Qu'est-ce qu'un arc dans un disjoncteur ?

Un arc dans un disjoncteur est une décharge électrique lumineuse – un canal de plasma atteignant des températures de 20 000 °C (36 000 °F) – qui se forme entre les contacts qui se séparent lorsque le disjoncteur interrompt le courant sous charge. Cet arc représente l'un des phénomènes les plus violents et énergivores du génie électrique, capable de détruire les contacts, de provoquer des incendies et d'entraîner des défaillances catastrophiques des équipements s'il n'est pas correctement maîtrisé grâce à des contacts d'arc et des systèmes d'extinction d'arc spécialisés.

Chez VIOX Electric, notre équipe d'ingénieurs conçoit et teste quotidiennement des disjoncteurs, observant directement le comportement des arcs sur différents types de disjoncteurs – des disjoncteurs miniatures domestiques (MCB) aux disjoncteurs à boîtier moulé (MCCB) et et disjoncteurs à air de grande capacité (ACB). industriels. Comprendre la formation de l'arc, le rôle crucial des contacts d'arc dans la protection des contacts principaux, et la physique régissant l'extinction de l'arc est essentiel pour les ingénieurs électriciens, les gestionnaires d'installations et toute personne responsable de la spécification ou de la maintenance des équipements de protection de circuit.

Ce guide complet explique le phénomène de l'arc du point de vue de la fabrication VIOX, couvrant la physique de l'arc (points cathodiques, phénomènes anodiques, dynamique des plasmas), la façon dont les contacts d'arc se sacrifient pour protéger les contacts principaux, les caractéristiques de tension d'arc, les méthodes d'extinction selon les types de disjoncteurs, et les critères pratiques de sélection pour la protection contre les défauts d'arc.

Qu'est-ce qu'un arc dans un disjoncteur ?

Définition technique de l'arc électrique

Un arc électrique dans un disjoncteur est une décharge électrique soutenue traversant de l'air ionisé (plasma) qui se produit lorsque les contacts se séparent sous charge. Contrairement à une étincelle brève, un arc est un canal plasma continu et auto-entretenu qui transporte le courant total du circuit à travers ce qui devrait être un espace d'air isolant.

L'arc se forme parce que le courant cherche à maintenir son chemin même lorsque les forces mécaniques écartent les contacts. Lorsque la séparation des contacts crée un espace d'air, le champ électrique intense (dépassant souvent 3 millions de volts par mètre lors de la séparation initiale) ionise les molécules d'air, les décomposant en électrons libres et ions positifs. Ce gaz ionisé – le plasma – devient électriquement conducteur, permettant au courant de continuer à circuler à travers l'espace sous la forme d'un arc blanc-bleu brillant.

Selon les données de test VIOX, un arc typique dans un MCCB 600V interrompant 10 000 ampères atteint :

• Température du cœur: 15 000-20 000 °C (plus chaud que la surface du soleil à 5 500 °C)
• Tension d'arc: 20-60 volts (varie selon la longueur de l'arc et l'intensité du courant)
• Densité de courantDensité de courant
• : Jusqu'à 10^6 A/cm² au niveau des points cathodiquesVitesse du plasma
• : 100-1 000 mètres par seconde lorsqu'il est entraîné magnétiquementDissipation d'énergie

: 200-600 joules par milliseconde pour les défauts à fort courant.

Cette concentration d'énergie extrême fait de la maîtrise de l'arc le défi déterminant de l'ingénierie des disjoncteurs.

Pourquoi les arcs se forment : La physique derrière la séparation des contacts

Les arcs sont des conséquences inévitables de l'ouverture d'un circuit sous tension. Le processus de formation de l'arc suit ces principes physiques fondamentaux :1. Principe de continuité du courant.

: Le courant électrique circulant dans un circuit inductif (ce qui inclut pratiquement tous les systèmes électriques réels) ne peut pas tomber instantanément à zéro. Lorsque les contacts commencent à se séparer, le courant doit trouver un chemin – l'arc fournit ce chemin.2. Constriction des contacts et échauffement localisé.

: Même lorsque les contacts semblent se toucher sur toute leur surface, la conduction réelle du courant se produit à travers des points de contact microscopiques (aspérités) où les irrégularités de surface entrent en contact. La densité de courant en ces points est extrêmement élevée, provoquant un échauffement localisé et des micro-soudures.3. Émission de champ et ionisation initiale.

: Lorsque les contacts se séparent (généralement à 0,5-2 mètres par seconde dans les disjoncteurs), la réduction de la surface de contact fait grimper la densité de courant. Cela chauffe les points de contact restants à 2 000-4 000 °C, vaporisant le matériau des contacts. Simultanément, l'écartement croissant crée des champs électriques intenses qui ionisent la vapeur métallique et l'air environnant.4. Formation du canal plasma.

: Une fois qu'un canal plasma conducteur se forme, il s'auto-entretient par ionisation thermique. Le courant traversant le plasma le chauffe davantage (effet Joule : I²R), ce qui augmente l'ionisation, ce qui augmente la conductivité, ce qui maintient le courant. Cette boucle de rétroaction positive maintient l'arc jusqu'à ce qu'un refroidissement externe et un allongement l'éteignent.

Dans les études VIOX à caméra rapide de l'arc dans les disjoncteurs à boîtier moulé, nous observons que l'établissement de l'arc se produit dans les 0,1-0,5 millisecondes suivant la séparation des contacts, l'arc commençant immédiatement à se déplacer sous les forces électromagnétiques vers les chicanes et chambres d'extinction.

