Beveiliging door
LS-vacuümschakelaars
Onverwachte voordelen
Het openen van een elektrische
keten gaat steeds gepaard met het optreden van een elektrische boog, of ten
minste van een vonk. Maar de aanwezige gassen worden geïoniseerd en staan een
vlot uitdoven in de weg. Een vacuumschakelaar biedt hier een efficiënte
oplossing. Daarenboven is deze schakelaar bijzonder bedrijfszeker. Een
succesnummer in de laagspanningstoekomst ?
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française
Het kernprobleem bij het
onderbreken van een elektrische keten is de boogvorming. De meest logische
remedie tegen die boogvorming is het het doen verdwijnen van deze boog. Maar in
een keten is de elektromagnetische energie opgestapeld in het veld en deze
energie kan niet ogenblikkelijk naar nul herleid worden. Het ontstaan van de
boog kan als volgt beschreven worden : op het ogenblik dat de contacten
beginnen te scheiden ontstaan er sterke lokale verhittingen die stralingsbronnen
worden van thermo-ionische elektronen. Onder invloed van het elektrisch veld
tussen de contacten worden de elektronen versneld. De elektronensnelheid wordt
zo groot dat de atomen in het onderbrekingsmilieu geïoniseerd worden. Zo
ontstaat een boog.
Uitdoven
Om die boog zo snel mogelijk uit te doven moeten we de ontstaansoorzaken tegen
gaan. Zo kan door het gebruik van wolfram of molybdeen de thermische ionisatie
verminderd worden. Ook kan de ionisatie van het medium beperkt worden door het
inbrengen van een niet-geïoniseerd gas, door het verlagen van de temperatuur en
door het verhogen van de druk. Het is immers zo dat volgens de « wet van
Paschen » een gas betere diëlektrische eigenschappen krijgt bij stijgende
druk : de ontsteekspanning is evenredig met het product van druk en
elektrodenafstand.
De spanning over de boog kent een grillig verloop : de spanning hangt
immers af van de grootte van de stroom, de toestand van de gaskolom en de de
afstand tussen de contacten. De boogspanning doet de stroom dalen, verbetert de
arbeidsfactor en vervormt de stroomgolf in de buurt van de nuldoorgang.
De boog veroorzaakt op korte tijd een grote hoeveelheid warmte. Nadelen van deze
warmtedissipatie zijn een verhoging van de thermische ionisatie, de degradatie
van de diëlectrica, een plotse drukverhoging (ontploffingsgevaar) en aantasting
van de contacten.
Het onderbrekingsmilieu vormt dus een cruciale factor bij de keuze van een
schakelaar. Het meest eenvoudige medium is lucht, met als variatie perslucht.
Verder gebruikt men speciale gassen en olie. Maar wanneer we elk denkbaar medium
verwijderen bekomen we vacuüm. En deze techniek biedt verschillende voordelen.
Zoals perfectie niet van deze wereld is, zo bevat een goed technisch vacuüm
toch nog een paar miljard atomen per cm³. Maar de gemiddelde vrije weglengte
van de elektronen is gestegen tot ongeveer 5 km. Dit betekent dat men niet meer
kan spreken van stootionisatie en dat de wet vaan Paschen niet meer van
toepassing is. Het fenomeen van de boog in dit moleculaire gas moet dus anders
verklaard worden.
Men heeft vastgesteld dat de geleiding voor kleine stromen (minder dan 100A)
voor 1% bestaat door ionen, voor 9% door metaaldamp en voor 90% door vrije
elektronen. De elektroden blijven bij deze kleine stroom koud en de boogspanning
is slechts een functie van het soort metaal : 21V voor koper, 26V voor
wolfram, enz. De boog vertoont een sterk dalende karakteristiek en is dus
stabiel.
Bij grotere stromen (tot 10 kA) ontstaan er meervoudige bogen. Merkwaardig
genoeg ondervinden deze stroombanen een onderlinge afstotende kracht en bewegen
ze naar buiten toe. Door de langere weg stijgt de boogspanning sterk en warmen
de contactvlakken op. Hierdoor krijgen we onvermijdelijk metaaldampen die
bijdragen tot de samenstelling van plasma.
