2.1  Description générale

Sa structure se divise, en général, en trois parties majeures:
 

 2.1.1  Partie électrique Active

C'est la partie où le courant est établi ou interrompu dans le circuit principal:
 

 2.1.1.1  Chambre de coupure

 
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.

 2.1.1.2  Résistances d'insertion

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.
 

 2.1.1.2.1  À la coupure

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.
 

 2.1.1.2.2  À la fermeture

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.
 

 2.1.1.2.3  Description

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.
 

 2.1.2  Partie commande

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 :

- Mécanique à ressort
- Hydraulique
- Pneumatique
 

 2.1.3  Partie Contrôle

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.
 

 2.2  Caractéristiques Mécaniques de fonctionnement

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.
 

 2.2.1  Fiabilité

Ils doivent alors être fiables en position statique et efficaces instantanément quand ils sont appelés à opérer après de longues périodes de repos.
 

 2.2.2  Fonctionnement correct

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.
 

 2.2.3  Temps de coupure

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.
 

 2.3  Types de disjoncteurs

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.
 

 2.3.1  Les milieux de coupure

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
 

 2.3.1.1  L'huile minérale

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.
 

 2.3.1.2  L'air comprimé

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, - 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.
 

 2.3.1.3  L'hexafluorure de soufre, SF6

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.
 

 2.3.2  Disjoncteur à l'huile

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.
 

 2.3.2.1  Disjoncteur à gros volume d'huile

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.
 

 2.3.2.2  Disjoncteur à faible volume d'huile

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.
 

 2.3.3  Disjoncteur à air comprimé

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.
 

 2.3.4  Disjoncteur au SF6

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.