Disjoncteur à haute tension

Brevet de disjoncteur à eau et huile, déposé en 1923

La coupure dans l’huile s’est imposée en haute tension après avoir été développée en moyenne tension (ou Haute tension A). Sous l’action de l’arc électrique, l’huile est décomposée, plusieurs types de gaz sont produits (essentiellement de l’hydrogène et de l’acétylène) lors de cette décomposition. L’énergie de l’arc est utilisée pour décomposer et évaporer l’huile, ceci permet de refroidir le milieu entre les contacts et par suite d’interrompre le courant à son passage par zéro.

Les premiers disjoncteurs à huile avaient des contacts de coupure qui étaient plongés dans de l’huile contenue dans une cuve métallique au potentiel de la terre, d'où leur nom de Dead tank[7]. Ils sont appelés « disjoncteurs à gros volume d’huile ». Certains sont toujours en service actuellement, par exemple aux États-Unis.

Par la suite, dans les années 1950, les « disjoncteurs à faible volume d’huile » ont été conçus pour réduire la quantité d’huile nécessaire et surtout limiter le risque d’incendie inhérent aux disjoncteurs à gros volume d’huile. L’arc se développe dans un cylindre isolant afin de limiter sa longueur et de contrôler autant que possible l’énergie contenue dans l’arc. Cette énergie est utilisée pour générer le soufflage par vaporisation de l’huile comme expliqué précédemment. Cette technique que l’on appelle par « auto-soufflage » sera reprise plus tard pour les disjoncteurs à SF₆. Elle a été appliquée pour des tensions assignées atteignant 765 kV et des courants de défaut très élevés, pouvant atteindre 50 kA[8].

Ces disjoncteurs avaient pour principaux inconvénients de nécessiter de nombreux éléments de coupure en série (pour tenir la tension), et de nécessiter un entretien important et délicat (remplacement de l’huile usagée). Ils ont été supplantés par les disjoncteurs à SF₆ qui nécessitent peu de maintenance et ont une longue durée de vie.

Ampoule à vide pour disjoncteur à moyenne tension

Les premières recherches et brevets sur les ampoules (interrupteurs) à vide ont été faites par le California Institute of Technology vers 1926. Les premières applications industrielles ont été réalisées à la fin années 1950 lorsque les difficultés technologiques de mise en œuvre furent résolues, notamment la garantie d'un vide poussé pendant au moins vingt ans, ce qui nécessite une étanchéité parfaite de l'ampoule[9].

Dans un disjoncteur à vide, l'arc est alimenté par les particules issues des contacts. La haute tenue diélectrique obtenue dans un vide poussé permet de tenir la tension transitoire de rétablissement entre contacts après interruption du courant. Le passage du courant dans des contacts de forme appropriée engendre un champ magnétique qui entraîne la rotation de l'arc et évite que ce dernier reste attaché sur la même surface de contact. Il est ainsi possible d'éviter la fusion des contacts d'arc et une production excessive de particules métalliques qui aurait limité la tenue de la tension après l'interruption du courant.

Actuellement des disjoncteurs intégrant des ampoules à vide sont en service jusqu’à 84 kV, au Japon[2], le pouvoir de coupure d'un disjoncteur à vide peut atteindre 63 kA[10]. Des recherches sont en cours pour développer des ampoules à vide de tension supérieure[11].

Disjoncteur à air comprimé

Le gaz contenu dans les disjoncteurs à air comprimé est maintenu sous haute pression (20 à 35 bars) à l’aide d’un compresseur. Cette haute pression permet d’assurer la tenue diélectrique et de provoquer le soufflage de l’arc pour la coupure[12].

Le soufflage intense exercé dans ces disjoncteurs a permis d’obtenir de très hautes performances (courant coupé jusqu’à 100 kA sous haute tension) et avec une durée d’élimination du défaut très courte permettant d’assurer une bonne stabilité des réseaux en cas de défaut.

