Un arc dans un disjoncteur est une décharge électrique lumineuse qui se forme entre les contacts qui se séparent lorsque le disjoncteur ouvre un circuit sous tension. L'arc permet au courant de continuer à circuler brièvement à travers l'air ou le gaz ionisé jusqu'à ce que le disjoncteur force l'arc à se refroidir, à s'allonger, à se diviser et à s'éteindre.
Un disjoncteur n'interrompt pas le courant à l'instant précis où ses contacts se séparent. Il doit d'abord contrôler l'arc créé pendant l'interruption, puis éteindre cet arc afin que le circuit puisse s'ouvrir en toute sécurité.
C'est pourquoi le contrôle de l'arc est l'un des aspects les plus importants de la conception d'un disjoncteur. Un disjoncteur dont l'extinction d'arc est médiocre peut subir une érosion des contacts, une surchauffe, des dommages à l'isolation ou une incapacité à interrompre le défaut en toute sécurité.
Aperçu des termes clés liés à l'arc
| Terme | Signification | Rôle dans un disjoncteur |
|---|---|---|
| Arc | Décharge lumineuse conductrice à travers l'espace entre les contacts lors de l'ouverture | Permet au courant de continuer brièvement après la séparation des contacts |
| Formation d'arc | Processus où un gaz ionisé se forme entre les contacts | Se produit lors de la commutation ou de l'interruption d'un défaut |
| Tension d'arc | Tension aux bornes de l'arc pendant l'interruption | Aide à s'opposer au courant du circuit et favorise l'extinction |
| Corne d'arc | Chemin conducteur qui guide l'arc loin des contacts | Déplace l'arc vers la chambre de coupure |
| Chambre de chute | Ensemble qui divise et refroidit l'arc | Aide à éteindre l'arc en toute sécurité |
| Plaque de fractionnement d'arc | Plaque métallique à l'intérieur de la chambre de coupure | Divise l'arc en segments plus petits |
| Chambre de coupure d'arc | Espace ou structure où se produit l'extinction de l'arc | Contient et contrôle l'énergie de l'arc |
| Extinction de l'arc | Processus d'extinction de l'arc | Nécessaire pour une coupure en toute sécurité |
Comment se forme l'arc dans un disjoncteur
La formation de l'arc commence lorsque les contacts du disjoncteur s'ouvrent alors que le courant circule encore.
La séquence de coupure fonctionne généralement comme suit :
- Le disjoncteur détecte une surcharge, un court-circuit ou une opération de commutation manuelle.
- Le mécanisme de commande sépare les contacts.
- Le courant tente de continuer à circuler à travers le faible espace entre les contacts.
- L'air ou le gaz situé entre les contacts s'ionise.
- Un arc conducteur se forme.
- Le disjoncteur dirige l'arc vers le système de coupure d'arc.
- L'arc est allongé, fractionné, refroidi et éteint.
L'arc n'est pas un défaut en soi. Il s'agit d'un phénomène physique normal lors de l'interruption du courant. Le défi technique consiste à le maîtriser rapidement et en toute sécurité.
Pourquoi un arc se forme lors de l'ouverture des contacts
Lorsque les contacts sont fermés, le courant circule à travers un chemin métallique. Lorsqu'ils commencent à se séparer, la zone de contact diminue, la résistance augmente et la chaleur s'élève. Parallèlement, le champ électrique à travers l'entrefer peut ioniser le milieu environnant.
Une fois que le milieu devient conducteur, le courant peut continuer à circuler à travers le plasma de l'arc même si les contacts métalliques ne se touchent plus.
C'est pourquoi les disjoncteurs nécessitent plus qu'un simple interrupteur mécanique. Ils ont besoin de structures de contrôle d'arc capables de gérer l'énergie libérée lors de l'interruption.
