ETUDE DE L’ENDOMMAGEMENT

La tendance actuelle orientée vers un accroissement du nombre de manœuvres en service pour les disjoncteurs et les contacteurs conduit à accorder aujourd’hui une plus grande importance aux problèmes d’endommagement des contacts. Ces problèmes proviennent essentiellement de l’apport d’énergie thermique dû à l’arc électrique sur les contacts. Ceci conduit à une modification des propriétés de la surface et de la couche sous-jacente et à une altération de la structure du contact électrique. Nous allons donc étudier l’importance des problèmes de vieillissement.L’évolution de l’endommagement est obtenue en faisant varier le nombre d’arcs électriques sur des paires de contacts différents. Ceci suppose donc des caractéristiques microstructurales initialement identiques pour chaque contact.De plus, nous nous intéresserons à l’évolution de la température dans le contact en cours d’essai pour dimensionner un modèle thermique. Nous avons pour cela implanté un ou plusieurs thermocouples dans un des contacts électriques.Les contacts ont été testés au moyen d’une machine d’essai électrique dans une configuration d’essai proche de celle des produits complets. L’utilisation d’une machine d’essai de laboratoire permet des gains de temps et d’argent appréciables par rapport à des essais réalisés sur des disjoncteurs. On reproduit des essais d’ouverture sous courant pour générer un arc électrique.Les contacts ont subi 0, 1, 5, 10, 50, 100, 500, 1 000, 5 000 et 10 000 manœuvres.Chaque contact a été pesé avant et après essai pour évaluer la perte de masse.Les sections transverses ont toutes été réalisées sur des contacts enrobés avec une résine époxy dansune machine automatique. Les enrobages ont été rodés avec une machine automatique jusqu’au grade 4000 et polis manuellement au micron.

Dispositif utilisé

La machine dénommée M2, utilisée dans l’équipe I2EA de Schneider Electric, est composée d’un circuit de puissance, d’une centrale d’acquisition HP 3852, d’un pot électrodynamique LDS, d’un capteur laser de déplacement Keyence et d’une armature recevant les contacts (photographie 3.1). Des extracteurs évacuent l’air chaud. Un micro ordinateur de type Intel 80486 permet le pilotage de l’essai et le stockage des valeurs de résistance de contact, d’écrasement, d’énergie de rebond naturel et artificiel, de force de contact et de charge électrique.Le contact fixe est solidaire du bâti de la machine. Le contact mobile est enchâssé au bout d’un bras en rotation autour d’un axe avec deux roulements à billes (figure 3.2). L’arc électrique est obtenu par le déplacement du bras autour de l’axe (cercle en pointillé).Les essais sont réalisés à une intensité nominale de 100A avec une tension de 220V par une procédure de type ouverture – fermeture à polarité alternée. Un rebond contrôlé est généré quelques millisecondes après chaque manœuvre (opération d’ouverture ou de fermeture).

Le signal de déplacement (courbe avec des tirets) permet de situer la fermeture physique des contacts, mesurée au moyen d’un laser et repérée par un trait vertical. L’arc électrique de rebond apparaît sur la courbe de tension (courbe avec des croix) environ 1 ms après la fermeture. Il dure environ 1ms. Le courant (courbe avec des losanges) est établi peu avant la fermeture physique des contacts.L’état de surface des contacts a été observé en microscopie électronique à balayage (MEB) en raison de la grande profondeur de champ nécessaire. Les micrographies 3.6 et 3.7 permettent de mettre en évidence la forte rugosité de la surface du contact fixe.Des gouttelettes d’argent sont apparues à la surface. La fusion du métal a été provoquée par l’échauffement résultant de la réduction de taille de la striction électrique et de l’apparition d’un arc électrique. Le carbone a disparu de la surface. Il s’est oxydé en CO.La taille de la zone affectée augmente. Un cordon de matière fondue apparaît alors autour de la zone affectée puis une peau tend à recouvrir la zone d’impact. A un grossissement plus important, on note la présence de retassures causées par des cycles répétés de fusion – solidification rapides (micrographie 3.16).