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1 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
SOMMAIRE
I- GENERALITES
II- CHOIX ET CLASSIFICATION DE LAPPAREILLAGE
III- CONTACT ELECTRIQUE
IV- PHENOMENES LIES AU COURANT ET A LA TENSION ELECTRIQUE
1. Les surintensits
a. La surcharge
b. Le court-circuit
2. Les surtensions
2.1. Types de surtensions dans les rseaux lectriques
3. Les efforts lectrodynamiques
4. Rigidit dilectrique
5. Isolant lectrique
6. Claquage lectrique
7. Ionisation des gaz
V- PHENOMENES DINTERRUPTION DU COURANT ELECTRIQUE
1. Dfinition de larc lectrique
2. Naissance dun arc lectrique la coupure dun circuit
3. Etude temporelle de la tension darc en courant alternatif
4. Coupure avec larc lectrique
5. Inconvnients dangers de larc lectrique
6. Processus de coupure avec larc lectrique
7. Les milieux de coupure
8. Diffrentes techniques de coupure de larc
VI- FONCTION DE LAPPAREILLAGE ELECTRIQUE
A. APPAREILLAGES DE CONNEXION ET DE SEPARATION
1. Contacts permanents
2. Bornes de connexion
3. Prises de courant (basse tension)
4. Les sectionneurs
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B. APPAREILLAGES DINTERRUPTION
1. Les interrupteurs
2. Les interrupteurs-sectionneurs
3. Les contacteurs
C. APPAREILLAGES DE PROTECTION
1. Fusibles
2. Relais thermiques
3. Relais magntiques (lectromagntique)
4. Relais magntothermique
5. Discontacteurs
6. Le disjoncteur magntothermique
VII- ETABLISSEMENT DES SCHEMAS EN ELECTROTECHNIQUE
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I- GENERALITES
Lappareillage lectrique est un lment qui permet dobtenir la
protection et
lexploitation sre et ininterrompue dun rseau lectrique. La
parfaite matrise de
lnergie lectrique exige de possder tous les moyens ncessaires la
commande
et au contrle de la circulation du courant dans les circuits qui
vont des centrales de
production jusquaux consommateurs. Cette dlicate mission
incombe
fondamentalement lappareillage lectrique. Son rle est dassurer
en priorit la
protection automatique de ces circuits contre tous les incidents
susceptibles den
perturber le fonctionnement, mais aussi deffectuer sur commande
les diffrentes
oprations qui permettent de modifier la configuration du rseau
dans les conditions
normales de service. Lappareillage lectrique permet dadapter,
chaque instant, la
structure du rseau aux besoins de ses utilisateurs, producteurs
et consommateurs
dlectricit, et de prserver, totalement ou partiellement, cette
fonction en cas
dincident. Cest assez dire limportance du rle de lappareillage
lectrique pour la
manuvre et la protection du rseau. Il faut quil soit disponible
tout moment et
puisse intervenir sans dfaillance, au point de faire oublier
quil existe. Pour remplir
ses fonctions avec fiabilit et disponibilit, il doit possder de
nombreuses aptitudes :
supporter des contraintes dilectriques dues des ondes de chocs
(dues la
foudre ou la manuvre dappareils) ou des tensions frquence
industrielle
assurer le passage du courant permanent ou de court-circuit,
sans
chauffement excessif et sans dgradation des contacts ;
tre capable de fonctionner dans des conditions atmosphriques
dfavorables
: haute ou basse temprature, en altitude o la densit de lair est
plus
faible, parfois sous forte pollution (pollution marine, vents de
sables...) ;
supporter des sismes avec une acclration au sol gale 0,2g ou
0,5g ;
et surtout, pour les disjoncteurs, tre capable dinterrompre tous
les courants
infrieurs son pouvoir de coupure (courants de charge et courants
de court-
circuit).
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On exige de lui une fiabilit presque parfaite, des oprations de
maintenance lgres
et en nombre limit dans la mesure o ces interventions sont la
fois coteuses et
gnantes pour lexploitation.
II. CHOIX ET CLASSIFICATIONS DE LAPPAREILLAGE
Choisir l'appareillage lectrique adapt au rcepteur demande une
bonne
connaissance du comportement du rcepteur lors de l'utilisation
normale et lors de
dysfonctionnement en prenant en considration la cadence de
fonctionnement, le
risque de surcharge, la rsistance aux courts-circuits et la
rsistance aux
surtensions. Les constituants (appareillages, sous ensembles)
doivent tre
conformes aux normes correspondantes et convenir leur
application particulire en
ce qui concerne la prsentation extrieure de lensemble (ouvert ou
envelopp),
leurs caractristiques lectriques et mcaniques.
Certaines de ces caractristiques peuvent tre affectes par leur
incorporation un
ensemble ; cest notamment le cas des fusibles, des contacteurs
et des interrupteurs,
susceptibles de faire lobjet dun dclassement (diminution de leur
courant assign),
compte tenu des conditions de voisinage avec dautres matriels et
de la
temprature intrieure, en fonctionnement, de lensemble. Une
coordination doit
galement tre assure entre les courants maximaux admissibles de
certains
appareils et les caractristiques des dispositifs de protection
placs en amont.
Lorsque les indices de protection IP ont t spcifis pour
lenveloppe, les matriels
encastrs doivent avoir une tenue correspondante, moins de
recevoir une
protection complmentaire ; il en est de mme des dispositifs de
commande...
Lappareillage lectrique est class en plusieurs catgories selon
:
a. Sa fonction
Pour adapter la source d'nergie au comportement du rcepteur, il
est dfini cinq
grandes fonctions remplir par lappareillage lectrique :
le sectionnement : il est ncessaire d'isoler, en tout ou partie,
les circuits, les
rcepteurs de leur source d'nergie afin de pouvoir intervenir sur
les
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installations en garantissant la scurit des intervenants
(lectriciens
habilits).
l'interruption : alors que l'installation est en service, le
rcepteur remplissant sa
fonction, il est parfois ncessaire d'interrompre son
alimentation en pleine
charge, ceci pouvant faire office d'arrt d'urgence.
la protection contre les courts-circuits : les installations et
les rcepteurs
peuvent tre le sige d'incidents lectriques ou mcaniques se
traduisant par
une lvation rapide et importante du courant absorb. Un courant
suprieur
de 10 13 fois le courant nominal est un courant de dfaut. Il est
assimil
un courant de court-circuit. Afin d'viter la dtrioration des
installations et des
appareillages, les perturbations sur le rseau d'alimentation et
les risques
d'accidents humains, il est indispensable de dtecter ces
courts-circuits et
d'interrompre rapidement le circuit concern.