Contacts principaux vs contacts d'arc
Dans les disjoncteurs basse tension plus importants, notamment de nombreux MCCB et ACB, le chemin du courant peut inclure contacts principaux et contacts d'arc.
| Type De Contact | Rôle principal | Pourquoi c'est important |
|---|---|---|
| Main contacts | Transporter le courant avec une faible résistance pendant le fonctionnement normal | Conçus pour la conductivité et un faible échauffement |
| Les contacts d'arc | Prendre l'arc lors de l'ouverture et de la fermeture | Protéger les contacts principaux contre l'érosion sévère due à l'arc |
La séquence typique est ouverture en premier / fermeture en dernier pour les contacts d'arc par rapport au système de contacts principaux, selon la conception du disjoncteur. Lors de l'ouverture, les contacts principaux se séparent en premier afin que l'arc soit transféré vers les contacts d'arc. Lors de la fermeture, les contacts d'arc se ferment en premier afin que les contacts principaux ne soient pas endommagés par la contrainte électrique initiale.
Cette synchronisation des contacts est l'une des raisons pour lesquelles un disjoncteur est plus complexe qu'un simple interrupteur. Il doit conduire le courant efficacement en service normal et résister à des interruptions répétées lors de défauts.
Corne d'arc dans un disjoncteur
Un corne d'arc est une partie conductrice qui aide à éloigner l'arc des contacts principaux vers la chambre de coupure.
Sa fonction est pratique :
- réduire les dommages aux contacts ;
- guider l'arc sur le chemin correct ;
- aider à transférer l'arc de la zone de contact vers la chambre d'arc ;
- favoriser une extinction d'arc plus rapide et plus contrôlée.
Dans de nombreuses conceptions de disjoncteurs, le cornet d'arc fonctionne conjointement avec les forces magnétiques générées par le courant de défaut. Une manière simplifiée d'exprimer la force motrice est F = I × L × Boù F est la force agissant sur l'arc, I est le courant d'arc, L est la longueur effective de l'arc dans le champ magnétique, et B est la densité de flux magnétique. Dans la conception pratique des disjoncteurs, un courant de court-circuit plus élevé peut créer une force motrice magnétique plus forte, aidant à pousser l'arc le long des cornes d'arc vers la chambre de coupure où il peut être divisé et refroidi.
F = I × L × BComment la force magnétique déplace l'arc vers la chambre de coupure
Lorsqu'un courant élevé traverse un disjoncteur, le chemin du courant crée un champ magnétique. L'arc lui-même transporte également du courant. L'interaction entre l'arc parcouru par le courant et le champ magnétique crée une force capable d'éloigner l'arc des contacts.
Ce mouvement magnétique est utile car il permet de :
- éloigne l'arc de la surface de contact ;
- transfère l'arc vers le guide d'arc ;
- dirige l'arc vers les ailettes de fractionnement ;
- réduit le temps pendant lequel l'arc reste sur la zone de contact principale.
Dans les disjoncteurs CC, le contrôle magnétique de l'arc devient encore plus important car il n'y a pas de passage naturel par zéro du courant. C'est également la raison pour laquelle la polarité peut être importante dans certaines conceptions de disjoncteurs CC.
Du point de vue de la conception du produit, la présence d'une chambre de coupure seule ne suffit pas. La forme du guide d'arc, la vitesse d'ouverture des contacts, l'alignement des ailettes de fractionnement, le chemin d'évacuation des gaz et le matériau isolant autour de la chambre influencent tous la capacité de l'arc à se déplacer correctement vers la zone d'extinction au lieu de stagner près des contacts.
Chambre de coupure et chambre d'extinction d'arc
Un chambre d'extinction est la structure qui aide à éteindre l'arc après qu'il a quitté la zone de contact. Elle est souvent constituée de multiples ailettes de fractionnement ou plaques d'arc disposées à l'intérieur d'une chambre isolante.
La chambre de coupure fonctionne en :
- allongeant le trajet de l'arc ;
- fractionnant un arc important en segments d'arc plus petits ;
- refroidissant le gaz ionisé chaud ;
- augmentant la tension d'arc ;
- aidant à la désionisation du trajet de l'arc ;
- confinant les gaz chauds et les particules à l'intérieur de la conception du disjoncteur.