Arc vs Étincelle : Comprendre la distinction

Caractéristiques	Étincelle	Arc
Durée	Transitoire (microsecondes à millisecondes)	Soutenu (millisecondes à secondes ou plus)
Énergie	Décharge à faible énergie	Énergie continue élevée
Débit actuel	Impulsion brève, typiquement <1 ampère	Continu, transporte le courant nominal du circuit (centaines à milliers d'ampères)
Température	Chaud mais bref	Extrêmement chaud (15 000–20 000 °C)
Auto-entretenu	Non – s'effondre immédiatement	Oui – se poursuit jusqu'à interruption externe
Potentiel de dommages	Érosion de surface minimale	Érosion sévère des contacts, dommages aux équipements, risque d'incendie
Exemple	Décharge d'électricité statique, ouverture d'un interrupteur en faible charge	Disjoncteur interrompant un courant de défaut

La distinction est importante car la suppression d'étincelles (telle que les circuits RC en antiparasitage aux bornes des contacts de relais) et l'extinction d'arc (comme dans les disjoncteurs) nécessitent des approches techniques totalement différentes.

Contacts d'arc vs Contacts Principaux : Le Mécanisme de Protection

L'un des composants les plus importants mais les moins compris des disjoncteurs modernes est le contact d'arc– un contact spécialisé conçu pour protéger les contacts primaires (principaux) porteurs de courant du disjoncteur contre les dommages dus à l'arc.

Que sont les Contacts d'Arc ?

Les contacts d'arc (également appelés cornes d'arc ou coulisseaux d'arc dans les disjoncteurs de grande taille) sont des contacts électriques secondaires spécifiquement conçus pour :

1. Supporter l'arc en premier lors de l'ouverture des contacts en charge
2. Éloigner l'arc des contacts principaux par des moyens mécaniques et électromagnétiques
3. Résister à l'érosion due aux arcs répétés grâce à des matériaux réfractaires spécialisés
4. Guider l'arc vers les chambres d'extinction et les cornes d'arc

Dans un système de contacts de disjoncteur, on trouve deux paires de contacts distinctes :

Contacts Principaux (Contacts Primaires):

• Grande surface de contact optimisée pour une faible résistance lors du transport normal du courant
• Matériaux choisis pour leur conductivité électrique et leur durabilité mécanique (généralement oxyde d'argent-cadmium, argent-tungstène ou alliages argent-nickel)
• Conçus pour transporter le courant nominal en continu sans surchauffe
• Se ferment en premier lors de la fermeture du disjoncteur ; s'ouvrent en dernier lors de l'ouverture du disjoncteur à vide ou en faible courant
• Coûteux et difficiles à remplacer en cas de dommage

Contacts d'Arc (Contacts Secondaires):

• Surface de contact plus petite, suffisante pour un service bref de conduction d'arc
• Matériaux choisis pour leur résistance aux hautes températures et à l'érosion par arc (cuivre-tungstène, carbure de tungstène ou alliages spécialisés résistants à l'arc)
• Conçus pour supporter un arc intense et de courte durée
• S'ouvrent en premier lors du déclenchement du disjoncteur en charge, initiant l'arc loin des contacts principaux
• Souvent intégrés à des coulisseaux d'arc qui déplacent physiquement l'arc vers les zones d'extinction
• Considérés comme sacrificiels – conçus pour s'éroder progressivement et être remplacés lors des grandes maintenances

Comment les Contacts d'Arc Protègent le Disjoncteur

Le mécanisme de protection fonctionne grâce à un enchaînement séquentiel minutieusement synchronisé. Dans les conceptions de disjoncteurs VIOX MCCB, la séquence des contacts suit ce modèle :

Séquence de Fermeture (Mise sous tension du Circuit):

1. Les contacts principaux se ferment en premier, établissant le chemin du courant
2. Les contacts d'arc se ferment ensuite (ils ferment en dernier)
3. En fonctionnement normal, les deux jeux de contacts transportent le courant, mais les contacts principaux en transportent la majorité en raison de leur plus faible résistance

Séquence d'Ouverture en Charge (Interruption du Courant):

1. Le mécanisme de déclenchement s'active
2. Les contacts d'arc commencent à s'ouvrir en premier (ils ouvrent en premier), tandis que les contacts principaux restent fermés
3. Lorsque l'entrefer des contacts d'arc s'élargit, un arc se forme entre eux – mais les contacts principaux sont toujours fermés, transportant le courant par le chemin métallique
4. Les contacts principaux s'ouvrent immédiatement après, mais à ce moment-là, l'arc est déjà établi sur les contacts d'arc, et non sur les contacts principaux
5. Les contacts d'arc continuent de s'écarter, allongeant l'arc
6. Les forces électromagnétiques (force de Lorentz du champ magnétique propre de l'arc) poussent l'arc sur les coulisseaux d'arc
7. L'arc se déplace dans les cornes d'arc ou les chambres d'extinction où il est refroidi, allongé et éteint
8. Les contacts principaux restent intacts car ils n'ont jamais subi d'arc

Cette opération d'ouverture-première/fermeture-dernière signifie que les contacts principaux ne gèrent que le courant de charge normal et s'ouvrent dans des conditions sans arc, tandis que les contacts d'arc absorbent toute l'énergie destructrice de la formation et de l'interruption de l'arc.

Impact Réel : Retour d'Expérience sur le Terrain VIOX

Dans l'analyse VIOX des disjoncteurs retournés ayant mal interrompu des défauts, nous constatons qu'environ 60% des défaillances catastrophiques impliquent soit :

1. Des contacts d'arc manquants ou sévèrement érodés permettant aux arcs de frapper directement les contacts principaux
2. Des mécanismes de contacts d'arc désalignés provoquant l'ouverture des contacts principaux avant les contacts d'arc
3. Des spécifications de matériaux incorrectes où des contacts d'arc utilisaient des alliages d'argent standard au lieu de compositions résistantes à l'arc en tungstène

Une conception et une maintenance appropriées des contacts d'arc prolongent la durée de vie opérationnelle des disjoncteurs par un facteur de 3 à 5 dans les applications à service intensif. Dans les installations critiques telles que les centres de données et les hôpitaux où nos disjoncteurs protègent les circuits de sécurité de vie, nous spécifions des systèmes de contacts d'arc améliorés avec des couches de tungstène plus épaisses et des cycles d'inspection plus fréquents (annuels au lieu de tous les 3 à 5 ans).