Wanneer de stromen nog groter worden ontstaat er een brede zuil en een dichte
metaaldamp. De stroom valt bij de eerste nuldoorgang stil en komt niet meer op
omdat de metaaldamp binnen enkele microseconden gecondenseerd is.
Eén van de grote voordelen van vacuümschakelaars is de stroomonafhankelijke
tijdsduur van een onderbreking, zodat de boog steeds na de eerste stroomdoorgang
uitdooft. Dit betekent dat de schakelaar zeer snel opnieuw gesloten kan worden.
Maar bij het beëindigen van de boogstroom rijst het gevaar van
overspanningen : in een inductieve keten veroorzaakt de grote
stroomverandering (ongeveer 200 A/µs) hoge waarden in de factor di/dt van de
formule der inductiespannigen (e = L. di/dt).
Een ander voordeel van de vacuümschakelaar is zijn hoge betrouwbaarheid en
lange levensduur. Een indicatie hiervoor is de MTTF, of « Mean Time To
Fail ». Momenteel ligt deze tijd in de buurt van 2000 jaar, wat betekent
dat een vacuümschakelaar gedurende heel zijn leven onderhoudsvrij is. De
elektrische levensduur omvat ongeveer 2 miljoen schakelingen wat beduidend meer
is dan het aantal van een gewone luchtschakelaar.
Vermits er geen schadelijke en hete gassen vrijkomen is de veiligheid ten
opzichte van mensen sterk toegenomen. Ook op milieugebied is de afwezigheid van
die gassen een belangrijke factor. Bijkomend voordeel is dat er ook geen
schadelijke aantastingen van de contactoppervlakken kunnen ontstaan. Verder is
er geen brand- of explosiegevaar, daar er geen vlam ontstaan is. Tenslotte is de
geluidsproductie zeer laag. De contacten vergen geen onderhoud en blijven dus
voor de levensduur van de schakelaar in het afgesloten vacuüm.
Overspanningsbeveiliging
Onvermijdelijk wekken de schakelingen overspanningen op. Om die reden moet
men parallel op de hoofdstroomkring een overspanningsbegrenzer plaatsen. Zoals
we op het schema van een Siemensvacuümschakelaar kunnen zien bestaat deze uit
een RC-varistor. De stijgsnelheid van de spanning blijft tot op een
niet-kritische waarde beperkt. Vooral wikkelingen van motoren zijn gebaat bij
een begrensde stijgsnelheid van de overspanning. De varistor beschermt de
condensator voor overspanningspieken. De overspanningsbeveiliging is aan één
zijde van de schakelaar gemonteerd en dit moet de kant van de verbruiker zijn.
Men moet daar bij het installeren op letten.
De overspanningen die door frequentie-omvormers worden opgewekt kunnen de
RC-varistorkring toch vernietigen. In die gevallen moet men een andere soort
bescherming kiezen.
Vermogenschakelaars
De elektrische levensduur van vermogenschakelaars is eveneens merkbaar hoger
dan die van luchtschakelaars. Een nominale stroom kan tot 30000 keer geschakeld
worden en een kortsluitstroom kan 30 keer onderbroken worden. Figuur 2 geeft de
doorsnede van de schakelbuis van een vermogenschakelaar weer. Van boven naar
onder zien we het beweegbaar schakelstuk, de geleidingslager, de metaalbalg, de
vacuümkamer, de contacten, keramische isolatie en het vaste schakelstuk.
Het is niet nodig om een bepaalde tussenruimte te voorzien ten opzichte van
andere toestellen. Ze kunnen derhalve zonder probleem in een MCC (Motor Control
Center) ondergebracht worden.
Besluit
Ook bij schakelen en beveiligen in laagspanning kunnen vacuümtoestellen
goede diensten leveren. Ze zijn weliswaar duurder dan de klassieke types maar
bieden ten opzichte van het milieu onmiskenbare voordelen. Ook is hun
bedrijfszekerheid maximaal, en gezien hun levensduur uitzonderlijk groot is,
zullen ze niet snel in de vergeetput terecht komen. In zekere zin betekent het
« niets » dat vacuüm in feite is betekent « zeer veel »
voor een schakelaar !
