Arc électrique

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Ceci est un cours naguère distribué en accompagnement de celui sur les sur intensités et moyens pour les
éliminer : fusibles et disjoncteurs. Il y était aussi fait référence dans le cadre de celui sur la commande
fonctionnelle : les contacteurs.
La technologie n’est plus trop au goût du jour mais bon ...
M. Catallon m’a fourni pas mal de renseignement glanés lors de sa formation, merci à lui.
1 Description de l'arc électrique.
A la séparation des deux parties d’un contact électrique parcouru par un courant suffisant, il y a création d’un
arc électrique. Celui-ci résulte de l’ionisation de l’air ambiant (ou du diélectrique) situé entre les deux parties du
contact. La température élevée de l’arc a pour effet de volatiliser le métal constituant les contacts. Un
transfert de matière peut même avoir lieu à travers l’arc provoquant ainsi une érosion des contacts.
Afin d’éviter la détérioration des contacts, il faut éteindre l’arc le plus rapidement possible. C’est pourquoi
plusieurs dispositifs d’extinction d’arc sont mis en oeuvre dans la fabrication de composants tels : interrupteur,
contacteur, disjoncteur etc ...
1.1 Caractéristiques de l’arc électrique.
1.1.1 Tension d’arc.
Quelque soit la nature du courant (alternatif ou continu), à tout instant, la différence de potentiel entre les
deux contacts en mouvement. Uarc se divise en 3 parties comme sur le diagramme suivant.
Uarc (V)
zone cathodique
tension d’arc
totale
zone anodique Longueur (mm)
On distingue les chutes de tension aux bornes (anode et cathode) qui dépendent essentiellement des
matériaux les composant et qui valent environ 15 volts.
La partie médiane dépend elle de la longueur de l’arc.
1.1.2 Température.
La température de l’arc est très élevée (entre 2500 et 5000 °C), c’est la raison pour laquelle il y a
volatilisation du métal qui compose les contacts électriques. Cette élévation de température est telle qu’elle
entraîne une élévation de la pression si l’arc a lieu dans une enceinte fermée (volume constant) ce qui est le cas
d’une armoire par exemple.
1.1.3 Comportement magnétique.
Un arc électrique peut-être assimilé à un conducteur mobile dont il possède toutes les propriétés physiques et
notamment magnétiques à savoir : il est soumis à la force de Laplace.
(Voir le cours de physique appliquée)
1.2 Facteurs influents.

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1.2.1 Nature du courant.
Si la source de tension est continue il est nécessaire de forcer le courant à décroître puis à s’annuler, alors
que si la source de tension est alternative (50 ou 60 Hz en général), le courant s’annule de lui-même. Le problème
consistera alors à empêcher le réamorçage de l’arc après le passage par zéro du courant.
1.2.2 Géométrie.
Plus la tension d’arc (qui s’oppose à la source) sera élevée plus le courant diminuera, ce qui signifie qu’en
augmentant la tension Uarc définie plus haut on diminue le courant.
Les idées qui en découlent sont donc de diviser l’arc électrique principal en plusieurs « sous arc » afin de
multiplier les chutes de tension anodique et cathodique d’une part et d’allonger d’autre part la longueur totale de
l’arc.
1.2.3 Milieu diélectrique.
L’ionisation du milieu baignant les contacts est directement liée à sa température, plus celle-ci est élevée et
plus l’ionisation est facilitée. La dés ionisation rapide nécessite donc un refroidissement des gaz rendus
conducteurs.
2 Techniques mises en oeuvre actuellement (1998).
2.1 Courant interrompu « faible ».
Dans cette partie on considère que l’ouverture des contacts s’effectue sur le courant nominal de l’installation
ou sur une surcharge. Les techniques ci-dessous sont donc celles mises en oeuvre dans les interrupteurs ou les
contacteurs qui assurent une commande fonctionnelle ou la protection contre les surcharges lorsqu’ils sont
associés à des relais thermiques.
2.1.1 Fractionnement et refroidissement de l’arc.
Pour diviser l’arc électrique on peut multiplier le
nombre de contact en série devant interrompre le courant,
mais on peut surtout le fractionner en forçant l’arc à
passer dans une chambre de coupure constituée de
plaquettes ferromagnétiques qui multiplient les chutes de
tensions au voisinage des électrodes.
Les plaquettes ci-dessus absorbent en outre la chaleur
dégagée par l’effet joule dans l’arc et participent ainsi au
refroidissement, donc à la dés ionisation, de l’espace inter
contact.
2.1.2 Soufflage par auto ventilation.
Le moyen le plus simple d’allonger l’arc consiste à utiliser la capacité des gaz chauds à s’élever. L’air chauffé
par l’arc fait monter celui-ci qui forme ainsi une boucle ayant tendance à s’agrandir jusqu’à son extinction. La
forme et la disposition des contacts favorisent cet effet.
On peut même créer un effet de cheminée en coiffant chaque pôle de coupure d’un boîtier isolant en matière
plastique largement ouvert à sa base et réduit dans sa partie supérieure.

