Appareillage de commutation 7,2 kV, 6 300 A et 63 kA : pourquoi est-il si difficile à construire ?

Veuillez noter :
Cet article s’adresse aux lecteurs recherchant une explication technique approfondie de l’appareillage de commutation moyenne tension à haute intensité.
Niveau : Avancé

Cet article suppose que 7,2 kV est la tension assignée de l’appareillage. Si 7,2 kV est la tension nominale réelle du réseau, la classe de tension de l’équipement requis et le niveau d’isolation doivent être confirmés séparément.

Une tension assignée de 7,2 kV n’est pas inhabituelle.

Une intensité assignée de 6 300 A est techniquement réalisable.

Un pouvoir de coupure de 63 kA est également réalisable.

Cependant, combiner ces trois caractéristiques dans un seul système d’appareillage de commutation crée un problème d’ingénierie exceptionnellement difficile.

La raison n’est pas simplement que les valeurs sont élevées. La véritable difficulté est que la solution pour une exigence rend souvent une autre exigence plus difficile.

Que signifient les quatre valeurs ?

Valeur	Ce qu’elle affecte principalement
6 300 A	Échauffement continu, dimensionnement des conducteurs et conception des contacts
7,2 kV	Isolation, distances d’isolement électrique et tension de coupure
63 kA	Forces de défaut, tenue au court-circuit et capacité du disjoncteur
78,6 MVA	Échelle du système, importance et conséquences d’une défaillance

La principale difficulté structurelle provient de la combinaison de composants transportant 6 300 A, d’exigences d’isolation de 7,2 kV et de résistance au court-circuit de 63 kA à l’intérieur du même appareillage.

Pourquoi la combinaison est-elle si difficile ?

L’appareillage doit être :

• Suffisamment grand pour transporter 6 300 A
• Suffisamment ouvert pour évacuer la chaleur
• Suffisamment séparé pour supporter 7,2 kV
• Suffisamment rigide pour survivre à 63 kA
• Suffisamment flexible pour accommoder la dilatation thermique
• Suffisamment rapide pour interrompre un défaut
• Suffisamment fermé pour contrôler un arc interne

Ces exigences entrent en conflit les unes avec les autres.

C’est pourquoi un panneau normal de 3 150 A ou 4 000 A ne peut pas simplement être converti en panneau de 6 300 A en installant des jeux de barres plus grands.

Conflit 1 : conducteurs de grande section, espace d’isolation et résistance mécanique

L’intensité élevée nécessite de remplir l’appareillage de cuivre, tandis que la moyenne tension exige un espace d’isolation vide autour de ce cuivre.

Pour transporter 6 300 A, l’appareillage nécessite de grands composants conducteurs de courant, notamment :

En même temps, l’équipement 7,2 kV doit maintenir une distance suffisante entre :

Cela crée le premier conflit fondamental : les conducteurs deviennent plus grands, mais ils ne peuvent pas simplement être regroupés étroitement.

Le défaut de 63 kA exige un support plus solide

L’exigence de court-circuit de 63 kA rend l’agencement encore plus difficile.

Lors d’un défaut, les jeux de barres sont exposés à d’énormes forces électromagnétiques. Un défaut efficace de 63 kA peut produire un premier pic de courant supérieur à 150 kA.

En utilisant un facteur de crête typique de 2,5 :

63 kA × 2,5 = 157,5 kA crête

Ce courant instantané peut :

• Écarter les phases
• Rapprocher les jeux de barres parallèles
• Plier les conducteurs
• Fissurer les isolateurs
• Tordre les bornes de disjoncteur
• Endommager les joints
• Déplacer la structure du disjoncteur

Les jeux de barres nécessitent donc des supports solides et rapprochés.

Les jeux de barres doivent toujours pouvoir se dilater

Les jeux de barres se dilatent lorsqu’ils chauffent pendant le fonctionnement normal. Le système peut donc nécessiter :

La structure doit permettre une dilatation thermique lente tout en restant rigide pendant un court-circuit.