la protection contre les surcharges : les surcharges mcaniques
et les dfauts
des rseaux d'alimentation sont les causes les plus frquentes de
la
surcharge supporte par les rcepteurs (moteurs). Ils provoquent
une
augmentation importante du courant absorb, conduisant un
chauffement
excessif du rcepteur, ce qui rduit fortement sa dure de vie et
peut aller
jusqu' sa destruction.
la commutation : son rle est d'tablir et de couper le circuit
d'alimentation du
rcepteur.
b. Sa tension
On distingue les domaines de tension suivants:
la basse tension BT qui concerne les tensions infrieures 1 kV
;
la moyenne tension MT (HTA) qui concerne les tensions entre 1 kV
et 50 kV ;
la haute tension HT (HTB) qui concerne les tensions suprieures
50 kV.
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c. Sa destination
Lappareillage lectrique est destin fonctionner dans les rseaux
ou installations
principaux suivants:
installations domestiques BT (< 1 kV)
installations industrielles BT (< 1 kV)
installations industrielles HT (3,6 24 kV)
rseaux de distribution (< 52 kV) ;
rseaux de rpartition ou de transport ( 52 kV) ;
d. Son installation ;
On peut distinguer :
le matriel pour lintrieur, qui est destin tre install
uniquement
lintrieur dun btiment, labri des intempries et de la pollution,
avec une
temprature ambiante qui nest pas infrieure - 5 C (ventuellement
- 15
C ou - 25 C)
le matriel pour lextrieur, qui est prvu pour tre install
lextrieur des
btiments, et qui par suite doit tre capable de fonctionner dans
des
conditions climatiques et atmosphriques contraignantes.
e. Le type de matriel
Deux types sont distingus :
le matriel ouvert, dont lisolation externe est faite dans
lair;
le matriel sous enveloppe mtallique ou blind, muni dune
enveloppe
mtallique, relie la terre, qui permet dviter tout contact
accidentel avec
les pices sous tension.
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f. La temprature de service
Lappareillage est prvu pour fonctionner avec les tempratures
normales de service
suivantes:
la temprature maximale de lair ambiant nexcde pas 40 C et sa
valeur
moyenne, mesure pendant une priode de 24 h, nexcde pas 35 C
;
la temprature minimale de lair ambiant nest pas infrieure - 25 C
ou - 40
C.
g. Sa technique de coupure.
Lhistoire de lappareillage lectrique est riche dinventions
diverses, de principes de
coupure performants, de technologies trs varies utilisant des
milieux aussi
diffrents pour lisolement et la coupure que lair pression
atmosphrique, lhuile,
lair comprim, lhexafluorure de soufre et le vide. Des points
communs subsistent
pendant toute son volution :
lamorage dun arc entre deux contacts, comme principe de base
pour la
coupure dun courant alternatif ;
linterruption du courant ;
La recherche permanente de la rduction des nergies de manuvre,
afin de
raliser des appareils plus fiables et plus conomiques ;
la rduction des surtensions, gnres pendant leur fonctionnement,
grce
linsertion de rsistances de fermeture ou par la synchronisation
des
manuvres par rapport la tension. Il est intressant de noter que
la
technique de coupure par auto-soufflage, qui vient de simposer
pour les
disjoncteurs SF6 haute tension, avait dj t envisage ds les
annes
1960. Cest grce aux progrs importants raliss dans le domaine de
la
modlisation darc et de la simulation des coulements gazeux que
lnergie
darc a pu tre domestique et utilise efficacement pour dfinir des
chambres
de coupure hautes performances. Historiquement, on peut rsumer
les
milieux suivants qui ont t choisis pour la coupure :
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air ;
huile ;
air comprim ;
SF 6 ;
vide. ;
III. CONTACT ELECTRIQUE
1. Dfinition
Un contact lectrique est un systme permettant le passage d'un
courant lectrique
travers deux lments de circuit mcaniquement dissociables. C'est
un des lments
principaux des composants lectromcaniques : contacteur, relais,
interrupteur,
disjoncteur. Il est aussi la cl de tous les systmes de
connectique.
2. Caractristiques et catgories
Le contact lectrique est caractris par sa rsistance de contact,
sa rsistance
l'rosion, sa rsistance l'oxydation. Afin d'optimiser ses
caractristiques, les
surfaces destines assurer la fonction de contact sont
recouvertes par plaquage,
ou comportent une partie massive ajoute, d'un matriau
particulier tel que lOr, le
platine (Palladium) et le Tungstne. Le contact lectrique a deux
tats par dfaut:
NO : Normalement Ouvert (Open) et NF : Normalement Ferm (NC :
Close).
Les contacts sont aussi diviss en 2 catgories :
Les contacts secs ou contacts hors tension,
Les contacts mouills ; leurs dfinitions n'expriment pas un degr
d'humidit
mais l'origine du basculement d'tat (relais contact mouill au
mercure). Les
contacts contiennent des matriaux plus ou moins oxydables selon
le choix de
fabrication. La classe de protection des personnes choisie lors
de la
conception oblige garantir le maintien de ce niveau de scurit
tout au long
de la vie du contact. La conception et fabrication doivent donc
tre penses
pour viter au maximum l'entretien prventif et conserver les
caractristiques
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de basculement et de conductivit. La technique la plus simple
pour lentretien
hors tension des contacts lectriques est le brossage des
surfaces de contact
grce une brosse mtallique ou du papier abrasif jusqu'
disparition des
oxydes.
IV. PHENOMENES LIES AU COURANT ET A LA TENSION ELECTRIQUES
Linstallation lectrique permet de fournir l'nergie lectrique
ncessaire au bon
fonctionnement des rcepteurs. Ceux-ci consomment une puissance
lectrique dont
l'expression est fonction de l'intensit du courant qui traverse
le rcepteur et de la
tension ses bornes. Ces deux grandeurs lectriques ont une
influence directe sur
la conception des appareillages ;
Le courant lectrique va conditionner la notion de pouvoir de
coupure et de
fermeture. En effet, la problmatique essentielle de
l'appareillage
lectromcanique est la coupure de l'arc lectrique qui se
forme
systmatiquement l'ouverture d'un circuit lectrique.