Ils ont eu longtemps le monopole des très hautes performances et furent pendant les années 1960 et 1970 utilisés de préférence dans les réseaux à très haute tension, en particulier en Amérique du Nord.

Un défaut des disjoncteurs à air comprimé est leur bruit très important à l'ouverture. De plus, ils nécessitent un entretien périodique, en particulier de leurs compresseurs, ceci explique qu’ils ont été progressivement supplantés par une autre génération de disjoncteurs, celle des disjoncteurs à SF₆ (ou hexafluorure de soufre).

À noter que la technique à air comprimé est la seule qui permette encore aujourd’hui d’atteindre les pouvoirs de coupure les plus élevés (275 kA sous 36 kV) qui sont exigés pour les disjoncteurs de générateurs[13].

L'utilisation du gaz SF₆ pour l'isolation a été brevetée aux États-Unis par Franklin Cooper de General Electric en 1938[14], et son utilisation pour l’interruption d’un courant a été revendiquée aussi en 1938 dans un brevet allemand par Vitaly Grosse de AEG (Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft).

La première application industrielle du gaz SF₆ pour la coupure date de 1953, elle a été faite par Westinghouse pour des interrupteurs en charge à haute tension 15 kV à 161 kV avec un pouvoir de coupure de 600 A[15].

La première réalisation d'un disjoncteur à gaz SF₆ haute tension a été faite en 1956 par Westinghouse mais le pouvoir de coupure était alors limité à 5 kA sous 115 kV (1 000 MVA) et cet appareil devait avoir de nombreux éléments de coupure en série par pôle pour assurer les performances (six chambres de coupure en série).

Dans le même temps, en 1957, les Ateliers de Constructions Électriques de Delle ont réalisé un disjoncteur 23 kV 250 MVA pour cellules de distribution, puis un disjoncteur à cuve mise à la terre (dead tank) pour une locomotive 25 kV d'une puissance apparente de 200 MVA[16].

Il faut attendre 1959 pour voir la production par Westinghouse du premier disjoncteur à gaz SF₆ à grand pouvoir de coupure : 41,8 kA sous 138 kV (10 000 MVA) et 37,6 kA sous 230 kV (15 000 MVA)[17]. Ce disjoncteur tripolaire comprenait trois chambres de coupure en série par pôle. Il fonctionnait avec une pression SF₆ de 13,5 bar relatifs (au-dessus de la pression atmosphérique) pour le soufflage et de 3 bar relatifs pour assurer la tenue diélectrique. De bonnes performances électriques étaient obtenues grâce aux hautes pressions utilisées ; cependant, ces appareils présentaient un risque de liquéfaction du SF₆ pour des températures inférieures à 5 °C. Pour certains climats, il fallait donc prévoir un maintien en température du réservoir haute pression.

Les très bonnes propriétés électriques du SF₆ ont entraîné la mise à l'échelle de la fabrication du SF₆ au cours des années 1960 et son utilisation pour le développement de disjoncteurs à fort pouvoir de coupure à des tensions assignées de plus en plus élevées. Depuis 2009 en Chine, des disjoncteurs à haute tension à gaz SF₆ ont été conçus pour des tensions assignées allant jusqu'à 800 kV[18], puis 1 100 kV[19].

Le développement des réseaux haute tension et la nécessité de faire pénétrer ces réseaux à l'intérieur des agglomérations et des zones industrielles ont entraîné la conception de nouveaux types de postes à haute-tension à encombrement réduit du type « blindé » ou « sous enveloppe métallique ». Pour assurer l’isolement, l’air d'origine naturelle a été remplacé par du SF₆, qui possède de très bonnes propriétés diélectriques, ce qui a permis de réduire fortement l’encombrement de l’appareillage à haute-tension.

L'application de cette technique en haute tension a permis de réaliser dès 1966 le premier poste sous enveloppe métallique comme prototype expérimental à 220 kV, installé au Plessis-Gassot (près de Paris), et le premier disjoncteur sous enveloppe métallique en 1967 à Levallois-Perret, puis en 1969 au poste de Vaise (Lyon, France)[15].