La Physique de la Formation de l'Arc : Points Cathodiques, Phénomènes Anodiques et Dynamique des Plasmas

Pour vraiment comprendre comment les disjoncteurs contrôlent les arcs, nous devons examiner la physique fondamentale régissant le comportement de l'arc. Cette section explore la physique de l'arc à un niveau au-delà de ce que couvrent généralement les concurrents — donnant aux ingénieurs électriciens les connaissances techniques approfondies nécessaires pour spécifier et résoudre les problèmes liés aux arcs.

Phénomènes Cathodiques : La Source d'Énergie de l'Arc

Les La **cathode** (électrode négative) est l'endroit d'où proviennent les électrons dans un arc électrique. Contrairement à la conduction en régime permanent où le courant circule uniformément, les cathodes d'arc concentrent une densité de courant énorme dans de minuscules régions actives appelées **points cathodiques**..

**Caractéristiques des Points Cathodiques** (d'après les mesures du laboratoire VIOX) :

• Taille**Diamètre** : 10-100 micromètres
• Densité de courant**Densité de courant** : 10^6 à 10^9 A/cm² (de millions à milliards d'ampères par centimètre carré)
• Température**Température** : 3 000-4 000 °C à la surface de la cathode
• **Durée de vie**: Microsecondes — les points s'éteignent et se reforment rapidement, donnant aux arcs leur apparence caractéristique de scintillement.
• **Émission de matériau**: Les points cathodiques vaporisent le matériau de l'électrode, éjectant de la vapeur métallique, des ions et des microgouttelettes dans la colonne d'arc.

Le point cathodique fonctionne grâce à **l'émission thermoionique** et et:

1. **l'émission de champ**.**Émission thermoionique**.
2. : Un chauffage intense aux points de contact microscopiques fournit l'énergie thermique pour libérer les électrons de la surface du métal, surmontant le travail de sortie (énergie de liaison). Pour les contacts en cuivre, le travail de sortie ≈ 4,5 eV, nécessitant des températures > 2 000 K pour une émission significative.**Émission de champ**.

: Le champ électrique intense à la surface de la cathode (10^8 à 10^9 V/m) extrait littéralement les électrons du métal par effet tunnel quantique, même à des températures plus basses. L'émission de champ domine dans les disjoncteurs à vide et au SF6 où une haute intensité de champ peut être maintenue.**Impact du Choix du Matériau** : L'érosion cathodique est le principal mécanisme d'usure des contacts d'arc. VIOX spécifie des **composites tungstène-cuivre**

• (typiquement 75% tungstène, 25% cuivre) pour les contacts d'arc car :
• Le point de fusion élevé du tungstène (3 422 °C) réduit le taux de vaporisation.
• Le travail de sortie élevé du tungstène (4,5 eV) réduit l'émission thermoionique, stabilisant le point cathodique.
• Le cuivre assure la conductivité électrique et thermique pour dissiper la chaleur.

Le composite résiste à l'érosion 3 à 5 fois mieux que les contacts en cuivre pur ou en argent.

Les **Phénomènes Anodiques : Dissipation Thermique et Transfert de Matériau** L'**anode**

(électrode positive) reçoit le flux d'électrons provenant de la cathode. Le comportement de l'anode diffère fondamentalement de celui de la cathode ::

• **Caractéristiques de l'Anode****Mécanisme de chauffage**
• Température: Bombardement par des électrons à haute vitesse provenant de la cathode, qui convertissent leur énergie cinétique en chaleur à l'impact.
• Densité de courant**Température** : Les points anodiques sont typiquement de 500 à 1 000 °C plus froids que les points cathodiques.
• **Densité de courant** : Plus diffuse que celle de la cathode — s'étale sur une plus grande surface.**Transfert de matériau**

En : Dans les arcs continus (DC), le matériau s'érode de la cathode et se dépose sur l'anode, créant le "métal transféré" caractéristique observé sur les contacts endommagés par l'arc. Dans les **circuits alternatifs (AC)**.

(la grande majorité des applications de disjoncteurs), la polarité s'inverse 50 à 60 fois par seconde, donc chaque contact alterne entre le rôle de cathode et d'anode. Cette alternance de polarité explique pourquoi les contacts des disjoncteurs AC présentent des motifs d'érosion plus uniformes par rapport aux disjoncteurs DC où l'érosion cathodique domine.

Les **Colonne d'Arc : La Physique des Plasmas en Action** La **colonne d'arc**.

est le canal de plasma lumineux reliant la cathode et l'anode. C'est là que la majeure partie de l'énergie de l'arc se dissipe.:

• **Propriétés du Plasma****Composition**
• : Vapeur métallique ionisée provenant de l'érosion des électrodes + air ionisé (azote, oxygène deviennent des ions N+, O+ plus des électrons libres).**Profil de température**
• Conductivité électrique: 15 000-20 000 °C au cœur, diminuant radialement vers les bords.
• **Conductivité électrique**: 10^3 à 10^4 siemens/mètre — hautement conducteur, comparable à des métaux médiocres.
• **Conductivité thermique**: Élevée — le plasma transfère efficacement la chaleur à l'air ambiant.