L'expression chambre d'extinction d'arc désigne généralement l'espace ou l'assemblage où se produit ce contrôle de l'arc.
Matériaux de contact : Pourquoi les alliages de tungstène-cuivre et d'argent sont utilisés
Les contacts des disjoncteurs doivent conduire le courant en fonctionnement normal et résister à l'échauffement dû à l'arc lors de l'interruption. Cela crée un compromis au niveau des matériaux.
Les stratégies courantes en matière de matériaux de contact incluent les alliages à base d'argent pour la conductivité et la résistance à l'arc, et les matériaux de type tungstène-cuivre là où une plus grande résistance à l'érosion par arc est nécessaire. Le matériau exact dépend du type de disjoncteur, du calibre, de l'application et de la conception du fabricant.
Le concept d'ingénierie clé est le suivant : le tungstène offre une résistance à l'érosion par arc grâce à son point de fusion élevé, tandis que le cuivre améliore la conductivité et le transfert thermique.. L'objectif est de maintenir la structure du contact stable sous l'effet répété de l'échauffement par arc tout en conservant une résistance de contact acceptable.
Ceci est plus précis que de dire que le tungstène-cuivre est utilisé uniquement pour réduire l'émission d'électrons. Dans les contacts de disjoncteurs, le point de fusion, la résistance à l'érosion, le comportement thermique, la conductivité et l'intégrité mécanique sont tous importants.
Qu'est-ce que l'extinction d'arc ?
Extinction de l'arc est le processus d'extinction de l'arc permettant d'interrompre le passage du courant.
Les disjoncteurs peuvent utiliser différentes méthodes d'extinction d'arc selon leur type et leur classe de tension :
| Type de disjoncteur | Méthode d'extinction d'arc courante |
|---|---|
| MCB | Chambre de coupure avec ailettes de fractionnement |
| MCCB | Chambre d'arc, cornes d'arc, ailettes de fractionnement, isolation moulée |
| ACB | Coupure d'arc dans l'air avec chambres d'arc élargies |
| Disjoncteur CC | Chambre de coupure avec soufflage magnétique ou conception multipolaire en série |
| Disjoncteur haute tension | Méthodes d'interruption sous vide, SF6, à soufflage d'air ou autres méthodes spécialisées |
Pour les disjoncteurs modulaires (MCB) et les disjoncteurs à boîtier moulé (MCCB) basse tension, les chambres de coupure et les plaques d'extinction sont les composants les plus courants.
Qu'est-ce que la tension d'arc ?
Tension d'arc Il s'agit de la tension aux bornes de l'arc pendant l'interruption. À mesure que le disjoncteur étire, divise et refroidit l'arc, la tension d'arc augmente. Lorsque la tension d'arc devient suffisamment élevée par rapport aux conditions du circuit, le courant peut être forcé à la baisse et l'arc peut s'éteindre.
En pratique, un bon système de contrôle d'arc augmente la résistance et le refroidissement de l'arc afin que le courant ne puisse pas continuer à circuler à travers le chemin ionisé.
La tension d'arc n'est pas une valeur fixe de catalogue. Elle comprend les chutes de tension près des régions de la cathode et de l'anode, ainsi que le gradient de tension le long de la colonne d'arc. Dans la conception des disjoncteurs basse tension, la question importante est de savoir si la géométrie des contacts, les cornes d'arc, l'empilement des plaques, le flux de gaz et l'isolation de la chambre peuvent augmenter la tension d'arc assez rapidement dans les conditions de court-circuit testées.
C'est l'une des raisons pour lesquelles la géométrie des contacts, des cornes d'arc, des plaques, la forme de la chambre et le flux de gaz sont importants dans la conception des disjoncteurs.