Dans les dernières années, les fournisseurs d'électricité multiplient les efforts pour diminuer l'utilisation du gaz SF₆ comme milieu isolant pour les disjoncteurs à haute tension. Étant donné le pouvoir de réchauffement planétaire (PRP) du gaz SF₆ qui est plus de 23 000 celui du dioxyde de carbone, de nouveaux postes sous enveloppe métallique sont conçus pour fonctionner avec des gaz d'origine naturelle comme le diazote, principalement pour des raisons environnementales. Dans ce mouvement, le poste électrique à 110 kV Virkkala en Finlande est actuellement en cours de modernisation pour utilisation de milieux isolants sans gaz à effet de serre nocif.

Figure 1 : Principe des disjoncteurs autopneumatiques

Le principe du soufflage autopneumatique s’est développé au cours des années 1970 et au début des années 1980 pour répondre aux spécifications les plus exigeantes et développer des appareils de plus en plus performants[15].

La figure 1 rappelle de manière schématique le principe de fonctionnement de ces appareils.

Lorsque le disjoncteur est en position "fermé", le courant transite par des contacts dits "permanents" qui sont situés sur le diamètre extérieur de la partie active. Lors d'un déclenchement du disjoncteur, la partie mobile se déplace vers le bas, entraînant la séparation des contacts permanents. Le courant passe alors par une autre série de contacts, appelés "contacts d'arc". Quand la partie mobile a fait une course suffisante, les contacts d'arc se séparent, ce qui provoque l'amorçage d'un arc entre ces contacts. Les contacts d'arc sont réalisés avec des matériaux à base de tungstène de manière à pouvoir supporter sans dommage les effets de l'arc électrique.

Pendant la manœuvre d'ouverture, le disjoncteur produit lui-même la compression du gaz nécessaire au soufflage de l'arc. Le déplacement relatif du cylindre de soufflage par rapport au piston fixe crée une surpression dans le cylindre qui s’évacue à l’intérieur de la buse et refroidit l’arc, permettant ainsi son extinction.

La mise au point de nouvelles générations de disjoncteurs SF₆ très performantes a entraîné dans les années 1970 la suprématie des appareils SF₆ dans la gamme 7,2 kV à 245 kV.

À partir de 1983, la réalisation des disjoncteurs 245 kV mono-coupure (avec un élément de coupure par pôle), et des appareils correspondants 420 kV, 550 kV et 800 kV, a conduit à la domination de la technique SF₆ dans l'ensemble de la gamme haute tension[15].

Disjoncteur 115 kV au Canada

Sur le plan technique, plusieurs caractéristiques des disjoncteurs SF₆ peuvent expliquer leur succès :

• la simplicité de la chambre de coupure qui ne nécessite pas de chambre auxiliaire pour la coupure (contrairement aux appareils plus anciens à air comprimé) ;
• l'autonomie des appareils apportée par la technique autopneumatique (sans compresseur de gaz) ;
• la possibilité d'obtenir les performances les plus élevées, jusqu’à 63 kA, avec un nombre réduit de chambres de coupure : une seule chambre est nécessaire en 245 kV, une ou deux en 420 kV et 550 kV, généralement quatre en 800 kV ;
• une durée d’élimination de défaut courte, de 2 à 2,5 cycles en très haute tension ;
• une grande endurance électrique qui permet de garantir une durée de vie d'au moins 25 ans ;
• une réduction de l'encombrement possible avec les postes sous enveloppe métallique ;
• la possibilité d'équiper les chambres de résistances de fermeture ou d’effectuer des manœuvres synchronisées afin de limiter les surtensions pendant les manœuvres en très haute tension ;
• la sécurité de fonctionnement ;
• un faible niveau de bruit.