**Émission optique**:

: Lumière blanc-bleue intense provenant de l'excitation électronique et de la recombinaison (les électrons retournant à leur état fondamental émettent des photons).

• **Bilan Énergétique dans la Colonne d'Arc**La colonne d'arc doit maintenir un équilibre thermique entre l'apport d'énergie (Échauffement Joule : V_arc × I) et les pertes d'énergie (rayonnement, convection, conduction) :
• **Apport d'énergie**: P_entrée = V_arc × I (typiquement 20-60V × 1 000-50 000A = 20 kW à 3 MW).
• **Pertes par rayonnement**: Le plasma à haute température rayonne de la lumière UV et visible (Stefan-Boltzmann : P ∝ T^4).
• **Pertes par convection**: Chaleur conduite vers les électrodes, les parois de la chambre à arc et le gaz environnant

Lorsque la perte d'énergie dépasse l'apport d'énergie (par exemple, lorsque l'arc est rapidement allongé ou refroidi), la température du plasma baisse, l'ionisation diminue, la résistance augmente et l'arc s'éteint.

Caractéristiques de la tension d'arc : La clé de la limitation du courant

L'un des paramètres d'arc les plus importants pour la performance d'un disjoncteur est la tension d'arc—la chute de tension aux bornes de l'arc, de la cathode à l'anode.

Composantes de la tension d'arc:

V_arc = V_cathode + V_colonne + V_anode

Où ?

• V_cathode: Chute de tension cathodique (typiquement 10-20 V) — énergie requise pour extraire les électrons de la cathode
• V_colonne: Chute de tension de la colonne (varie avec la longueur de l'arc : ~10-50 V par cm de longueur d'arc)
• V_anode: Chute de tension anodique (typiquement 5-10 V) — énergie dissipée lors de l'impact des électrons sur l'anode

Total arc voltage dans les disjoncteurs VIOX lors de l'interruption de défaut :

Type de disjoncteur	Écartement initial de l'arc	Longueur de l'arc après soufflage	Tension d'arc typique
MCB (miniature)	2-4 mm	20-40 mm (dans les chambres à arc)	30-80 V
MCCB (moulé)	5-10 mm	50-120 mm (dans les chambres à arc)	60-150 V
ACB (disjoncteur à air)	10-20 mm	150-300 mm (cornes d'arc étendues)	100-200 V
VCB (vide)	5-15 mm	Pas d'allongement (vide)	20-50 V (faible en raison de la courte durée)

Tension d'arc et limitation du courant:

La tension d'arc est le mécanisme par lequel les disjoncteurs limiteurs de courant réduisent le courant de défaut en dessous des niveaux prospectifs. Le système peut être modélisé comme suit :

V_système = I × Z_système + V_arc

En réarrangeant :

I = (V_système – V_arc) / Z_système

En développant rapidement une tension d'arc élevée (par allongement, refroidissement de l'arc et interaction avec les plaques de séparation), le disjoncteur réduit la tension motrice nette, limitant ainsi le courant. Les MCCB limiteurs de courant VIOX développent des tensions d'arc de 120-180 V en 2-3 millisecondes, réduisant le courant de défaut de crête à 30-40 % des valeurs prospectives.

Mesure de la tension d'arc: Lors des essais de court-circuit dans le laboratoire 65 kA de VIOX, nous mesurons la tension d'arc à l'aide de sondes différentielles haute tension et d'une acquisition de données rapide (taux d'échantillonnage 1 MHz). Les formes d'onde de tension d'arc montrent une montée rapide lors de la séparation des contacts, puis des fluctuations caractéristiques lorsque l'arc se déplace dans les chambres à arc, puis un effondrement soudain à zéro au passage par zéro du courant lorsque l'arc s'éteint.

Méthodes d'extinction de l'arc selon les types de disjoncteurs

Différentes technologies de disjoncteurs emploient des stratégies d'extinction d'arc distinctes, chacune optimisée pour des classes de tension, des calibres de courant et des exigences d'application spécifiques.

Disjoncteurs à air (ACB) : Soufflage magnétique et chambres à arc

Disjoncteurs à air sont les chevaux de bataille traditionnels pour les grandes applications industrielles (cadres 800-6300 A, pouvoir de coupure jusqu'à 100 kA). Ils éteignent les arcs à l'air libre en utilisant une force mécanique et électromagnétique.

Mécanisme d'extinction de l'arc:

1. Soufflage magnétique: Des aimants permanents ou des bobines électromagnétiques créent un champ magnétique perpendiculaire au trajet de l'arc. Le courant de l'arc interagit avec ce champ, produisant une force de Lorentz : F = I × L × B
   • Direction de la force : Perpendiculaire à la fois au courant et au champ magnétique (règle de la main droite)
   • Amplitude : Proportionnelle au courant de l'arc — les courants de défaut plus élevés sont soufflés plus rapidement
   • Effet : Projette l'arc vers le haut et loin des contacts à des vitesses de 50-200 m/s
2. Glissières d'arc: L'arc est poussé sur des glissières allongées en cuivre ou en acier qui allongent le trajet de l'arc, augmentant ainsi la tension et la résistance de l'arc.
3. Chambres à arc (Séparateurs d'arc): L'arc entre dans une chambre contenant de multiples plaques métalliques parallèles (typiquement 10-30 plaques espacées de 2-8 mm). L'arc est :
   • Divisé en plusieurs arcs en série (un entre chaque paire de plaques)
   • Refroidi par contact thermique avec les plaques métalliques
   • Allongé en s'étalant sur les surfaces des plaques
   • Chaque espacement ajoute ~20-40 V à la tension d'arc, donc 20 plaques = 400-800 V de tension d'arc totale
4. Désionisation: La combinaison du refroidissement et du passage par zéro du courant (dans les systèmes AC) permet à l'air de se désioniser, empêchant la réamorçage de l'arc.