La tension d'alimentation va dfinir les distances d'isolement
entre les bornes
et les contacts. Dans ce qui suit nous allons voir les phnomnes
lis au
courant et la tension lectriques.
1. Les surintensits
Dans un circuit lectrique, la surintensit est atteinte lorsque
l'intensit du courant
dpasse une limite juge suprieure la normale. Les causes et les
valeurs des
surintensits sont multiples. On distingue habituellement dans
les surintensits, les
surcharges et les courts-circuits.
a. La surcharge
Le courant de surcharge est en gnral une faible surintensit se
produisant dans un
circuit lectrique sain. Lexemple type en est le circuit
alimentant des prises de
courant sur lesquelles on a raccord un trop grand nombre
dappareil.
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Caractristiques
Le terme surcharge est utilis pour un courant excessif circulant
dans un circuit en
bon tat lectriquement. Les surcharges sont en gnral infrieures
10 fois le
courant nominal du circuit. Les surcharges de courant ne sont
pas beaucoup plus
leves que le courant maximum permanent dune installation, mais
si elles se
maintiennent trop longtemps elles peuvent faire des dgts. Les
dgts, plus
particulirement aux matires isolantes en contact avec les
conducteurs de courant,
sont la consquence de leffet thermique du courant. La dure de
cet effet thermique
est relativement longue (de quelques secondes quelques heures),
et la surcharge
peut donc tre caractrise par la valeur efficace du courant. La
protection contre
une surcharge est ralise par un dispositif de protection capable
de diminuer la
dure de la surcharge.
b. Le court-circuit
Le courant de court-circuit est en gnral une forte intensit
produite par un dfaut
de rsistance ngligeable entre des points prsentant une diffrence
de potentiel en
service normal.
Caractristiques
Le court-circuit est souvent d une dfaillance lectrique
importante comme la
rupture dun isolant, la chute dun objet mtallique sur des barres
ou la dfaillance
dun semi-conducteur. Il en rsulte un courant de dfaut dont la
valeur efficace est
trs leve (typiquement suprieure 10 fois la valeur du courant
nominal de
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linstallation). Leffet thermique est tellement rapide que les
dgts dans linstallation
se produisent en quelques millisecondes. Cet effet thermique
extrmement rapide ne
peut pas tre caractris par la valeur efficace du courant prsum
de dfaut comme
cest le cas dans les surcharges, car il dpend de la forme de
londe de courant.
Dans ce cas la protection doit limiter lnergie associe au dfaut
; cette nergie est
lie la grandeur suivante It. Cette grandeur est une mesure de
lnergie thermique
fournie chaque ohm du circuit par le courant de court-circuit
pendant le temps t.
Cependant la protection contre les court-circuits impose souvent
une condition
supplmentaire qui est la limitation de la valeur crte du courant
autoris dans
linstallation. En effet les forces lectromagntiques sont
proportionnelles au carr de
la valeur instantane du courant et peuvent produire des dgts
mcaniques aux
quipements si les courants de court-circuit ne sont pas limits
trs rapidement.
Les contacts de sectionneurs, contacteurs et mme de disjoncteurs
peuvent se
souder si la valeur crte du courant passant dans le circuit de
dfaut nest pas limite
une valeur suffisamment basse. Si la fusion de certains
conducteurs et de
certaines parties de composants se produit, un arc entre les
particules fondues peut
samorcer, dclencher des incendies et crer des situations
dangereuses pour le
personnel. Une installation lectrique peut mme tre compltement
dtruite. Les
fusibles ultra-rapides pour la protection des semi-conducteurs
fournissent une
excellente protection en cas de court-circuit.
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3. Les surtensions
Ce sont des perturbations qui se superposent la tension nominale
dun circuit. Elles
peuvent apparatre :
entre phases ou entre circuits diffrents, et sont dites de mode
diffrentiel,
entre les conducteurs actifs et la masse ou la terre. Une
surtension est une
impulsion ou une onde de tension qui se superpose la tension
nominale du
rseau (voir fig.1)
Elle dsigne le fait pour un lment particulier d'un diple
lectrique d'avoir ses
bornes une tension suprieure celle aux bornes du diple complet.
C'est le cas par
exemple de la tension aux bornes d'un condensateur dans un diple
RLC srie en
rsonances. D'autre part, un rseau lectrique possde en gnrale une
tension
normale : on parle aussi de tension nominale. En basse tension,
cette tension
nominale peut tre par exemple de 230V entre phase et neutre. En
moyenne
tension, celle-ci est normalise 20kV (entre phase) et 11.5kV
(entre phase et terre).
Le rseau peut se trouver accidentellement port une tension
suprieure de sa
tension nominale : on parle alors de surtension. Les surtensions
sont une des causes
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possibles de dfaillances d'quipements lectriques ou
lectroniques, bien que ceux-
ci soient de mieux en mieux protgs contre ce type
d'incident.
Une surtension perturbe les quipements et produit un
rayonnement
lectromagntique. En plus, la dure de la surtension (T) cause un
pic nergtique
dans les circuits lectriques qui est susceptible de dtruire des
quipements. Elle est
caractrise (voir fig.2) par:
le temps de monte tf (en s),
la pente S (en kV/s).
2.1. Types de surtension dans les rseaux lectriques
Quatre types de surtension peuvent perturber les installations
lectriques et les
rcepteurs:
a. Surtensions de manuvre :
Surtensions haute frquence ou oscillatoire amortie causes par
une modification
du rgime tabli dans un rseau lectrique (lors dune manuvre
dappareillage)
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elles sont d'une dure de quelques dizaines microsecondes
quelques
millisecondes. La manuvre d'un sectionneur dans un poste
lectrique isolation
gazeuse engendre en particulier des surtensions fronts trs
raides.
b. Surtensions frquence industrielle :
Surtensions la mme frquence que le rseau (50, 60 ou 400 Hz)
causes par un
changement dtat permanent du rseau (suite un dfaut : dfaut
disolement,
rupture conducteur neutre,..). Parmi ces surtensions, on peut
citer : surtension
provoque par un dfaut disolement, surtension sur une longue
ligne vide (effet
Ferranti), et surtension par ferrorsonance
c. Surtensions causes par des dcharges lectrostatiques.
Surtensions trs haute frquence trs courtes (quelques
nanosecondes) causes
par la dcharge de charges lectriques accumules (Par exemple, une
personne
marchant sur une moquette avec des semelles isolantes se charge
lectriquement
une tension de plusieurs kilovolts).
d. Surtensions dorigine atmosphrique.