Au début des années 1980, une nouvelle génération de disjoncteurs SF₆ à très haute tension a été développée, avec une géométrie simplifiée qui intègre un inséreur de résistance de fermeture dans la chambre de coupure. Dans ce cas, la résistance est située à l’extrémité de la chambre, à l’intérieur d’une enveloppe métallique mais isolée de celle-ci par le SF₆ contenu dans le pôle (figure 2). Cette résistance sert à limiter les surtensions sur le réseau pendant l'enclenchement ou le ré-enclenchement de longues lignes à très haute tension.

La réduction du nombre de chambres de coupure a entraîné une grande simplification des appareils par la diminution du nombre de pièces en mouvement, du nombre de joints d'étanchéité, etc. Il en a donc résulté une amélioration de la fiabilité des appareils qui est venue s'ajouter à l'augmentation du pouvoir de coupure.

Figure 3 : Principe des disjoncteurs à autosoufflage

La période 1984–2000 a été marquée par le fort développement des moyens de calcul et de modélisation des disjoncteurs SF₆[15]. Grâce à l'utilisation de ces moyens, de nouveaux appareils à faible énergie de manœuvre ont été développés.

Les disjoncteurs à autosoufflage sont caractérisés par l'utilisation importante de l'énergie d'arc pour la coupure : le soufflage par autosoufflage s'est substitué en grande partie au soufflage autopneumatique pour la coupure des forts courants. La coupure des courants faibles est toujours obtenue par un soufflage autopneumatique, l'énergie de l'arc n'étant pas suffisante pour contribuer au soufflage.

La figure 3 montre que pendant la phase de fort courant, l'arc amorcé entre les contacts (7) et (8) transmet une grande partie de son énergie au volume d'expansion thermique Vt. Au passage par zéro du courant, la surpression ainsi créée se vidange à travers la buse isolante (9) et à l'intérieur du contact mobile (7). Ce double soufflage permet de refroidir et d'interrompre efficacement l'arc. Pour la coupure des courants faibles un soufflage autopneumatique d'appoint est effectué dans le volume Vp, le gaz comprimé venant souffler l'arc par l'intermédiaire du volume Vt.

Figure 4 : Principe des disjoncteurs à autosoufflage et double volume

Une évolution des chambres de coupure à autosoufflage a consisté à introduire un clapet (V) entre le volume d'expansion et le volume de compression. Ce principe est illustré par la figure 4.

En coupure de faibles courants le clapet s'ouvre sous l'effet de la surpression générée dans le volume de compression. Le soufflage de l'arc s'effectue comme dans un disjoncteur autopneumatique grâce à la compression de gaz.

Dans le cas d'une coupure de forts courants, l'énergie d'arc produit une forte surpression dans le volume d'expansion, ce qui entraîne la fermeture du clapet (V) et isole le volume d'expansion par rapport au volume de compression. La surpression nécessaire à la coupure est obtenue par une utilisation optimale de l'effet thermique et de « l'effet bouchon » qui se produit lorsque la section de l'arc réduit de manière significative l'échappement du gaz dans la buse.

Figure 5 : Disjoncteur à autosoufflage à double mouvement des contacts

Pour éviter une consommation excessive d’énergie par compression de gaz, une soupape limite la surpression dans le volume de compression à la valeur nécessaire pour la coupure des faibles courants de court-circuit.

Une évolution plus récente des chambres de coupure à autosoufflage a consisté à réduire l'énergie cinétique qui doit être fournie par l'organe de manœuvre pendant l'ouverture du disjoncteur. Ceci est obtenu en déplaçant les deux contacts d'arc en sens opposé, de sorte que la vitesse de chaque partie mobile est la moitié de celle d'un appareil classique. Dans cette configuration, la masse en mouvement est augmentée mais l'énergie de manœuvre est notablement réduite étant donné que l'énergie cinétique varie comme le carré de la vitesse. Ce principe est illustré par la figure 5.

Le principe de coupure à autosoufflage a permis d’utiliser des commandes à ressorts de faible énergie pour la manœuvre des disjoncteurs haute tension[20]. Les appareils à autosoufflage ont remplacé les appareils autopneumatiques pendant les années 1990-2003, tout d'abord en 72,5 kV, puis de 145 kV à 800 kV.