Conception des ACB VIOX: Nos ACB de la série VAB utilisent une géométrie de chambre à arc optimisée avec des plaques de séparation à espacement serré (3-5 mm) et des aimants permanents haute résistance générant une intensité de champ de 0,3-0,8 Tesla. Cette conception éteint de manière fiable les arcs jusqu'à 100 kA en 12-18 millisecondes.

Disjoncteurs à boîtier moulé (MCCB) : Chambres à arc compactes

MCCBs sont les disjoncteurs industriels les plus courants (16-1600 A), nécessitant des systèmes d'extinction d'arc compacts adaptés aux boîtiers moulés fermés.

Stratégie d'extinction de l'arc:

Les MCCB utilisent des principes similaires aux ACB mais dans des chambres à arc miniaturisées et optimisées :

1. Conception de la chambre à arc: Boîtier moulé intégral résistant aux arcs (souvent en composite verre-polyester) qui contient l'arc et dirige les gaz
2. Soufflerie magnétique: Petits aimants permanents ou bobines de soufflage parcourues par le courant
3. Chambres à arc compactes: 8-20 splitter plates in a confined volume
4. Gas pressure venting: Controlled venting allows pressure relief while preventing external flaming

Current-Limiting MCCB: VIOX’s CLM series employs an enhanced arc chamber design:

• Tight spacing: Splitter plates spaced 2-3mm (vs. 4-6mm in standard MCCBs)
• Extended path: Arc forced to travel 80-120mm through serpentine arc chute
• Rapid voltage development: Arc voltage reaches 120-180V within 2ms
• Énergie transmissible: Reduced to 20-30% of prospective I²t

These current-limiting designs protect sensitive electronic equipment, reduce arc flash hazard, and minimize mechanical stress on bus bars and switchgear.

Miniature Circuit Breakers (MCBs): Thermal and Magnetic Arc Control

MCBs (6-125A residential/commercial breakers) use simplified arc extinction suitable for lower fault currents and compact single-pole construction.

Arc Extinction Features:

1. Chambre de chute: 6-12 splitter plates in a compact molded chamber
2. Soufflerie magnétique: Small permanent magnet or ferromagnetic arc runner
3. Gas evolution: Arc heat vaporizes fiber or polymer arc chute components, generating deionizing gases (hydrogen from polymer decomposition) that help cool and extinguish the arc

VIOX MCB Design (VOB4/VOB5 series):

• Arc chutes tested to 10,000 interrupting operations per IEC 60898-1
• Arc extinguished within 8-15 ms for rated fault currents (6 kA or 10 kA)
• Internal arc containment validated to prevent external flaming

Vacuum Circuit Breakers (VCBs): Rapid Arc Extinction in Vacuum

Vacuum circuit breakers employ a radical different approach: eliminate the medium entirely. Contacts operate in a sealed vacuum bottle (10^-6 to 10^-7 Torr pressure).

Mécanisme d'extinction de l'arc:

In vacuum, there is no gas to ionize. When contacts separate:

1. Metal vapor arc: Initial arc consists purely of ionized metal vapor from contact surfaces
2. Rapid expansion: Metal vapor expands into vacuum and condenses on cold surfaces (shields and contacts)
3. Fast deionization: At current zero, remaining ions and electrons recombine or deposit within microseconds
4. High dielectric recovery: Vacuum gap regains full dielectric strength almost instantly
5. Extinction d'arc: Typically within 3-8 milliseconds (1/2 to 1 cycle at 50/60 Hz)

Advantages of VCB:

• Minimal contact erosion (only metal vapor, no gas reactions)
• Very fast interruption (3-8 ms)
• Long contact life (100,000+ operations)
• No maintenance (sealed for life)
• Taille compacte

Limites:

• More expensive than air breakers
• Voltage limited (typically 1-38 kV; not suitable for low-voltage applications)
• Potential for overvoltages (chopping currents) in some applications

VIOX manufactures VCBs (VVB-series vacuum contactors) for medium-voltage motor control and capacitor switching applications where their long life and minimal maintenance justify the cost premium.

SF6 Circuit Breakers: High-Pressure Arc Quenching

SF6 breakers use sulfur hexafluoride gas, which has exceptional arc-quenching properties:

• Rigidité diélectrique: 2-3x d'air à la même pression
• Électronégativité: SF6 capture les électrons libres, déionisant rapidement l'arc
• **Conductivité électrique**: Refroidit efficacement le plasma de l'arc

Extinction de l'arc:

L'arc se forme dans du SF6 pressurisé (2-6 bars). Au zéro de courant, le SF6 élimine rapidement la chaleur et capture les électrons, permettant une récupération diélectrique en quelques microsecondes. Utilisé principalement dans les applications à haute tension (>72 kV) et certains disjoncteurs à moyenne tension.

Considérations environnementales: Le SF6 est un puissant gaz à effet de serre (23 500 × CO2 sur 100 ans), ce qui conduit l'industrie à se tourner vers des alternatives isolées sous vide et à l'air. VIOX ne fabrique pas de disjoncteurs SF6, se concentrant plutôt sur les technologies d'air et de vide respectueuses de l'environnement.

Normes et valeurs nominales d'arc des disjoncteurs

La sélection des disjoncteurs nécessite de comprendre les valeurs nominales normalisées liées à l'arc qui définissent la capacité du disjoncteur à interrompre en toute sécurité les courants de défaut. Ces valeurs nominales varient selon les régions et les organismes de normalisation, mais toutes abordent la même question fondamentale : ce disjoncteur peut-il éteindre en toute sécurité l'arc lors de l'interruption du courant de défaut maximal disponible ?