Des supports supplémentaires améliorent la résistance au défaut, mais ils :

Augmenter l’espacement des phases peut améliorer l’isolation et réduire la force électromagnétique, mais cela rend également l’appareillage :

• Plus large
• Plus profond
• Plus lourd
• Plus coûteux
• Plus difficile à transporter
• Plus difficile à installer dans un local électrique existant

Le concepteur doit donc équilibrer :

• Taille du conducteur
• Distance d’isolement
• Espacement des phases
• Espacement des supports de jeux de barres
• La dilatation thermique
• Accès pour la maintenance
• Dimensions globales de l’armoire

À un certain point, l’équipement peut cesser de ressembler à un appareillage sous enveloppe métallique conventionnel et commencer à ressembler davantage à un appareillage de générateur ou à un système de jeux de barres de centrale électrique.

Conflit 2 : dissipation thermique versus protection de l’enveloppe

Une fois que les conducteurs, contacts et supports ont été installés dans l’appareillage, le problème suivant est d’évacuer la chaleur qu’ils produisent.

À 6 300 A, même une très faible résistance peut générer une chaleur substantielle.

La perte électrique dans un conducteur ou une connexion suit cette relation :

Perte de puissance = Courant × Courant × Résistance

Supposons qu’un joint ait une résistance de seulement 10 micro-ohms, soit 0,00001 ohm.

La chaleur générée à ce joint serait :

6 300 × 6 300 × 0,00001 = 397 W

Cela signifie qu’une connexion avec une résistance extrêmement faible peut encore produire près de 400 W de chaleur en continu.

Le circuit primaire complet contient de nombreuses sources de chaleur possibles :

Pour un refroidissement efficace, le concepteur peut souhaiter :

Cependant, la protection contre l’arc interne nécessite une enveloppe contrôlée et résistante à la pression.

L’appareillage doit :

• Résister à la pression interne
• Maintenir les portes et couvercles fermés
• Empêcher les flammes de s’échapper vers le personnel
• Contrôler le mouvement des gaz chauds
• Diriger la pression à travers un chemin d’évacuation sûr

Cela crée le deuxième conflit fondamental :

L’intensité élevée nécessite un flux d’air efficace, tandis que la protection contre l’arc interne nécessite des compartiments contrôlés et résistants à la pression.

Un indice de protection IP élevé rend le problème plus difficile. Une enveloppe hermétiquement scellée offre une meilleure protection contre la poussière et l’eau, mais elle piège également la chaleur et limite le flux d’air.

Le fabricant doit donc équilibrer :

• Élévation de température
• Flux d’air
• Sécurité contre l’arc interne
• Protection environnementale
• Fiabilité du ventilateur
• Accès pour la maintenance

Le refroidissement n’est pas simplement une question d’ajout de ventilateurs. L’enveloppe, le chemin de ventilation et le système de décharge de pression doivent être conçus ensemble.

Conflit 3 : plus de jeux de barres en parallèle versus répartition inégale du courant

Une barre de cuivre extrêmement épaisse n’est pas toujours le meilleur moyen de transporter 6 300 A.

Les systèmes haute intensité utilisent normalement plusieurs conducteurs en parallèle pour chaque phase.

Par exemple, si quatre jeux de barres partagent le courant de manière égale :

6 300 A ÷ 4 = 1 575 A par jeu de barres

Cependant, le courant peut ne pas se diviser de manière égale en pratique.

La répartition du courant est affectée par :

• Différentes longueurs de conducteur
• Résistance de joint inégale
• Effet de peau
• Effet de proximité
• Position du jeu de barres
• Champs magnétiques des phases voisines
• Refroidissement inégal
• Pression de contact différente

Un conducteur peut transporter plus de courant que les autres et devenir un point chaud local.

Ajouter plus de cuivre réduit la résistance de base, mais cela rend également la distribution du courant alternatif et le comportement électromagnétique plus compliqués.

La conception doit donc considérer l’agencement complet des jeux de barres triphasés, et pas seulement la section transversale totale de cuivre.

Conflit 4 : faible résistance de contact versus construction débrochable

Une connexion boulonnée fixe peut être réalisée grande, solide et hautement conductrice.

Un disjoncteur débrochable est beaucoup plus difficile.

Ses contacts primaires doivent être :

• Mobiles
• Alignés avec précision
• À faible résistance
• Mécaniquement durables
• Correctement isolés
• Capables de transporter 6 300 A en continu
• Capables de résister au pic de court-circuit

Le concepteur peut ajouter plus de doigts de contact et augmenter leur pression pour réduire la résistance.

