initié par le mécanisme de commande peut être rotatif transformé par le biais de jeu de leviers et de tringles de connexion au déplacement linéaire final.

Lorsque le mouvement linéaire du contact est accessible, indirectement, par le biais d'une tringle par exemple Un capteur linéaire peut reproduire fidèlement ce mouvement en se branchant correctement sur la tringle en question. A la figure 2.3a vous trouverez un exemple de mouvement linéaire capter par un capteur linéaire. (Pour un exemple d'un mouvement linéaire accessible).

Figure 2.3a - Exemples de capteurs linéaires

Dans le cas où le seul mouvement accessible est le mouvement de la commande et que celui-ci est rotatif, le mouvement final du contact mobile est acquis en transformant ce mouvement rotatif par l'intermédiaire de divers leviers de connexion de dimensions différents.

Les dimensions des leviers ajoutent des facteurs multiplicatifs qui viennent influencer la courbe recherchée, alors que le mouvement angulaire de ces leviers est toujours le même. Dans ce cas l'utilisation des capteurs rotatifs donne un meilleur résultat.

Une condition s'impose, cependant, c'est de tracer préalablement, lors des essais de conception une courbe de correspondance, point par point entre le mouvement angulaire et le mouvement linéaire.

Un exemple d'utilisation de capteur rotatif est montré à la fig. 2.3b.

Figure 2.3b - Exemples de capteurs rotatifs
 

 2.4 Acquisition et affichage des résultats

L'acquisition et l'affichage des résultats est exécuté par les canaux d'entrée analogique du CBA-32P de ZENSOL (voir Fig. 2.4a).

Chaque voie analogique a trois fils numérotés (1), (2), et (3) sur la prise correspondante

Entre les fils (1) et (3), un signal de CC de 10 volts est produit pendant l'essai. Le signal du capteur de déplacement est mesuré entre (2) et (3), et transmis au logiciel d'analyse de CBA Win, qui dessine la courbe sur l'écran d'ordinateur.

Le figure 2.4b montre un exemple du rapport graphique du of CBA Win, comme on peut le voir sur l'écran d'ordinateur.

Figure 2.4a - L'instrument CBA-32P de Zensol

Figure 2.4b - CBA Win© tel que vu sur l'écran d'ordinateur
 

 2.5 Courbe de déplacement

La courbe de déplacement est généralement tracée avec les millimètres (mm) à l'axe des ordonnées et les millisecondes (ms) à l'axe des abscisses. Des exemples de courbes de déplacement à la fermeture et l'ouverture sont montrés à la Fig. 2.5.

Figure 2.5 - Exemples de courbes de déplacement à la FERMETURE et à L'OUVERTURE
 

 2.5.1 Vitesse

La vitesse des contacts à l'ouverture, comme à la fermeture, est un paramètre important pour le fonctionnement des disjoncteurs haute tension. La courbe de déplacement sert aussi à calculer la vitesse de déplacement des contacts à un instant bien précis qu'on appelle vitesse instantanée à cet instant, ou bien la vitesse moyenne pour un intervalle de temps bien déterminé qu'on appelle la vitesse moyenne.
 

 2.5.2 Courbes de vitesse instantanée

Le logiciel CBA Win affiche une courbe des vitesse instantanées, calculée par dérivation des données recurillies sur une courbe de déplacement. Un exemple de dérivation d'un signal de déplacement (en vert) pour produire un graphique de l'évolution de la vitesse de déplacement (en orange).

 2.5.3 Vitesse moyenne

La vitesse recherchée est généralement à l ‘instant d'entrer en contact (pour une opération de FERMETURE) ou de séparation (pour une OUVERTURE) des contacts du disjoncteur. Mais dû à la difficulté d'obtenir une vitesse stable à chaque manœuvre, on choisit de calculer la vitesse moyenne sur un intervalle de temps autour de ce point.

La méthode précise de calcul doit être obtenue du manufacturier du disjoncteur pour pouvoir comparer les valeurs mesurées par les valeurs de référence du manufacturier.
 

 2.5.4 Exemple de calcul de la vitesse moyenne à l'OUVERTURE

Pour calculer la vitesse moyenne à l'ouverture on détermine le point A sur la courbe de déplacement qui correspond à l'instant de séparation des contacts principaux. dT millisecondes (ms) après le point A on détermine le point B sur la courbe de déplacement.

L'ordonnée du point A = YA mm
L'abscisse du point A = XA ms
L'ordonnée du point B = YB mm
L'abscisse du point B = XB ms

La vitesse moyenne à l'ouverture en mètre par secondes (m/s) est calculée suivant la formule suivante:

Dans ce cas: XB-XA = dT = 100 ms
YA-YB = dY = 223.71 mm, alors:

 2.5.5 Exemple de calcul de la vitesse moyenne à la FERMETURE

Pour calculer la vitesse moyenne à la fermeture on détermine le point A sur la courbe de déplacement qui correspond à l'instant d'entrée en contact des contacts principaux. dT millisecondes (ms) avant le point A on détermine le point B sur la courbe de déplacement.

L'ordonnée du point A = YA mm
L'abscisse du point A = XA ms
L'ordonnée du point B = YB mm
L'abscisse du point B = XB ms

La vitesse moyenne à la fermeture en mètre par secondes (m/s) est calculée suivant la formule suivante:

Dans ce cas: XA-XB = dT = 100 ms
YA-YB = dY = 240.5 mm, alors:

 2.5.6 Précautions générales

Lors de l'installation du capteur et le branchement des différents fils certaines précautions sont à observer:
 

 2.5.6.1 Courbe inversée

En général les courbes de déplacement présentent la position "FERMÉ" plus haut que la position «OUVERT». Pour respecter cette règle il ne faut pas inverser les fils entre les entrées 2 et 3 du capteur, sinon la courbe se présentera inversée (voir fig. 2.5.6a et b).

Figure 2.6.1a - Raccordements causant une courbe inversée de déplacement

 Figure 2.6.1b - Exemple inversé de courbe de déplacement (fermé)
 

 2.5.6.2 Capacité du capteur

Lors de l'installation du capteur il faut s'assurer que le mouvement mesuré ne sera pas plus grand que la capacité du capteur sinon celui ci sera endommagé et la courbe montrée ne représente pas le mouvement réel du disjoncteur. Dans la figure suivante on remarque un cas lorsque le capteur fini sa course avant le disjoncteur à l'ouverture, ceci est démontré par l'angle sec à la fin de course.

 
Fig. 2.6.2 - Exemple d'une courbe de déplacement excédant la gamme d'un capteur