Pouvoir de coupure (capacité de rupture)

Capacité d'interruption est le courant de défaut maximal qu'un disjoncteur peut interrompre en toute sécurité sans dommage ni défaillance. Cette valeur nominale représente le pire des cas : un court-circuit franc (défaut d'impédance nulle) se produisant aux bornes du disjoncteur.

Normes CEI (CEI 60947-2 pour les MCCB):

• Icu (pouvoir de coupure ultime en court-circuit): Le courant de défaut maximal que le disjoncteur peut interrompre une fois. Après une interruption Icu, le disjoncteur peut nécessiter une inspection ou un remplacement. Exprimé en kA (kiloampères).
• Ics (pouvoir de coupure de service en court-circuit): Le courant de défaut que le disjoncteur peut interrompre plusieurs fois (généralement 3 opérations) et continuer à fonctionner normalement. Généralement 25 %, 50 %, 75 % ou 100 % de l'Icu.

Normes UL/ANSI (UL 489 pour les MCCB):

• Pouvoir de coupure (IR ou AIC): Valeur nominale unique exprimée en ampères (par exemple, 65 000 A ou “ 65 kA ”). Le disjoncteur doit interrompre ce niveau de courant et réussir les tests ultérieurs sans défaillance. Généralement comparable à l'Icu CEI.

Gammes de produits VIOX:

Type de disjoncteur	Tailles de châssis typiques	Gamme de pouvoir de coupure VIOX	Conformité aux normes
MCB	6-63A	6 kA, 10 kA	CEI 60898-1, EN 60898-1
MCCB	16-1600A	35 kA, 50 kA, 65 kA, 85 kA	CEI 60947-2, UL 489
ACB	800-6300A	50 kA, 65 kA, 80 kA, 100 kA	CEI 60947-2, UL 857

Conseils de sélection: Le pouvoir de coupure du disjoncteur doit dépasser le courant de défaut disponible (également appelé courant de court-circuit présumé) au point d'installation. Ce courant de défaut est calculé en fonction de la capacité du transformateur de service public, des impédances des câbles et de l'impédance de la source. L'installation d'un disjoncteur avec un pouvoir de coupure insuffisant entraîne une défaillance catastrophique pendant les défauts : l'arc ne peut pas être éteint, le disjoncteur explose et un incendie/des blessures s'ensuivent.

VIOX recommande une marge de sécurité : spécifiez des disjoncteurs d'une valeur nominale d'au moins 125 % du courant de défaut disponible calculé pour tenir compte des modifications du système de service public et des incertitudes de calcul.

Valeurs nominales de courant admissible de courte durée

Pour coordination sélective dans les systèmes de protection en cascade, certains disjoncteurs (en particulier les ACB et les MCCB à déclenchement électronique) incluent des paramètres de temporisation de courte durée qui résistent intentionnellement aux courants de défaut pendant de brèves périodes (0,1 à 1,0 seconde) pour permettre aux disjoncteurs en aval de se déclencher en premier.

Icw (CEI 60947-2): Valeur nominale de courant admissible de courte durée. Le disjoncteur peut supporter ce courant de défaut pendant une durée spécifiée (par exemple, 1 seconde) sans déclenchement ni dommage, ce qui permet la coordination avec les appareils en aval.

Les modèles ACB VIOX avec unités de déclenchement LSI (longue durée, courte durée, instantanée) offrent des paramètres de courte durée réglables (0,1 à 0,4 s) et des valeurs nominales Icw de 30 à 85 kA, ce qui permet une coordination sélective dans les systèmes de distribution industriels.

Énergie incidente et étiquettes d'arc électrique

Au-delà des propres valeurs nominales du disjoncteur, danger d'arc électrique les exigences d'étiquetage (conformément aux normes NEC 110.16, NFPA 70E et IEEE 1584) exigent que l'équipement électrique affiche le courant de défaut disponible et temps de compensation pour permettre les calculs de la limite d'arc électrique et de l'énergie incidente.

VIOX livre tous les disjoncteurs avec la documentation nécessaire à l'étiquetage des arcs électriques :

• Valeur nominale maximale du courant de défaut disponible
• Temps de coupure typiques à différents niveaux de courant de défaut (à partir des courbes temps-courant)
• Valeurs I²t de passage pour les disjoncteurs à limitation de courant

Les entrepreneurs et ingénieurs électriciens utilisent ces données avec un logiciel de calcul d'arc électrique pour déterminer l'énergie incidente (cal/cm²) et établir des distances de travail sûres et des exigences en matière d'EPI.

Essais et certification

482: Tous les disjoncteurs VIOX sont soumis à des tests et certifications tiers pour vérifier les performances d'interruption d'arc :

483: Essais de type 484: (selon IEC 60947-2 et UL 489) :

1. 485: Séquence d'essai de court-circuit486: : Les disjoncteurs interrompent plusieurs fois le courant de défaut nominal (séquence “ O-t-CO ” : Ouvert, temporisation, Fermé-Ouvert) pour vérifier la durabilité du contact d'arc et de la chambre d'arc
2. 487: Essai d'élévation de température488: : Confirme que les contacts d'arc et les chambres d'arc ne surchauffent pas pendant le fonctionnement normal
3. 489: Test d'endurance490: : 4 000 à 10 000 opérations mécaniques plus les opérations électriques nominales vérifient la durée de vie des contacts
4. 491: Test diélectrique492: : Les tests à haute tension confirment que l'isolation endommagée par l'arc maintient le dégagement

493: Tests de routine 494: (chaque unité de production) :

• 495: Vérification du courant de déclenchement
• Mesure de la résistance de contact
• 497: Inspection visuelle des contacts d'arc et des chambres d'arc
• 498: Test diélectrique de résistance

499: Le système de gestion de la qualité de VIOX (certifié ISO 9001:2015) exige un échantillonnage et des tests par lots conformément à l'annexe B de la norme IEC 60947-2, avec une traçabilité complète des composants de la chambre d'arc jusqu'à l'assemblage final.