Mais cela crée :

• Une force d’insertion plus grande
• Un chariot de disjoncteur plus lourd
• Plus d’usure mécanique
• Une sensibilité d’alignement plus élevée
• Une maintenance plus difficile
• Un risque accru de répartition inégale du courant

Si certains doigts de contact perdent de la pression, les contacts restants peuvent transporter un courant excessif et surchauffer.

Pour cette raison, un disjoncteur à montage fixe avec sectionneurs séparés peut être plus pratique qu’un disjoncteur à vide débrochable conventionnel.

Le disjoncteur peut être le véritable goulot d’étranglement

De grands jeux de barres en cuivre peuvent être fabriqués.

La question la plus difficile est de savoir si le disjoncteur peut :

1. Transporter 6 300 A en continu
2. Rester stable pendant le premier pic de courant de défaut
3. S’ouvrir rapidement lorsque la protection fonctionne
4. Interrompre 63 kA en toute sécurité
5. Résister à la tension qui se rétablit aux bornes des contacts ouverts
6. Maintenir le niveau d’isolation requis de 7,2 kV

Le disjoncteur nécessite une faible résistance et une pression de contact élevée pendant le fonctionnement normal.

Pendant un défaut, il doit également s’ouvrir rapidement et interrompre un courant extrêmement élevé.

Il doit donc être fortement fermé, mécaniquement stable et capable d’ouverture rapide en même temps.

Un disjoncteur normal de 4 000 A ne peut généralement pas devenir un disjoncteur de 6 300 A simplement en installant des bornes externes plus grandes.

Le chemin de courant interne complet doit être conçu et testé pour 6 300 A.

À propos de la puissance

À 400 V et 6 300 A, la puissance apparente triphasée est d’environ 4,36 MVA :
1,732 × 0,4 kV × 6,3 kA = 4,36 MVA

À 7,2 kV et le même courant, la puissance apparente monte à environ 78,6 MVA :
1,732 × 7,2 kV × 6,3 kA = 78,6 MVA

Le circuit 7,2 kV transfère donc environ 18 fois plus de puissance apparente.

La puissance plus élevée ne rend pas directement les conducteurs plus chauds. Si le courant et la résistance du conducteur sont les mêmes, les pertes résistives sont également similaires.

Cependant, la puissance assignée de 78,6 MVA montre l’échelle du système. Un circuit peut être connecté à un grand générateur, transformateur, système de compresseur ou processus industriel. Une défaillance ou un déclenchement inutile pourrait donc déconnecter des dizaines de mégawatts de charge.

Cela peut nécessiter :

• Une protection rapide et fiable
• Une protection différentielle et de défaillance de disjoncteur
• Une surveillance continue de la température
• Un refroidissement fiable
• Les connexions de gaines de barres de grande dimension
• Une surveillance de l’état plus étendue

Comment la protection contre l’arc interne modifie l’enveloppe

La protection contre l’arc interne n’est pas la raison initiale pour laquelle l’appareillage nécessite des jeux de barres plus grands. Cependant, une fois que le chemin de courant de 7,2 kV, 6 300 A a été conçu, le confinement de l’arc crée une autre exigence structurelle majeure.

Pendant le fonctionnement normal, l’appareillage transporte jusqu’à 6 300 A. Si une défaillance d’isolation, une connexion desserrée ou un corps étranger crée un défaut interne, le courant peut augmenter vers le niveau de court-circuit disponible — dans ce cas, 63 kA.

Les trois caractéristiques contribuent différemment :

Caractéristique	Effet lors d’un défaut interne
6 300 A	Nécessite de grands conducteurs, contacts, joints et chemins de refroidissement
7,2 kV	Permet à un arc de rester établi à travers un intervalle d’air
63 kA	Détermine le courant de défaut disponible et la gravité potentielle de l’événement

Un arc interne crée un plasma gazeux à environ 10 000 °C, avec des températures locales atteignant jusqu’à 20 000 °C près de la sortie de l’arc. Ce sont des températures de plasma locales, et non la température moyenne à l’intérieur de l’appareillage complet. À l’emplacement de l’arc, le métal et l’isolation à proximité peuvent fondre ou se vaporiser presque immédiatement.