Herman Paternoster
Protection
par des commutateurs de vide BT
Avantages inattendus
L’ouverture d’une chaîne
électrique s’accompagne toujours de l’apparition d’un arc électrique ou,
du moins, d’une étincelle. Les gaz présents sont cependant ionisés et
empêchent une extinction rapide. Un commutateur de vide offre dès lors une
solution efficace. Ce commutateur est, en outre, particulièrement fiable. Un
grand succès pour l’avenir de la basse tension ?
Le principal problème dans l’interruption
d’une chaîne électrique est la formation d’un arc. Le remède le plus
logique contre cette formation d’arc est d’assurer la disparition de l’arc.
Dans une chaîne, l’énergie électromagnétique est toutefois accumulée dans
le champ et cette énergie ne peut pas être instantanément réduite à zéro.
L’apparition d’un arc peut être décrite comme suit : au moment où
les contacts commencent à se séparer apparaissent d’importants
réchauffements locaux qui deviennent des sources de rayonnement d’électrons
thermoioniques. Les électrons sont accélérés sous l’influence du champ
électrique entre les contacts. La vitesse des électrons devient tellement
importante que les atomes dans l’environnement de l’interruption sont
ionisés. C’est ainsi qu’apparaît un arc.
Extinction
Pour éteindre cet arc le plus vite possible, nous devons nous attaquer aux
causes et aux origines. C’est ainsi que l’utilisation de tungstène ou de
molybdène réduit l’ionisation thermique. L’ionisation du support peut
également être limitée par l’apport d’un gaz non ionisé, par la
réduction de la température et par l’accroissement de la pression. N’oublions
pas que, selon la « loi de Paschen », un gaz acquiert de meilleures
caractéristiques diélectriques en fonction de l’augmentation de la
pression : la tension d’amorçage est proportionnelle au produit de la
pression et de la distance des électrodes. La tension d’un arc connaît un
déroulement plutôt capricieux : la tension dépend, en effet, de l’importance
du courant, de l’état de la colonne gazeuse et de la distance entre les
contacts. La tension de l’arc fait réduire le courant, améliore le facteur
de puissance et déforme l’onde du courant dans les environs du passage zéro.
L’arc provoque une grande quantité de chaleur en un laps de temps très
réduit. Les inconvénients de cette dispersion de chaleur sont un accroissement
de l’ionisation thermique, la dégradation de la diélectrique, une brusque
augmentation de la pression (danger d’explosion) et une dégradation des
contacts. Le milieu d’interruption représente donc un facteur crucial dans le
choix d’un commutateur. Le support le plus simple est l’air, avec l’air
comprimé comme variante. On utilise également des huiles et des gaz spéciaux.
Mais lorsque nous éliminons tous les supports imaginables, nous obtenons un
vide. Cette technique offre différents avantages. Tout comme la perfection n’est
pas de ce monde, un bon vide technique comprend tout de même encore quelques
milliards d’atomes au cm³. La moyenne de la longueur de voie libre pour les
électrons s’est toutefois accrue jusqu’à environ 5 km. Cela signifie que
nous ne pouvons plus parler d’ionisation de choc et que la loi de Paschen n’est
plus d’application. Nous devons donc trouver une autre explication au
phénomène de l’arc dans ce gaz moléculaire. On a constaté que la
conduction pour les courants réduits (moins de 100A) est composée de 1% d’ions,
de 9% de vapeurs métalliques et de 90% d’ions libres. Avec un courant
pareillement réduit, les électrodes restent froides et la tension de l’arc
ne sera qu’une fonction du type de métal : 21V pour le cuivre, 26V pour
le tungstène, etc. L’arc affiche une caractéristique en forte décroissance
et est donc stable. Dans le cas de courants plus importants (jusqu’à 10 kA)
apparaissent des arcs multiples. Curieusement, ces circuits éprouvent une force
mutuelle repoussante et se meuvent donc vers l’extérieur. Le trajet plus long
fait que la tension de l’arc augmente considérablement et les surfaces de
contact se réchauffent. Ceci provoque inévitablement des vapeurs métalliques
qui contribuent à la composition de plasma. Lorsque les courants croissent
encore, nous voyons apparaître une large colonne et une vapeur métallique
dense. Le courant s’arrête lors du premier passage zéro et n’est plus
généré puisque les vapeurs métalliques sont condensées endéans quelques
microsecondes.