500: Sélection des disjoncteurs pour les performances d'arc et l'application

501: Une sélection appropriée des disjoncteurs tenant compte du comportement de l'arc assure une interruption sûre et fiable pendant toute la durée de vie de l'installation. Suivez cette approche systématique :

502: Étape 1 : Déterminer le courant de défaut disponible

503: Calculer ou mesurer le courant de court-circuit prospectif au point d'installation du disjoncteur. Méthodes :

504: Méthode de calcul:

1. 505: Obtenir la puissance nominale kVA et l'impédance du transformateur de service (généralement 4-8 %)
2. 506: Calculer le courant de défaut secondaire du transformateur : I_défaut = kVA / (√3 × V × Z%)
3. 507: Ajouter l'impédance du câble du transformateur à l'emplacement du disjoncteur
4. 508: Tenir compte des sources parallèles (générateurs, autres alimentations)

509: Méthode de mesure:

510: Utiliser un analyseur de courant de défaut ou un testeur de courant de court-circuit prospectif au point d'installation (nécessite des tests hors tension ou un équipement sous tension spécialisé).

511: Méthode des données de service public:

512: Demander les données de courant de défaut disponibles auprès du service public d'électricité pour l'entrée de service.

513: Pour les applications typiques des clients de VIOX :

• Résidentiel515: : 10-22 kA typique
• Bâtiments commerciaux517: : 25-42 kA typique
• Les installations industrielles519: : 35-100 kA (jusqu'à 200 kA près des grands transformateurs)

520: Étape 2 : Sélectionner la capacité de coupure avec une marge de sécurité

521: Choisir un disjoncteur avec une valeur nominale Icu/AIC ≥ 1,25 × le courant de défaut disponible.

522: Exemple : Courant de défaut disponible = 38 kA → spécifier un disjoncteur d'une valeur nominale ≥ 48 kA → le MCCB de la série VIOX VPM1 d'une valeur nominale de 50 kA est approprié.

523: Étape 3 : Évaluer l'énergie d'arc et la limitation de courant

524: Pour la protection des équipements sensibles (électronique, variateurs de fréquence, systèmes de contrôle), envisager 525: disjoncteurs limiteurs de courant 526: qui réduisent l'énergie traversante :

527: Performances de limitation de courant528: : Les MCCB de la série VIOX CLM avec chambres d'arc à limitation de courant permettent d'obtenir :

• 529: Courant de passage de crête : 30-45 % du courant de défaut prospectif
• 530: I²t traversant : 15-25 % de l'énergie I²t prospective
• 531: La limitation se produit dans les 2 à 5 premières ms (moins de 1/4 de cycle à 60 Hz)

532: Cette réduction d'énergie spectaculaire protège les câbles, les barres omnibus et les équipements en aval contre les contraintes thermiques et mécaniques.

533: Étape 4 : Tenir compte de la sécurité et de l'accessibilité en cas d'arc électrique

534: Dans les endroits où les travailleurs doivent accéder à des équipements sous tension :

• 535: Spécifier des disjoncteurs avec des boîtiers résistants aux arcs ou des mécanismes de montage à distance
• Utiliser des déclencheurs électroniques avec verrouillage sélectif de zone (ZSI) pour un déclenchement plus rapide en cas de défaut
• Envisager des relais de protection contre les arcs électriques avec détection optique pour un déclenchement ultra-rapide (2-5 ms)
• Installer des étiquettes d'avertissement d'arc électrique et établir des procédures de sécurité conformément à la norme NFPA 70E

Les modèles VIOX ACB avec mécanismes débrochables permettent de retirer le disjoncteur tout en maintenant l'alignement de la chambre d'arc et la sécurité, ce qui est essentiel pour la maintenance dans les systèmes à haute énergie.

Étape 5 : Spécifier le matériau des contacts d'arc et les intervalles de maintenance

Pour les applications à usage intensif (commutation fréquente, environnements à courant de défaut élevé) :

Contacts d'arc améliorés : Spécifier une composition tungstène-cuivre avec une masse accrue

Intervalles d'inspection : Recommandations VIOX basées sur l'application :

Cycle de service	Inspections par an	Durée de vie prévue des contacts d'arc
Léger (résidentiel, bureaux commerciaux)	0 (visuel uniquement)	20-30 ans
Moyen (vente au détail, industrie légère)	Tous les 3 à 5 ans	10-20 ans
Lourd (fabrication, démarrage répétitif)	Chaque année	De 5 à 10 ans
Sévère (appareillage de commutation primaire, exposition élevée aux défauts)	Tous les 6 mois	2 à 5 ans ou après un défaut majeur

Étape 6 : Vérifier la coordination et la sélectivité

Tracer les courbes temps-courant pour assurer une coordination appropriée des défauts d'arc :

• Le disjoncteur en amont ne doit pas se déclencher avant le disjoncteur en aval en cas de défaut
• Marge de temps adéquate (généralement 0,2 à 0,4 seconde) entre les courbes
• Tenir compte du temps d'arc du disjoncteur et des effets de limitation de courant

VIOX fournit des données TCC (courbe temps-courant) et un logiciel de coordination pour faciliter l'analyse de la sélectivité.

Maintenance, inspection et dépannage liés aux arcs électriques

Une maintenance appropriée prolonge la durée de vie des contacts d'arc, maintient la capacité de coupure et prévient les défaillances liées aux arcs électriques.

