Extinction d'arc dans les disjoncteurs : comment la conception des goulottes d'arc contrôle et élimine les arcs

Introduction

L'extinction d'arc dans les disjoncteurs est un processus critique pour garantir la sécurité électrique et la fiabilité du système , en particulier dans les disjoncteurs miniatures (MCB ) utilisés dans les applications basse tension.

Lors d'une interruption de court-circuit , la séparation des contacts génère un arc électrique. Cet arc est très dynamique et influencé par les forces électromagnétiques, la géométrie de la chambre de combustion et la conception des matériaux..

Comprendre comment les chambres de coupure éteignent les arcs est essentiel pour améliorer les performances, la durabilité et la capacité de protection des disjoncteurs..

La physique du mouvement de l'arc dans les disjoncteurs

Une fois l’arc formé, le courant qui le traverse génère un champ magnétique. L'arc se comporte comme un conducteur porteur de courant et est entraîné par la force de Lorentz :

F = je × B

Cette force provoque le déplacement de l'arc, généralement vers la chambre de coupure , où il peut être allongé, refroidi et éteint.

En raison de la répartition non uniforme du champ magnétique , l'arc subit une force directionnelle qui le guide dans la structure de la chambre de combustion.

Conception de goulottes d'arc dans les MCB

La conception de la chambre de coupure est l’un des facteurs les plus importants dans l’extinction de l’arc. Il détermine la manière dont l'arc est capturé, guidé, allongé et segmenté.

Encoche en forme de U et en forme de V (disjoncteurs CA)

Dans les disjoncteurs CA, des encoches en forme de U ou de V sont couramment utilisées à l'entrée de la chambre de coupure.

• Améliorer la capture de l'arc à l'entrée

• Favoriser l'allongement de l'arc

• Activer la division de l'arc entre les plaques séparatrices

Conception de fente centrale

L'ajout d'un emplacement central améliore le contrôle de l'arc :

• Améliore la stabilité du guidage de l'arc

• Assure un allongement contrôlé de l’arc avant le fractionnement

• Fournit des performances constantes dans différentes conditions actuelles

Conception à fentes décalées (disjoncteurs CC)

L’extinction de l’arc CC est plus difficile en raison de l’absence de passage par zéro du courant.

• Force un chemin d'arc en zigzag

• Augmente la longueur et la tension de l'arc

• Favorise la segmentation précoce de l'arc

• Réduit la stabilité de l’arc pour une extinction plus rapide

Forces électromagnétiques et mouvement de l'arc (analyse de simulation)

Les outils de simulation tels qu'ANSYS montrent comment les forces électromagnétiques affectent le comportement de l'arc lors d'une interruption.

Au moment où les contacts se séparent, l'arc subit une force ascendante nette vers l'entrée de la chambre de coupure..

• Les champs magnétiques ne sont pas uniformes en raison de la géométrie des conducteurs et des matériaux ferromagnétiques

• Une densité de flux magnétique plus élevée apparaît près des coudes et de l’entrée de la chambre de combustion

• La force de Lorentz qui en résulte entraîne l'arc dans la chambre de coupure

À mesure que la position de l'arc change :

• La distribution du flux magnétique varie

• Le vecteur force agissant sur l'arc change

Cependant, l’effet global reste cohérent :

L'arc est continuellement entraîné dans la chambre de coupure, où il est allongé et segmenté jusqu'à son extinction.

Validation expérimentale : tests de court-circuit des MCB

Les tests de court-circuit permettent de valider les performances d'extinction d'arc dans les disjoncteurs.

Les mesures typiques incluent :

• Courant de court-circuit

• Tension de rétablissement transitoire (TRV)

• Modèles d'érosion de la chambre de combustion

Résultats des tests clés

• Temps de coupure : 3,0 ms, courant : 3670 A
  → Énergie d'arc élevée, fortes oscillations, érosion sévère

• Temps de coupure : 3,0 ms, courant : 2790 A
  → Transfert d'arc et segmentation fréquents, érosion localisée

• Temps de coupure : 2,8 ms, courant : ~2790 A
  → Comportement de l'arc plus doux, érosion plus uniforme

• Temps de coupure : 3,0 ms, courant : 2810 A
  → Fixation d'arc stable, TRV minimale, érosion contrôlée

Points clés à retenir sur l'extinction des arcs dans les disjoncteurs

• La conception de la chambre de combustion a un impact direct sur les performances d'extinction de l'arc

• Le comportement de l'arc est contrôlé à la fois par la géométrie et par les forces électromagnétiques

• Les encoches U/V, les fentes centrales et les fentes décalées remplissent différents rôles

• La simulation et les tests améliorent ensemble l'efficacité et la fiabilité de la conception des disjoncteurs.