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2.1.3 Soufflage magnétique.
On a vu plus haut que l’arc électrique de par sa nature est sensible à la force de Laplace que créerait un
champ magnétique. En créant un champ on peut alors soumettre l’arc à une force qui tend à l’allonger. Ce champ
magnétique est généralement créé par une bobine en série avec le circuit des contacts, il est parfois même
renforcé par un U magnétique judicieusement disposé.
2.2 Court-circuit et fusible.
Plusieurs principes sont utilisés pour faciliter l’extinction de l’arc créé dans un coupe-circuit à fusible.
L’élément fusible peut présenter plusieurs sections réduites ce qui a pour effet de fractionner l’arc. La matière

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de remplissage, quand il y en a une, absorbe la chaleur produite, « éponge » le métal en fusion et lorsqu’il s’agit de
sable ou de composant silicé se vitrifie, ce qui permet d’augmenter le pouvoir de coupure et d’accélérer la
coupure.
(Voir le chapitre concernant la protection contre les courts-circuits.)
2.3 Court-circuit et disjoncteur basse tension.
Les techniques utilisées dans ce type d’appareillage sont très variées et complexes. Plutôt que de les exposer
de manière exhaustive, il est préférable de vous présenter un composant mis au point par la société Merlin Gerin
et qui est une synthèse originale des technologies utilisées à l’heure actuelle. Il associe un disjoncteur classique
avec un compartiment limiteur.
2.3.1 Fonctionnement de l’ensemble.

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2.3.2 Disjoncteur Compact C125.
« Ce mécanisme utilise la répulsion des
contacts placés en vis à vis et parcourus par
des courants opposés.
Sur courant de court-circuit, la force
électrodynamique engendrée provoque une
séparation très rapide des contacts.
Le développement et la coupure de l’arc
sont assurés par le champ magnétique
généré au niveau des contacts et par effet
de pression des joues gazogène. »
(1) contact fixe retourné face au contact mobile.
i2 et i3 parallèles et de sens contraire créent une force de répulsion
électrodynamique importante sur court circuit.
(2) blindage magnétique annulant l’effet de i1.
(3) « U » magnétique renforçant le champ magnétique au niveau des
contacts pour développer l’arc.
(4) joue en polyamide dont l’effet gazogène « étouffe » l’arc électrique.
(5) chambre de coupure pour le fractionnement, l’allongement et le
refroidissement de l’arc.
2.3.3 Particularité : la commutation d’arc :
Ce disjoncteur offre un
pouvoir de coupure de 15 kA
sur tous ses calibres, même
faibles, grâce à une
commutation de l’arc
électrique.
En se développant, l’arc
électrique commute sur un
deuxième contact fixe. Le
courant de défaut est alors
dérivé dans un circuit shunt. Il
ne passe donc plus par le
bilame. Ce dernier est ainsi
protégé et le pouvoir de
coupure de 15 kA est conservé,
même sur les petits calibres.