Lorage est un phnomne naturel connu de tous, spectaculaire et
dangereux. Mille
orages clatent en moyenne chaque jour dans le monde. Les
surtensions dorigine
atmosphrique sont causes par le coup de foudre direct ou
indirect sur les lignes
lectriques.
3. Les efforts lectrodynamiques
Nous savons que la circulation de courants dans des conducteurs
parallles induit
dans ces conducteurs des forces lectromagntiques
proportionnelles au produit des
courants circulant dans les deux conducteurs. En cas de
court-circuit dans une
configuration de ligne ou de poste en conducteurs souples, on
mesure alors des
surtensions mcaniques (traction et flexion) appeles efforts
lectrodynamiques au
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niveau des supports et des isolateurs dancrage. On observe
galement des
mouvements de conducteurs trs importants. Ces efforts pouvant
tre considrables,
il est indispensable de les prendre en compte ds la conception
dun nouvel ouvrage.
4. Rigidit dilectrique
La rigidit dilectrique dun milieu isolant reprsente la valeur
maximum du champ
lectrique que le milieu peut supporter avant le dclenchement dun
arc lectrique
(donc dun court-circuit). On utilise aussi l'expression champ
disruptif qui est
synonyme mais plus frquemment utilise pour qualifier la tenue
d'une installation,
alors que le terme rigidit dilectrique est plus utilis pour
qualifier un matriau. Pour
un condensateur quand cette valeur est dpasse, llment est
dtruit. La valeur
maximale de la tension lectrique applique aux bornes, est appele
tension de
claquage du condensateur. Dans le cas d'un disjoncteur haute
tension, c'est la
valeur maximum du champ qui peut tre supporte aprs l'extinction
de l'arc
(l'interruption du courant). Si la rigidit dilectrique est
infrieure au champ impos
par le rtablissement de la tension, un ramorage de l'arc se
produit d'o l'chec de
la tentative d'interruption du courant.
5. Isolant lectrique
En lectricit comme en lectronique, un isolant, ou isolant
lectrique aussi appel
matriau dilectrique, est une partie d'un composant ou un organe
ayant pour
fonction d'interdire le passage de tout courant lectrique entre
deux parties
conductrices. Un isolant possde peu de charges libres, elles y
sont piges,
contrairement un matriau conducteur o les charges sont
nombreuses et libres de
se dplacer sous l'action d'un champ lectromagntique.
La facult d'un matriau tre isolant peut aussi tre explique par
la notion de
bandes d'nergie. L'isolation lectrique est rattache une grandeur
physique
mesurable, la rsistance, qui s'exprime en ohms (symbole : ).
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6. Claquage lectrique
Le claquage est un phnomne qui se produit dans un isolant quand
le champ
lectrique est plus important que ce que peut supporter cet
isolant. Il se forme alors
un arc lectrique. Dans un condensateur, lorsque la tension
atteint une valeur
suffisante pour qu'un courant s'tablisse au travers de l'isolant
(ou dilectrique), cette
tension critique est appele tension de claquage. Elle est lie la
gomtrie de la
pice et une proprit des matriaux appele rigidit dilectrique qui
est
gnralement exprime en (kV/mm). La dcharge lectrique travers
l'isolant est en
gnral destructrice. Cette destruction peut-tre irrmdiable, mais
ceci dpend de la
nature et de l'paisseur de l'isolant entrant dans la
constitution du composant :
certains isolants sont ainsi dits auto-rgnrateurs, comme l'air
ou l'hexafluorure de
soufre.
7. Ionisation des gaz
L'ionisation est l'action qui consiste enlever ou ajouter des
charges un atome ou
une molcule. L'atome - ou la molcule - perdant ou gagnant des
charges n'est plus
neutre lectriquement. Il est alors appel ion. Un plasma est une
phase de la matire
constitue de particules charges, d'ions et d'lectrons. La
transformation d'un gaz
en plasma (gaz ionis) ne s'effectue pas temprature constante
pour une pression
donne, avec une chaleur latente de changement d'tat, comme pour
les autres
tats, mais il s'agit d'une transformation progressive. Lorsqu'un
gaz est suffisamment
chauff, les lectrons des couches extrieures peuvent tre arrachs
lors des
collisions entre particules, ce qui forme le plasma. Globalement
neutre, la prsence
de particules charges donne naissance des comportements
inexistants dans les
fluides, en prsence d'un champ lectromagntique par exemple.
V. PHENOMENES DINTERRUPTION DU COURANT ELECTRIQUE
a. Dfinition de larc lectrique
L'arc lectrique correspond une dcharge lumineuse qui accompagne
le passage
de l'lectricit entre deux conducteurs prsentant une diffrence de
potentiel
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convenable. Ce phnomne fut dcouvert en 1813 par le physicien et
chimiste
anglais Davy qui en tudia les effets travers diffrents gaz.
b. Naissance d'un arc lectrique la coupure d'un circuit
A la coupure d'un circuit d'impdance Zc, nat gnralement un arc
lectrique entre
les contacts de l'organe de manuvre (interrupteur, disjoncteur).
Ce fait marquant,
qui intervient principalement sur forte surcharge (ou
court-circuit) lorsque la
sparation des ples est dpendante des lments de contrle de la
surintensit, se
produit galement sur ouverture non spontane et - un degr
moindre- sur
fermeture.
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d. Coupure avec larc lectrique
La technique de coupure au passage zro du courant saccompagne
de
surtensions au moment de linterruption qui surviennent cause de
leffet capacitif
des circuits lectriques. La coupure du courant au passage par
zro est pratiquement
irralisable cause des temps de rponse des systmes de mesure et
de
commande, sachant quau moment du dfaut le courant volue trs
rapidement et la
raction au moment du passage zro est une opration trs dlicate.
Cest ce qui
explique lexistence de larc lectrique.
e. Inconvnients, dangers de l'arc lectrique
pas de rupture instantane du circuit
dgradation des contacts par micro-fusion (matire "arrache) et
risques de
soudure
contraintes thermiques leves (temprature d'arc de quelques
milliers
plusieurs dizaines de milliers de degrs) avec risques de brlure,
d'incendie
pour le matriel
onde parasite, rayonnement U-V
f. Processus de coupure avec larc lectrique
La coupure par larc lectrique se fait en trois phases:
La priode dattente :
Cest la priode entre louverture des contacts et le zro du
courant o larc
lectrique est constitu dune colonne de plasma compose dions et
dlectrons.