Le nombre de producteurs majeurs de disjoncteurs à haute tension est relativement faible car de nombreux regroupements / acquisitions ont été faits dans les années 1990/2000. Pour la transmission d'énergie, les principaux producteurs sont : ABB, Alstom Grid, Siemens, Toshiba, Mitsubishi et HVB AE Power Systems (ex Hitachi). Dans le domaine de la distribution d'énergie il faut ajouter essentiellement Schneider Electric et Eaton/Cutler-Hammer.

Dans la haute tension B, les utilisateurs sont essentiellement des entreprises productrices d'électricité comme EDF ou de transport de l'énergie électrique comme RTE. Des regroupements se sont produits entre utilisateurs d'appareils à haute tension à la suite de la libéralisation du marché de l'énergie électrique, plusieurs marchés nationaux sont restés traditionnellement dominés par quelques sociétés d'État. Parmi les principaux utilisateurs, on peut aussi citer : RWE et E.ON en Allemagne, Tokyo Electric Power au Japon, State Grid Corporation of China[25] en Chine, Power Grid Corporation of India en Inde, Enel et Terna en Italie, Edelca au Venezuela, Furnas au Brésil, ESCOM en Afrique du Sud, Hydro-Québec et BC Hydro[26] au Canada et AEP[27], Tennessee Valley Authority, Bonneville Power Administration (BPA) aux États-Unis[28].

La situation est sensiblement différente dans la haute tension A avec aussi de grandes sociétés de distributions d'électricité, e.g. EDF, mais aussi de nombreux industriels qui sont alimentés sous une tension de 10 à 22 kV, ou plus rarement en haute tension B. Les entreprises ferroviaires sont aussi d'importants utilisateurs d'appareillage électrique à haute tension.

C'est en Chine que la consommation d'électricité et par suite les besoins en puissance installée et en disjoncteurs à haute tension augmentent le plus rapidement ; la puissance installée est de 600 000 MW (mégawatts) en 2006 et devrait atteindre 1 300 000 MW en 2020[29]. À titre de comparaison une tranche de centrale nucléaire fournit environ 1 200 MW. Pour faire face à l'augmentation de leur consommation et transporter l'énergie électrique sur de grandes distances, la Chine a mis en service dès 2009 un réseau à ultra haute tension 1 100 kV[30].

L'Inde sera aussi à l'avenir un marché très important en volume pour les disjoncteurs à haute tension, ce pays prévoit un fort développement de son réseau 800 kV et vers 2013 la mise en service d'un réseau 1 200 kV[31].

• Appareillage électrique à haute tension
• Tension transitoire de rétablissement

• Disjoncteurs SF₆ - évolution de 1959 à 1994 ; Denis Dufournet, Revue Générale de l'Électricité - mai 1994, n^o 5
• Un nouvel agent d'extinction pour l'appareillage d'interruption ; Browne Jr (T.E.), Leeds (W.M.) ; CIGRE Session 1960, Rapport n^o 111
• Contribution au développement de l'appareillage à hexafluorure de soufre ; Jacques Vigreux ; Bulletin de la société Française des Electriciens, octobre 1962
• Interrupteurs à haute tension à hexafluorure de soufre ; Leeds (W.M.), Friedrich (R.E.), Wagner (C.L.) ; CIGRE Session 1966, rapport n^o 117
• Évolution des disjoncteurs des réseaux de transport, Eugène Maury ; Revue Générale de l'Électricité, septembre 1971
• Conception et évolution des disjoncteurs haute et moyenne tension ; Edmond Thuries, Denis Dufournet ; Revue Générale de l'Électricité, n^o 11, décembre 1992

• (en) Norme CEI pour l'appareillage électrique
• (en) Comité IEEE pour l'appareillage électrique
• (en) Tutorial AC HV Circuit Breakers - Dufournet 2017-10