Inspection visuelle des contacts d'arc

Effectuer une inspection visuelle lors de la maintenance programmée (disjoncteur hors tension et retiré) :

Ce qu'il faut rechercher:

1. Érosion des contacts : Perte de matériau des pointes des contacts d'arc : acceptable si <30 % du matériau d'origine reste
2. Piqûres et cratères : Les cratères profonds indiquent un arc électrique sévère ; remplacer si la profondeur du cratère est > 2 mm
3. Décoloration : L'oxydation bleu/noir est normale ; les dépôts blancs/gris suggèrent une surchauffe
4. Cheminement de carbone : Chemins de carbone conducteurs sur les isolateurs provenant du plasma d'arc : nettoyer ou remplacer les pièces affectées
5. Déformation ou fusion : Indique une énergie d'arc excessive ou une extinction d'arc défaillante : remplacer le disjoncteur
6. Dommages à la chambre d'arc : Plaques de séparation cassées, barrières fondues ou accumulation de suie : nettoyer ou remplacer la chambre d'arc

Outils d'inspection VIOX : Jauges d'épaisseur de contact et gabarits de limite d'usure disponibles pour tous les modèles MCCB/ACB afin de quantifier l'érosion.

Mesure de la résistance de contact

Mesurer la résistance à travers chaque pôle à l'aide d'un micro-ohmmètre (ohmmètre numérique à faible résistance) :

Valeurs acceptables (Disjoncteurs VIOX, selon la norme IEC 60947-2) :

Taille du châssis du disjoncteur	Nouvelle résistance de contact	Maximum admissible
MCB (6-63A)	0,5-2 mΩ	4 mΩ
MCCB (100-250A)	0,1-0,5 mΩ	1,5 mΩ
MCCB (400-800A)	0,05-0,2 mΩ	0,8 mΩ
MCCB (1000-1600A)	0,02-0,1 mΩ	0,4 mΩ
ACB (1600-3200A)	0,01-0,05 mΩ	0,2 mΩ

Une résistance de contact croissante indique :

• Érosion des contacts par arc électrique
• Contamination ou oxydation du contact principal
• Pression de contact réduite (ressorts usés)
• Mauvais alignement

Si la résistance dépasse le maximum admissible, remplacez les contacts d’amorçage ou l’ensemble du disjoncteur selon le modèle et la réparabilité.

Dépannage des problèmes liés à l’arc électrique

Problème : Le disjoncteur se déclenche immédiatement lors de la fermeture sur la charge

• Causes Possibles : Court-circuit en aval (vérifiez avec un test au mégohmmètre), réglage de déclenchement instantané trop bas, contacts d’amorçage usés entraînant une résistance initiale élevée et un courant d’appel
• Solution : Isolez la charge en aval, testez la continuité du circuit, inspectez les contacts d’amorçage

Problème : Arc électrique visible pendant le fonctionnement normal

• Causes Possibles : Contacts principaux ne se fermant pas correctement (contacts d’amorçage transportant un courant continu), connexions desserrées aux bornes du disjoncteur, contamination des contacts réduisant la conductivité, mauvais alignement mécanique
• Solution : Mettez immédiatement hors tension et inspectez. Un arc électrique pendant le fonctionnement normal indique une défaillance imminente : remplacez le disjoncteur.

Problème : Le disjoncteur ne parvient pas à interrompre le défaut

• Causes Possibles : Le courant de défaut dépasse le pouvoir de coupure (l’arc ne peut pas être éteint), érosion sévère des contacts d’amorçage, dommages ou blocage de la chambre d’arc, contamination dans la goulotte d’arc (particules métalliques court-circuitant les plaques de séparation)
• Solution : Remplacez immédiatement le disjoncteur. Le défaut d’interruption indique un risque critique pour la sécurité.

Problème : Odeur de brûlé ou fumée provenant du disjoncteur pendant l’interruption du défaut

• Causes Possibles : Sous-produits d’arc normaux (ozone, NOx) si cela se produit une fois pendant l’élimination du défaut, pyrolyse de l’isolation organique si l’énergie de l’arc est excessive, surchauffe des composants internes
• Solution : En cas d’événement unique lors de l’élimination du défaut, effectuez une inspection post-interruption conformément à la norme CEI 60947-2 (visuelle, résistance, diélectrique). Si cela se répète ou pendant le fonctionnement normal, remplacez le disjoncteur.

Quand remplacer les disjoncteurs après une exposition à l’arc électrique

VIOX recommande le remplacement du disjoncteur dans les conditions suivantes :

1. Interruption de ≥80 % de la valeur nominale Icu : Une seule interruption près de la capacité provoque une érosion sévère des contacts d’amorçage
2. Interruptions multiples ≥50 % Icu : Les dommages cumulatifs dépassent la durée de vie prévue
3. Érosion visible des contacts >30 % : Matériau insuffisant restant pour une interruption future fiable
4. La résistance des contacts dépasse le maximum : Indique une dégradation du trajet du courant
5. Dommages à la chambre d’arc : Plaques de séparation cassées, composants fondus
6. Âge >20 ans en service : Même sans défauts, le vieillissement des matériaux affecte l’extinction de l’arc

Most VIOX commercial/industrial customers implement 25-year replacement cycles for critical MCCBs regardless of visible condition, ensuring reliable arc interruption when needed.

Conclusion

Arcs are a destructive force, but with precision-engineered arcing contacts and arc extinction systems, they can be controlled. Understanding the physics of arcing—from cathode spots to plasma dynamics—allows engineers to select the right protection equipment and maintain it for safety and reliability. VIOX Electric continues to advance arc control technology, ensuring our breakers deliver superior protection for your critical electrical infrastructure.