Cette colonne est conductrice sous leffet dune temprature leve
due lnergie
dissipe par larc. La tension entre les deux contacts sappelle la
tension darc et
cest une composante trs importante dans le choix du milieu de
coupure, car elle
dfinit la valeur de lnergie dissipe.
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La priode dextinction :
Au moment de passage par zro du courant, larc est teint, le
canal des molcules
ionises est cass, le milieu redevient isolant et le courant est
interrompu. La
rsistance de larc doit augmenter au voisinage du zro du courant,
et dpend de la
constante dionisation du milieu. Aussi, la puissance de
refroidissement de lappareil
doit tre suprieure lnergie de larc dissipe par effet joule.
La priode Post-Arc :
Pour que la coupure soit russie, il faut que la vitesse de
rgnration dilectrique
soit plus rapide que lvolution de la tension transitoire de
rtablissement TTR, sinon
on assiste un phnomne de r-allumage ou ramorage de larc. La
vitesse de
croissance de la TTR a un rle fondamental sur la capacit de
coupure des
appareils. La norme impose pour chaque tension nominale, une
valeur enveloppe qui
correspond aux besoins normalement rencontrs. Le pouvoir de
coupure dun
disjoncteur correspond la valeur la plus leve du courant quil
peut couper sa
tension assigne et sa TTR assigne. Un disjoncteur devrait tre
capable de
couper tout courant infrieur son PDC pour toute TTR dont la
valeur est infrieure
la TTR assigne. Pour une tension assigne de 24 kV, la valeur
maximale de TTR
est de lordre de 41kV et peut accrotre avec une vitesse de 0.5
kV/ms.
g. Les milieux de coupure
Depuis des annes, les constructeurs ont cherch, dvelopp,
expriment et mis en
uvre des appareils de coupure base de milieux aussi varis que :
lair, lhuile, le
SF6. Avoir une conductivit thermique importante pour pouvoir
vacuer lnergie
thermique engendre par larc lectrique ; et enfin le vide. Pour
une coupure russie,
le milieu doit avoir les caractristiques suivantes : Avoir une
vitesse de dsionisation
importante pour viter des ramorages du milieu ; Avoir une
rsistivit lectrique
faible lorsque la temprature est leve pour minimiser lnergie
dissipe pour larc ;
Avoir une rsistivit lectrique grande lorsque la temprature est
faible pour
minimiser le dlai de rtablissement de la tension ;
-
COURS DE TECHNOLOGIE ET SCHEMAS DUT 2
21 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Lespace inter-contacts doit offrir une tenue dilectique
suffisante. La tenue
dilectrique du milieu dpend de la distance entre les lectrodes
et de la pression du
milieu. Pour l'air, la courbe de Paschen donne l'volution de la
rigidit dilectrique en
fonction de la pression du milieu. Les courbes suivantes donnent
l'volution de la
rigidit dilectrique en fonction de la distance inter
contacts.
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22 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Plusieurs milieux de coupure ont t dvelopps ce jour :
La coupure dans lair (jusqu 24 kV), mais aujourdhui limite
des
utilisations en basse tension;
La coupure dans lhuile (jusqu 200 kV) ;
La coupure dans le SF6 (jusqu quelques centaines de kV) ;
La coupure dans le vide (jusqu 36 kV)
h. Diffrentes techniques de coupure de larc
La coupure dans lair
Pour des tensions suprieures 24 kV, lair comprim est utilis pour
amliorer la
tenue dilectrique, la vitesse de refroidissement et la constante
de temps de
dsionisation. Larc est refroidi par des systmes de soufflage
haute pression. La
coupure nest pas trs utilise en moyenne tension pour des
raisons
dencombrement et de cot. Toutefois la coupure dans lair reste la
solution la plus
utilise en basse tension grce sa simplicit et son endurance.
Lair pression
atmosphrique prsente une rigidit dilectrique faible et une
constante de
dsionisation leve (10ms). La technique utilise consiste garder
larc lectrique
court pour limiter lnergie thermique dissipe, et lallonger par
le biais de plaque une
fois le courant passe par zro.
La coupure dans lhuile
Cette technique de coupure consiste immerger les contacts dans
lhuile. Au
moment de la coupure, lhuile se dcompose et dgage de lhydrogne
et du
mthane principalement. Ces gaz forment une bulle qui est soumise
une grande
pression pendant la coupure. Au passage du courant par zro, larc
steint du fait de
la prsence de lhydrogne. Les disjoncteurs coupure dans lhuile
ont cd la place
dautres types de technologie tels que le SF6 et le vide pour les
inconvnients
suivants :
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23 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Niveau de scurit et de maintenance lev pour contrler la
dgradation des
proprits dilectriques de lhuile et lusure des contacts ;
La dcomposition de lhuile chaque coupure est un phnomne
irrversible ;
Risque dexplosion et dinflammation.
La coupure dans le SF6
Depuis plusieurs annes, les constructeurs de disjoncteurs se
sont orients vers le
SF6 (hexafluorure de soufre) comme milieu de coupure, vu ses
qualits chimiques et
dilectriques. Sous leffet de la temprature, la molcule SF6 se
dcompose, mais
ds que le courant retrouve des valeurs faibles, la molcule se
compose nouveau.
Le SF6 prsente une conductivit thermique quivalente celle de
lair, une rigidit
dilectrique leve, et une constante de dsionisation faible.
Larc lectrique est compos dun plasma de SF6 dissoci, de forme
cylindrique. Ce
plasma comporte un noyau temprature trs leve, entour dune gaine
de gaz
plus froid. La totalit du courant est transporte par le noyau.
La gaine extrieure
reste isolante.
La coupure dans le vide
Daprs la courbe de Paschen (Fig.3), le vide prsente des
performances trs
intressantes: partir dune pression de 10-5 bars, la rigidit
dilectrique est de 200
kV pour une distance entre lectrodes de seulement 12 mm. En
labsence de milieu
de coupure, larc lectrique, dans la coupure sous vide, est
compos de vapeurs
mtalliques et dlectrons provenant des matriaux composant les
contacts. Cet arc
peut tre diffus ou concentr. Les constructeurs de disjoncteurs
avec ampoule sous
vide ont port leur recherche au niveau des matriaux des
contacts, leur forme et les
mcanismes de coupure. La coupure dans le vide est trs employe
aujourdhui en
moyenne tension, trs peu utilise en basse tension pour des
raisons de cot, et
reste dans le domaine prospectif pour la haute tension (> 50
kV). Grce sa grande
endurance lectrique avec des TTR front de monte trs raides, la
coupure sous
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COURS DE TECHNOLOGIE ET SCHEMAS DUT 2
24 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
vide est aujourdhui largement utilise en MT pour lalimentation
des moteurs, cble,
lignes ariennes, transformateurs, condensateurs, fours
arc...