Arc CA vs Arc CC dans les disjoncteurs
Les arcs CA et CC se comportent différemment.
| Fonctionnalité | Arc CA | DC Arc |
|---|---|---|
| Passage du courant par zéro | Passage à zéro naturel tous les demi-cycles | Aucun passage naturel par zéro |
| Extinction d'arc | Favorisé par le passage du courant par zéro | Doit être forcé par la conception du disjoncteur |
| Conception du disjoncteur | Une chambre de coupure prévue pour le CA peut être suffisante pour sa valeur nominale | Nécessite une conception d'extinction d'arc adaptée au courant continu (DC) |
| Problématique de polarité | Généralement moins critique dans les disjoncteurs basse tension en courant alternatif (AC) | Important dans de nombreux disjoncteurs DC polarisés |
C'est pourquoi un disjoncteur AC ne doit pas être utilisé automatiquement dans un circuit DC. Les arcs en courant continu peuvent persister à moins que le disjoncteur ne soit spécifiquement conçu et calibré pour l'interruption du courant continu.
Pour les détails sur les disjoncteurs DC, voir Qu'est-ce qu'un disjoncteur CC ?.
Arc dans les MCB, MCCB et ACB
| Type de disjoncteur | Où se produit le contrôle de l'arc | Différence pratique |
|---|---|---|
| MCB | Chambre de coupure compacte à proximité du système de contact | Faible encombrement, fractionnement rapide de l'arc, taille de châssis limitée |
| MCCB | Chambre d'arc moulée et cornes d'arc plus grandes | Calibres supérieurs et structures de coupure renforcées |
| ACB | Chambre d'arc à air plus grande | Utilisé dans les appareillages basse tension à courant élevé |
Le principe de base est similaire : le disjoncteur ouvre les contacts, forme un arc, dirige l'arc dans une chambre, le divise, le refroidit et interrompt le courant. La taille physique et la capacité de coupure varient selon le type de disjoncteur.
Pour les composants internes des MCCB, voir Structure interne et composants du disjoncteur boîtier moulé (MCCB).
IEC 60947-2, UL 489 et pouvoirs de coupure d'arc
La coupure d'arc ne s'évalue pas uniquement par la conception visuelle. Les disjoncteurs sont testés selon des cadres normatifs qui définissent la manière dont la performance de coupure est vérifiée.
Pour les disjoncteurs industriels basse tension, CEI 60947-2 est un contexte normatif clé. Sur les marchés nord-américains des disjoncteurs de dérivation et à boîtier moulé, UL 489 est une référence clé. La norme applicable dépend du type de produit, du marché et de l'installation.
Les caractéristiques importantes liées à la coupure d'arc incluent :
| Evaluation | Signification | Pourquoi cela est lié au contrôle de l'arc |
|---|---|---|
| Icu | Pouvoir de coupure ultime en court-circuit | Vérifie que le disjoncteur peut interrompre un défaut sévère dans des conditions d'essai définies |
| Ics | Pouvoir de coupure de service en court-circuit | Indique les performances après interruption dans des conditions d'essai liées au service |
| Icw | Courant de courte durée admissible | Important pour la sélectivité et le comportement à la tenue dans certains types de disjoncteurs |
| Tension nominale | Tension à laquelle l'interruption est testée | Une tension plus élevée rend généralement l'extinction de l'arc plus exigeante |
Ces caractéristiques doivent être lues dans la fiche technique et le contexte normatif. Un disjoncteur doté d'une chambre de coupure à l'aspect robuste nécessite toujours un pouvoir de coupure testé et adapté au circuit réel.
Pour les conseils de sélection des produits VIOX, la question pratique n'est pas de savoir si un disjoncteur possède une chambre d'arc visible. Presque tous les disjoncteurs basse tension disposent d'une forme de structure de contrôle d'arc. La question la plus pertinente est de savoir si le système de contacts, les cornes d'arc, les chambres de coupure, l'isolation moulée, le chemin d'évacuation des gaz et la structure des bornes sont validés ensemble dans les conditions d'essai de pouvoir de coupure requises. C'est là que l'Icu, l'Ics, la tension assignée et la norme applicable comptent davantage que l'aspect visuel.