L’un des avantages principaux des commutateurs sous vide est la durée d’interruption
qui est totalement indépendante du courant. De cette façon, l’arc s’éteint
toujours après le premier passage du courant. Cela signifie que le commutateur
peut être refermé très rapidement. Lors de l’interruption du courant de l’arc
apparaît toutefois le risque de surtensions : dans une chaîne inductive,
la variation importante de courant (environ 200 A/µs) provoque des valeurs
élevées dans le facteur di/dt de la formule des tensions d’induction (e =
L.di/dt). Un autre avantage de ce commutateur sous vide est sa grande fiabilité
et sa longévité considérable. Le MTTF ou « Mean Time To Fail »
fournit une indication dans ce sens. Actuellement, le MTTF se situe dans aux
alentours de 2000 ans ce qui signifie qu’un commutateur sous vide sera exempt
d’entretien pendant toute sa durée de vie. La longévité électrique est d’environ
2 millions de commutations ce qui est nettement supérieur au nombre de
commutations d’un commutateur à air ordinaire.
Comme il n’y a aucune libération de gaz nocifs et chauds, la sécurité
vis-à-vis des utilisateurs s’est très nettement améliorée. Au niveau
environnemental, cette absence de gaz représente également un facteur
important. Un avantage supplémentaire est l’absence de dégradations
préjudiciables aux surfaces de contact. Comme il n’y a pas de flamme, il n’existe
pas non plus de risques d’incendie ou d’explosion. La production sonore est
finalement très basse. Les contacts ne demandent aucun entretien et restent
dès lors dans le vacuum fermé pendant toute la longévité du commutateur.
Sécurité de surtension
Les commutations provoquent inévitablement des surtensions. C’est pour
cette raison qu’il faut placer un limiteur de surtension parallèlement au
circuit principal. Comme nous pouvons le voir sur le schéma du commutateur sous
vide de Siemens, celui-ci consiste en une varistance RC. L’accélération de
la tension est limitée à une valeur non critique. Ce sont surtout les
bobinages des moteurs qui retirent des bénéfices d’une accélération
limitée de la surtension. La varistance protège le condensateur contre des
crêtes de surtension. La sécurité contre les surtensions est montée sur l’une
des faces du commutateur qui doit obligatoirement se trouver du côté de l’utilisateur.
Il faut y veiller lors de l’installation. Les surtensions qui sont générées
par des transformateurs de fréquence peuvent toutefois détruire le circuit de
la varistance RC. Dans ces cas, il convient de choisir un autre type de
protection.
Commutateurs de puissance
La longévité électrique des commutateurs de puissance est également
sensiblement plus élevée que celle des commutateurs à air. Un courant nominal
peut être commuté jusqu’à 30000 fois et un courant de court-circuit peut
être interrompu 30 fois. La figure 2 reproduit la coupe transversale de la
colonne de commutation d’un commutateur de puissance. De haut en bas, nous
distinguons la pièce de commutation, le support de conduction, le soufflet
métallique, la chambre du vacuum, les contacts, l’isolation en céramique et
la pièce de commutation fixe. Il n’est pas nécessaire de prévoir un certain
espace par rapport à d’autres appareils. Ils peuvent donc sans aucun
problème être incorporé dans un MCC (Motor Control Center).
Conclusion
Les appareils sous vide peuvent également rendre des services appréciables
dans les commutations et la sécurisation à basse tension. Bien que plus chers
que les types classiques, ils offrent des avantages indéniables par rapport à
l’environnement. Leur fiabilité est maximale et, compte tenu de leur
longévité exceptionnellement importante, ils ne se retrouveront pas de sitôt
aux oubliettes. Dans un certain sens, le « rien » que représente en
fait un vacuum, signifie « énormément » pour un commutateur !
Herman Paternoster