VI. FONCTIONS DE LAPPAREILLAGE ELECTRIQUE
Sous la dnomination appareillage, nous rangeons lensemble des
matriels
permettant dtablir ou dinterrompre et de distribuer lnergie
lectrique, et dassurer
les fonctions de connexion, de commande et de protection.
A. APPAREILLAGES DE CONNEXION ET DE SEPARATION
Les appareillages de connexion sont conus pour excuter la
fonction de sparation
qui correspond la mise hors tension de tout ou une partie dune
installation et
garantir sa sparation de toute source dnergie lectrique. En
basse tension, ils sont
des dispositifs tablis gnralement une fois pour toutes et ne
pouvant tre modifis
sans intervention sur leurs lments, le plus souvent laide
doutils. Il sagit de :
jeux de barres bto-barres et drivations (souds, boulonns, assurs
par
serre-barres) ;
bornes de diffrents modles (bornes vis, sans vis, cages, plage,
tige,
trier, plots, en barrettes) ;
cosses et raccords (souds, sertis, griffes, brides) ;
cosses, clips et languettes, pour connexions rapides ;
raccords et connexions percement disolant, utiliss dans des
applications
particulires (tlphonie, lignes ariennes et conducteurs isols
en
faisceaux) ;
botes en plastique ou en fonte remplies de paraffine pour les
connexions
immerges. Ces connexions sont effectues soit sur les bornes
des
appareillages, soit sur des bornes places dans les enveloppes
des
appareillages (coffrets, tableaux), soit encore dans des botes
affectes
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25 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
ce seul usage (botes de connexion), de faon rester accessibles
pour
vrifications ou interventions.
1. Contacts permanents
Les contacts permanents sont destins relier lectriquement de
faon permanente
de parties dun circuit lectrique. On peut les classer en deux
grandes catgories : La
premire est celle des contacts non dmontables (embrochs,
soudetc.).La
seconde est celle des contacts dmontables (boulonns ou par
coincementetc.).
2. Bornes de connexion
Sont des dispositifs excuts aux niveaux des appareils lectriques
(machines
lectriques, transformateurs, appareils de mesure) pour raliser
des contacts
permanents simples et dmontables.
3. Prises de courant (basse tension)
Organes de connexion dans lesquelles les appareils lectriques
sont relis aux
sources dnergie dune faon simple.
4. Les sectionneurs
a. Rle
Le sectionneur est un appareil mcanique de connexion capable
douvrir et de
fermer un circuit lorsque le courant est nul ou pratiquement
nul, afin disoler la partie
de linstallation en aval du sectionneur.
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26 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
b. Principe de fonctionnement
Mettre hors tension une installation lectrique ou une partie de
cette installation en
toute scurit lectrique. (Pas de pouvoir de coupure, quand le
sectionneur est
manuvr, le courant doit tre nul. Cela permet, par exemple, de
condamner un
circuit lectrique (avec cadenas le cas chant) afin de travailler
en toute scurit.
c. Caractristiques principales :
Intensit maximum supporte par les ples de puissance
Tension maximum d'isolement entre les ples de puissance
nombre de ples de puissance (tripolaire ou ttra-polaire)
nombre de contact de pr-coupure
Peut tre avec ou sans manette
Peut tre avec ou sans systme de dtection de fusion de
fusible
Sinstalle majoritairement en tte dune installation lectrique ;
Permet
disoler un circuit lectrique du rseau dalimentation;
Est un organe de scurit lors dune intervention de maintenance:
cadenass
en position ouverte par un agent de maintenance, il interdit la
remise en route
du systme
Peut tre manipul depuis lextrieur de larmoire lectrique grce
une
poigne.
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27 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Contrairement linterrupteur sectionneur, le sectionneur porte
fusible na pas de
pouvoir de coupure : il ne permet pas de couper un circuit
lectrique en charge
(moteur lectrique en rotation, rsistances de chauffage
alimentes,) ; A la
diffrence du sectionneur porte-fusibles, linterrupteur
sectionneur na pas de fusible
associ, il faudra donc rajouter dans le circuit un systme de
protection contre les
courts-circuits.
d. Diffrentes organes
Les contacts principaux (1-2), (3-4) et (5-6) :
Permettent dassurer le sectionnement de linstallation.
Les contacts auxiliaires (13-14), (23-24) :
Permettent de couper le circuit de commande des contacteurs
avant louverture des
contacts principaux. Louverture du circuit de commande de
lquipement entranant
louverture de son circuit de puissance, celui-ci nest donc
jamais ouvert en charge.
Inversement, la mise sous tension, le contact auxiliaire est
ferm aprs la
fermeture des contacts principaux.
La poigne de commande :
Elle peut tre verrouille en position ouverte par un cadenas
(scurit).
Les fusibles :
Assurant la protection contre les surcharges et les
courts-circuits dans linstallation
ou lquipement lectrique.
e. Choix de composant :
Le choix dun sectionneur porte-fusibles dpend de la taille des
fusibles qui lui sont
associs, donc par consquent, de la puissance absorbe par la
partie puissance du
circuit. Le choix de linterrupteur sectionneur dpendra de la
puissance absorbe par
lensemble de linstallation.
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28 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
f. Symbole : Q
Plusieurs types de configurations peuvent tre utilises en
fonction du besoin du
systme. Voici quelques exemples :
g. Diffrents types de sectionneurs
Sectionneur porte-fusibles tripolaire avec contact(s) de
pr-coupure avec
poigne extrieure :
A utiliser dans un circuit triphas (sans neutre) ; Les contacts
de pr-coupure
permettent disoler la partie commande du circuit.
Sectionneur porte-fusibles tripolaire avec contact de neutre et
de pr-coupure
avec poign extrieure :
A utiliser dans un circuit triphas avec neutre; le neutre du
sectionneur ne doit pas
contenir de fusible, mais une barrette de neutre prvue cet
effet.
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29 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Le sectionneur ouvert, il n'y a plus de tension nulle part dans
l'installation qui en
dpend, sauf sur les bornes 1, 3, 5
Sectionneurs BT domestique
La fonction sectionneur est obligatoire au dpart de chaque
circuit est ralise par
des sectionneurs fusibles incorpors.