Arc dans un disjoncteur vs Disjoncteur de détection d'arc
Le même mot “ arc ” apparaît dans deux sujets de disjoncteurs différents, mais les significations sont distinctes.
| Terme | Signification |
|---|---|
| Arc dans un disjoncteur | L'arc interne formé lorsque les contacts du disjoncteur s'ouvrent pendant l'interruption |
| Arc électrique | Arc électrique indésirable dans le câblage, les cordons, les bornes ou l'équipement |
| Disjoncteur de détection d'arc / AFCI | Un disjoncteur conçu pour détecter les signatures dangereuses de défaut d'arc dans un circuit |
Un arc de disjoncteur normal se produit à l'intérieur du disjoncteur lors de la commutation ou de l'interruption d'un défaut. Un défaut d'arc se produit à l'extérieur du système de contact prévu et peut indiquer un câblage endommagé, des connexions desserrées ou une défaillance de l'isolation.
Signes de problèmes potentiels d'arc électrique dans un disjoncteur
L'arc électrique à l'intérieur de l'appareil est normal lors de l'interruption, mais les symptômes externes anormaux ne doivent pas être ignorés.
Faites appel à un électricien ou à un technicien qualifié si vous remarquez :
- une odeur de brûlé près d'un tableau électrique ;
- un bourdonnement, un grésillement ou un crépitement provenant d'un disjoncteur ;
- des dommages causés par la chaleur ou une décoloration ;
- une isolation fondue près des bornes ;
- un déclenchement répété du disjoncteur ;
- arc visible à l'extérieur du disjoncteur ;
- bornes desserrées ou endommagées.
Ne pas ouvrir ni inspecter l'intérieur d'un disjoncteur sous tension. Les disjoncteurs sont des dispositifs de sécurité scellés ou assemblés, et non des chambres d'arc réparables sur site.
Érosion par arc, piqûres de contact et quand l'arc du disjoncteur devient un problème
Chaque événement d'interruption peut solliciter les contacts du disjoncteur. En service normal, cela est prévu, mais des défauts graves répétés ou de mauvaises conditions de bornes peuvent accélérer l'usure.
Les signes possibles d'une contrainte excessive liée à l'arc comprennent :
- contacts piqués ou érodés dans les équipements industriels réparables ;
- décoloration autour des bornes ou des évents ;
- odeur inhabituelle après fonctionnement ;
- dommage au boîtier du disjoncteur ;
- déclenchements répétés dans des conditions de charge similaires ;
- augmentation de la résistance de contact dans les équipements où la mesure fait partie des pratiques de maintenance.
Pour les disjoncteurs miniatures scellés, l'inspection des contacts internes n'est généralement pas réalisable. Pour les appareillages de commutation plus grands et réparables, l'inspection et la maintenance doivent suivre les instructions du fabricant et les procédures de sécurité du site.
Idées reçues courantes sur les arcs électriques des disjoncteurs
Erreur 1 : Penser que tout arc électrique signifie que le disjoncteur est défectueux
Un arc interne lors de l'interruption est normal. Le disjoncteur est conçu pour le maîtriser.
Erreur 2 : Croire qu'une chambre de coupure empêche tout dommage au disjoncteur
La chambre de coupure réduit et contrôle l'énergie de l'arc, mais des interruptions répétées de courants de défaut élevés peuvent toujours solliciter les contacts et les composants internes.
Erreur 3 : Confondre l'arc de coupure du disjoncteur avec la protection contre les arcs électriques
Le contrôle interne de l'arc du disjoncteur et la détection d'arc AFCI sont des sujets distincts.
Erreur 4 : Appliquer les hypothèses d'arc en courant alternatif (AC) aux disjoncteurs en courant continu (DC)
Les arcs en courant continu sont plus difficiles à éteindre car il n'y a pas de passage naturel par zéro. Utilisez des disjoncteurs certifiés DC pour les circuits en courant continu.