Le gaz rapidement chauffé et le matériau vaporisé provoquent une forte augmentation de pression. L’appareillage peut donc nécessiter :

• Des portes et systèmes de verrouillage renforcés
• Des cloisons internes résistantes à la pression
• Des clapets de décharge de pression
• Un plénum d’évacuation supérieur
• Des conduits de décharge de pression externes
• Une zone de décharge contrôlée éloignée du personnel

Le local électrique doit également être pris en compte. Siemens note que les locaux d’appareillage moyenne tension peuvent nécessiter des sorties ou conduits de décharge de pression, et que la structure du bâtiment peut devoir résister à la pression générée par un arc interne.

Cela crée un autre conflit de conception :

Le chemin de courant de 6 300 A nécessite un refroidissement efficace pendant le fonctionnement normal, tandis que la protection contre l’arc interne nécessite un flux d’air contrôlé et résistant à la pression pendant un défaut.

Les systèmes de ventilation et de décharge de pression doivent donc être conçus ensemble. Les ouvertures de refroidissement normales ne peuvent pas simplement être autorisées à libérer des flammes ou des gaz chauds vers le personnel.

Exemple d’appareillage résistant à l’arc de 63 kA

La quantité d’espace d’installation supplémentaire dépend de la plateforme d’appareillage testée. Il n’existe aucune règle universelle stipulant que la construction résistante à l’arc ajoute une hauteur ou un pourcentage fixe à chaque panneau.

À titre de référence, le SafeGear HD d’ABB est une plateforme d’appareillage résistant à l’arc spécifique de 5/15 kV, 63 kA qui utilise un plénum de décharge de pression supérieur. ABB spécifie une distance minimale sol-plafond d’environ 129,5 pouces, soit 3,29 mètres, pour l’agencement du plénum et le dégagement du caisson d’évacuation.

Ce chiffre n’est qu’un exemple de produit réel. Il ne doit pas être traité comme la hauteur de local requise pour chaque conception de 7,2 kV, 6 300 A.

Un système de 6 300 A peut nécessiter :

• Une hauteur de panneau de base différente
• Un agencement de refroidissement différent
• Une taille de plénum différente
• Une section transversale de conduit d’évacuation différente
• Une zone de décharge sûre différente
• Une hauteur de plafond de local différente

Les dimensions exactes doivent provenir de l’agencement général testé du fabricant.

Le point important est le suivant :

La protection contre l’arc interne peut ajouter un espace supérieur substantiel, des conduits d’évacuation, un renforcement structurel et des exigences de local, mais la quantité est spécifique à la conception d’équipement testée.

Les connexions peuvent devenir un autre problème majeur

À 6 300 A, les connexions de câbles moyenne tension ordinaires peuvent devenir impraticables.

Le système peut nécessiter :

• De nombreux câbles en parallèle par phase
• Un caniveau de barres à phases séparées
• Un caniveau de barres non séparé
• Une connexion directe par barre de cuivre
• Un jeu de barres à phases isolées dans les applications de générateur

Le système de connexion doit également gérer :

• La répartition égale du courant
• La dilatation thermique
• L’isolation de 7,2 kV
• La force de défaut de 63 kA
• L’alignement mécanique
• Le support structurel
• Ventilation

L’appareillage ne peut pas être conçu séparément du générateur, du transformateur ou du caniveau de barres qui y est connecté.

Le chemin de courant complet doit être coordonné comme un seul système.

Alternatives plus pratiques

Avant de sélectionner un jeu de barres de 6 300 A, le concepteur du système doit déterminer si la charge peut être divisée.

Diviser le système en sections de jeux de barres de courant inférieur

Au lieu d’utiliser un jeu de barres de 6 300 A, le système peut être divisé en deux sections de jeux de barres indépendantes.

Les agencements possibles incluent :

• Deux sections de jeu de barres de 3 150/4 000 A
• Arrivées séparées de transformateur ou de générateur pour chaque section
• Un coupleur de barres normalement ouvert entre les sections

Cela permet à chaque section de rester dans une gamme d’appareillages de commutation moyenne tension plus classique.

Une configuration à deux sections peut offrir :

• Des disjoncteurs plus largement disponibles
• Un contrôle de l’élévation de température plus facile
• Des jeux de barres et des connexions plus petits
• Une maintenance simplifiée
• Une meilleure redondance
• Un risque technique et d’essai plus faible

Cependant, les valeurs nominales ne doivent pas simplement être additionnées.