Sectionneurs BT industriels
Ces appareils assurent la fonction de sectionnement au dpart des
quipements. En
gnral des derniers comportent des fusibles et des contacts
auxiliaires.
Sectionneurs MT et HT
Sont trs employs dans les rseaux de moyenne et haute tension
pour garantir
lisolement des lignes et des installations avec coupure
visible.
B. APPAREILLAGES DINTERRUPTION
1. Les interrupteurs
a. Rle
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30 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Appareil mcanique de connexion capable dtablir, de supporter et
dinterrompre
des courants dans des conditions normales du circuit.
b. Symbole
2. Les interrupteurs-sectionneurs
a. Rle
Les interrupteurs-sectionneurs satisfont les applications
dinterrupteurs par la
fermeture et la coupure en charge de circuits rsistifs ou
mixtes, rsistifs et inductifs,
ceci pour des manuvres frquentes.
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31 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
c. Caractristiques principales
Uni/Bi/Tri/Ttrapolaire; Jusqu 1250A sous 1000V (en BT) ; Coupure
pleinement
apparente ;
c. Exemples dapplication
Manuvres ; Arrt durgence.
3. Les contacteurs
a. Rle
Appareil lectromagntique de connexion ayant une seule position
de repos,
command lectriquement et capable dtablir, de supporter et
dinterrompre des
courants dans des conditions normales du circuit. Cest
essentiellement un appareil
de commande et de contrle capable deffectuer un grand nombre de
manuvres
sous des courants de charges normaux.
b. Symbole
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32 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
c. Construction gnrale
Ils peuvent tre unipolaires, bipolaires, tripolaires ou encore
ttrapolaires, en
dautres termes ils possdent un, deux, trois ou quatre contacts
de puissance. Sur
les contacteurs de puissance leve les bobines sont souvent
interchangeables,
permettant de commander le contacteur avec diffrentes tensions
(24V, 48V, 110V,
230V, 400V). Les contacteurs tripolaires comportent la plupart
du temps un contact
auxiliaire, tandis que les contacteurs ttrapolaires n'en ont en
gnral pas (la place
du contact auxiliaire tant occupe par le quatrime contact de
puissance 7-8 non
reprsent sur le schma ci-dessous). La diffrence entre contact de
puissance et
contact auxiliaire rside dans le fait que le contact de
puissance est prvu pour
rsister lors de l'apparition d'un arc lectrique, lorsqu'il ouvre
ou ferme le circuit; de
ce fait, c'est ce contact qui possde un pouvoir de coupure. Le
contact auxiliaire n'est
dot que d'un trs faible pouvoir de coupure; il est assimil la
partie
commande du circuit dont les courants restent faibles face la
partie puissance.
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33 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
c.1. Les contacts principaux
Sont les lments de contacts qui permettent dtablir et
dinterrompre le courant
dans le circuit de puissance.
c.2. Organe de manuvre (lectro-aimant)
Il est compos dun bobinage en cuivre et dun circuit magntique
feuillet compos
dune partie fixe et dune autre mobile. Lorsque llectro-aimant
est aliment, la
bobine parcourue par le courant alternatif cre un champ
magntique canalis par le
circuit magntique provoquant le rapprochement de la partie
mobile et ainsi la
fermeture des contacts.
c.3. Bagues de dphasage (spires de Frager) sont des lments dun
circuit
magntique fonctionnant en alternatif. Le rle de la spire
conductrice (en court-
circuit) en alliage cuivreux est de crer un flux magntique
secondaire partir dun
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34 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
flux principal cr par un bobinage inducteur parcouru par un
courant alternatif
sinusodal. La spire embrasse un flux principal variant en
permanence. Elle est le
sige dune force lectromotrice induite (fem), donc une tension
interne la spire. La
spire tant en court-circuit, elle est parcourue par un courant
induit. Ce courant induit
cr alors lui-mme un flux secondaire au niveau de la spire. De
par les lois de
llectromagntisme, ce flux secondaire est dphas par rapport au
flux principal, ce
qui signifie que les deux flux alternatifs ne passent pas par
zro au mme moment.
Ainsi, dans le circuit magntique les deux flux se composent en
un flux rsultant
ayant dautres proprits que le flux principal (vitent les
vibrations dues lalimentation en courant alternatif de la bobine
du contacteur).
d. Accessoires
Contacts auxiliaires instantans
Les contacts auxiliaires sont destins assurer lauto
alimentation, les verrouillages
des contactsetc. Il existe deux types de contacts, les contacts
fermeture et les
contacts ouverture.
Contacts temporiss
Le contact temporis permet dtablir ou douvrir un contact aprs
certains temps
prrgl de faon permettre notre quipement de fonctionner
convenablement.
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35 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Dispositif de condamnation mcanique
Cet appareillage interdit lenclenchement simultan de deux
contacteurs juxtaposs.
e. Critres et choix dun contacteur
Le choix d'un contacteur est fonction de la nature et de la
valeur de la tension du
rseau, de la puissance installe, des caractristiques de la
charge, des exigences
du service dsir.
Catgorie demploi
Les catgories demploi normalises fixent les valeurs de courant
que le contacteur
doit tablir et couper. Elles dpendent :
De la nature du rcepteur.
Des conditions dans lesquelles seffectuent fermetures et
ouvertures.
Courant demploi Ie : Il est dfini suivant la tension assigne
demploi, la
frquence et le service assigns, la catgorie demploi et la
temprature de
lair au voisinage de lappareil.
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36 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Tension demploi Ue : Cest la valeur de tension qui, combine avec
un
courant assign demploi, dtermine lemploi du contacteur. Pour les
circuits
triphass, elle s'exprime par la tension entre phases.
Pouvoir de coupure : Cest la valeur efficace du courant maximal
que le
contacteur peut couper, sans usure exagre des contacts, ni
mission
excessive de flammes. Le pouvoir de coupure dpend de la tension
du
rseau. Plus cette tension est faible, plus le pouvoir de coupure
est grand.
Pouvoir de fermeture : C'est la valeur efficace du courant
maximal que le
contacteur peut tablir, sans soudure des contacts.
Endurance lectrique (dure de vie) : C'est le nombre de manuvres
maximal
que peut effectuer le contacteur. Ce nombre dpend du service
dsir.