Erreur 5 : Ignorer l'état des bornes de raccordement
Des bornes desserrées peuvent provoquer un échauffement externe et des arcs. Cela est différent de l'arc interne normal formé lors de l'interruption par le disjoncteur.
FAQ
Une chambre de coupure pour courant alternatif (AC) peut-elle éteindre un arc électrique en courant continu (DC) ?
Pas automatiquement. La coupure en courant alternatif bénéficie des passages naturels par zéro du courant, tandis que la coupure en courant continu doit forcer l'arc à s'allonger, à se refroidir et à s'éteindre sans cette aide. Un disjoncteur utilisé sur des circuits à courant continu doit être spécifiquement dimensionné pour la tension, le courant, la polarité et l'application en courant continu.
Quelle est la différence entre les contacts d'arc et les contacts principaux ?
Les contacts principaux sont optimisés pour le passage du courant avec une faible résistance en fonctionnement normal. Les contacts d'arc sont conçus pour supporter les contraintes électriques lors de l'ouverture et de la fermeture, afin que les contacts principaux ne soient pas exposés à l'érosion la plus sévère causée par l'arc.
À quelle fréquence les contacts d'arc doivent-ils être inspectés dans les disjoncteurs industriels ?
Suivez les instructions de maintenance du fabricant du disjoncteur et la procédure de sécurité électrique du site. La fréquence d'inspection dépend du type de disjoncteur, de l'historique des défauts, de la fréquence de manœuvre, de l'environnement et de la réparabilité de l'appareil. Les disjoncteurs modulaires (MCB) scellés et de nombreux disjoncteurs à boîtier moulé (MCCB) sont normalement remplacés plutôt qu'ouverts pour une inspection des contacts.
Pourquoi un disjoncteur dégage-t-il une odeur de brûlé après un déclenchement ?
Une légère odeur après une coupure sévère peut provenir des gaz chauds et des sous-produits de l'arc à l'intérieur du disjoncteur. Une odeur de brûlé persistante, une décoloration, une isolation fondue, un échauffement des bornes ou des déclenchements répétés ne sont pas normaux et doivent être vérifiés avant la remise sous tension du circuit.
Un pouvoir de coupure Icu plus élevé signifie-t-il une meilleure chambre de coupure ?
Pas nécessairement. L'Icu est un pouvoir de coupure ultime en court-circuit testé dans des conditions définies. La conception de la chambre de coupure est importante, mais la vitesse des contacts, la géométrie des cornes d'arc, l'isolation moulée, la conception des bornes, la tension assignée et la séquence complète des tests le sont tout autant. L'Ics est également important car il indique la performance en court-circuit de service selon la norme applicable.
L'arc électrique d'un disjoncteur peut-il être réparé ?
Pour les disjoncteurs modulaires (MCB) scellés et de nombreux disjoncteurs boîtiers moulés (MCCB), les dommages internes causés par un arc ne sont pas réparables sur site. Remplacez l'appareil si l'inspection ou les directives du fabricant indiquent des dommages. Les disjoncteurs plus grands et réparables peuvent faire l'objet de procédures de maintenance approuvées par le fabricant, mais la réparation ne doit être effectuée que par du personnel qualifié utilisant des pièces et des méthodes de test approuvées.
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Conclusion
Un arc dans un disjoncteur est un phénomène électrique normal mais intense, créé lors de l'ouverture des contacts sous courant. Le disjoncteur doit diriger cet arc vers un système de contrôle d'arc, le diviser, le refroidir, augmenter la tension d'arc et l'éteindre.
Les parties les plus importantes à comprendre sont les corne d'arc, chambre d'extinction, chambres de coupure à ailetteset chambre d'extinction d'arc. Ces composants sont ce qui permet à un disjoncteur d'interrompre le courant en toute sécurité au lieu d'agir comme un simple interrupteur.