Deux sections de 3 150 A ne forment pas un jeu de barres de 6 300 A, sauf si leurs sorties sont combinées. Si elles sont combinées via un seul coupleur de barres ou une connexion commune, cette partie du système devra peut-être encore supporter la totalité des 6 300 A.

La solution pratique consiste normalement à diviser les charges entre les deux sections et à maintenir le coupleur de barres normalement ouvert. Le coupleur peut ensuite être fermé temporairement pour le transfert de charge, à condition que la source et la section de barre restantes puissent supporter la charge transférée.

Distribuer la puissance à une tension plus élevée

Pour une même puissance, l’augmentation de la tension réduit le courant.

Par exemple, transmettre 78,6 MVA à 11 kV nécessiterait environ 4 130 A.

Le calcul est le suivant :

78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 11 kV = environ 4,13 kA

À 22 kV, la même puissance nécessiterait environ 2 060 A.

Le calcul est le suivant :

78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 22 kV = environ 2,06 kA

L’augmentation de la tension de distribution peut grandement simplifier :

• Jeux de barres
• Disjoncteurs
• Les connexions
• Le refroidissement
• Les supports mécaniques

Cependant, cela augmente également le niveau d’isolation requis.

Utiliser un système de disjoncteur de générateur

Si le circuit est directement connecté à un alternateur de grande puissance, un équipement dédié aux générateurs peut être plus approprié que la modification d’un appareillage de distribution conventionnel.

Les disjoncteurs de générateurs sont spécifiquement conçus pour :

• Un courant continu très élevé
• Un courant de court-circuit élevé
• Un service d’interruption sévère
• Le comportement des défauts côté source générateur
• Les connexions de gaines de barres de grande dimension

Conclusion

Un système d’appareillage de 7,2 kV, 6 300 A et 63 kA est difficile à réaliser car les exigences s’opposent les unes aux autres.

• 6 300 A nécessite plus de cuivre et plus de refroidissement.
• 7,2 kV nécessite plus d’espace d’isolation.
• 63 kA nécessite des supports plus robustes et plus rigides.
• L’expansion thermique nécessite une flexibilité contrôlée.
• La sécurité à l’arc interne nécessite une enveloppe robuste avec gestion de la pression.
• Le fonctionnement du disjoncteur nécessite à la fois une pression de contact élevée et une ouverture rapide.

Le défi central ne consiste pas simplement à construire une armoire plus grande.

Il s’agit de créer un système qui soit simultanément :

Isolé électriquement, thermiquement stable, mécaniquement robuste, rapide à l’utilisation et sûr lors d’un défaut interne.

C’est pourquoi cette combinaison relève normalement d’équipements spécialisés pour générateurs ou pour l’industrie lourde plutôt que d’un appareillage de commutation moyenne tension conventionnel.

Foire aux questions

Non. C’est techniquement réalisable, mais cela nécessite normalement un équipement de classe générateur spécialisé ou sur mesure plutôt qu’un appareillage MT conventionnel.

L’appareillage de commutation basse tension nécessite des distances d’isolement beaucoup plus faibles. Les jeux de barres, les disjoncteurs et les contacts parallèles de grande taille peuvent donc être installés plus près les uns des autres.

Non. Des jeux de barres plus grands peuvent réduire l’échauffement, mais ils ne résolvent pas la capacité du disjoncteur, la distance d’isolement, la résistance de contact, le refroidissement, la taille des TC ou les forces de défaut de 63 kA.

Elle affecte la capacité de coupure du disjoncteur en cas de défaut ainsi que la résistance mécanique requise pour les jeux de barres, les supports, les bornes et l’enveloppe.

C’est une exigence importante pour la sécurité du personnel, mais le principal défi structurel est de combiner des conducteurs de 6 300 A, des distances d’isolation de 7,2 kV et une tenue au court-circuit de 63 kA.

Oui. Diviser les charges entre deux sections de barres à courant plus faible peut permettre l’utilisation de plateformes d’appareillage plus courantes. Cependant, toute connexion commune doit toujours être dimensionnée pour le courant qu’elle transporte réellement.