Facteur de marche : C'est le rapport entre la dure de passage du
courant et
la dure d'un cycle de manuvre.
Puissance : Cest la puissance du moteur normalis pour lequel le
contacteur
est prvu la tension assigne demploi.
Tension de commande Uc : Cest la valeur assigne de la tension
de
commande sur laquelle sont bases les caractristiques de
fonctionnement de
(12V 400V) alternatif ou continu.
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37 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Exemples :
Choisissez le contacteur correspondant aux cahiers des charges
suivants :
Moteur Asynchrone triphas (coupure moteur lanc) de 15 kW et de
cos = 0.8
sous 400V,
50Hz, tension de commande sous 24V 50Hz.
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38 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Choisissez le contacteur correspondant aux cahiers des charges
suivants :
Moteur Asynchrone triphas cage de 37 kW sous 230V, 50Hz, tension
de
commande 24V, 50/60Hz.
D. APPAREILLAGES DE PROTECTION
1. Fusible
Le fusible est un lment de faiblesse dans un circuit lectrique.
S'il y a surintensit
c'est l que le circuit doit se couper. Actuellement les fusibles
sont en cartouche.
a. Rle
La fonction du fusible est dassurer la protection des circuits
lectriques contre les
courts- circuits et les surcharges par la fusion dun lment
calibr lorsque le courant
qui le traverse dpasse la valeur de son calibre. La fusion est
cre par un point
faible dans le circuit grce un conducteur dont la nature, la
section et le point de
fusion sont prdtermins par le conducteur. En gnral, le fusible
est associ un
porte fusible permet davoir la fonction sectionneur.
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39 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
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COURS DE TECHNOLOGIE ET SCHEMAS DUT 2
40 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Courant nominal ou calibre dune cartouche fusible In
Cest le calibre du fusible. Il peut donc traverser le fusible en
permanence sans
provoquer la fusion ni dchauffement anormal.
Tension nominale dune cartouche fusible Un : Cest la tension
maximale pour
laquelle le fusible peut tre utilis (250, 400, 500 ou 600V). Il
existe des fusibles pour
la haute tension.
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41 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Courant de fusion If
Cest la valeur spcifie du courant qui provoque la fusion de la
cartouche avant la
fin du temps conventionnel.
Courant de non fusion Inf
Cest la valeur du courant qui peut tre support par le fusible
pendant un temps
conventionnel sans fondre.
Pouvoir de coupure dune cartouche fusible
Cest le courant maximal quun fusible peut couper sans que la
tension de
rtablissement ne provoque un ramorage de larc. Les fusibles
possdent de trs
hauts pouvoirs de coupure (de 80 170 kA).
Contraintes thermiques dune cartouche fusible (I2t) Cest lnergie
par unit de
rsistance ncessaire la fusion du fusible. Cette contrainte
thermique doit tre
infrieure celle de linstallation protger.
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42 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Temps de pr-arc, temps darc et temps de coupure
Le courant crot pendant un temps T1, cest le temps de pr-arc, au
bout duquel
llment fusible entre en fusion. Dans ce cas, il se forme un arc
lintrieur de la
cartouche qui steint au bout dun temps T2 appel temps darc. La
dure de
fonctionnement totale T est gale la somme de la dure de pr-arc
et de la dure
darc soit le temps T1+T2. Si le courant de court-circuit est
suffisamment important,
la dure de fonctionnement peut tre infrieure une demi-priode,
sinon elle dure
plusieurs priodes.
Caractristiques temps/courant dune cartouche fusible : Les
caractristiques
temps/courant expriment la dure relle du pr-arc (en seconde) en
fonction du
courant efficace (en ampre) indiqu en multiple de lintensit
nominale.
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43 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
e. Les diffrents types et formes de fusible
Il existe principalement quatre types de fusibles :
Les fusibles gG
Les fusibles gG sont des fusibles dit protection gnrale ,
protgent les circuits
contre les faibles et fortes surcharges ainsi que les
courts-circuits. Les inscriptions
sont crites en noir. Limage montre un fusible cylindrique.
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COURS DE TECHNOLOGIE ET SCHEMAS DUT 2
44 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Les fusibles aM
Les fusibles aM sont des fusibles dit accompagnement moteur ,
protgent les
circuits contre les fortes surcharges ainsi que les
couts-circuits. Ils sont conus pour
rsister une surcharge de courte dure tel le dmarrage dun moteur.
Ils seront
associs un systme de protection thermique contre les faibles
surcharges. Les
inscriptions sont crites en vert. Limage montre un fusible
couteaux.
Remarque : Les fusibles aM ntant pas prvus pour une protection
contre les faibles
surcharges, les courants conventionnels de fusion ou de non
fusion ne sont pas
fixs. Ils fonctionnent partir de 4.In environ.
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45 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Les fusibles AD
Les fusibles AD sont des fusibles dits accompagnement
disjoncteur, ce type de
fusibles est utilis par les distributeurs sur la partie de
branchement. Les inscriptions
sont crites en rouges.
Les fusibles UR
Les fusibles ultra-rapides (UR) assurent la protection des
semi-conducteurs de
puissance et des circuits sous tension continue.
Dsignation : diamtre ( mm ), longueur ( mm ), calibre ( A )et
type ( g1 , gf ou Am )
Exemple : fusible 10.3 x 38 20 A Am
f. Choix dun fusible
Pour choisir un fusible, il faut connatre les caractristiques du
circuit protger :
circuit de distribution, fusibles gG;
circuit dutilisation moteur, fusible aM. Une protection par
fusible peut
sappliquer un dpart (ligne) ou un rcepteur. Le choix du fusible
seffectue
sur les points suivants :
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46 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
La classe : gG ou aM.
Le calibre In
La tension demploi U (infrieure ou gale nominale Un)
Le pouvoir de coupure Pdc
La forme du fusible (cylindrique ou couteaux)
La taille du fusible Par ailleurs, il faut vrifier que la
contrainte thermique du
fusible est bien infrieure celle de la ligne protger : I2.t du
fusible
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47 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
2. Relais thermique
a. Rle
Le relais thermique est un appareil qui protge le rcepteur plac
en aval contre les
surcharges et les coupures de phase. Pour cela, il surveille en
permanence le
courant dans le rcepteur. En cas de surcharge, le relais
thermique nagit pas
directement sur le circuit de puissance. Un contact du relais
thermique ouvre le
circuit de commande dun contacteur est le contacteur qui coupe
le courant dans le
rcepteur.
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48 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
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49 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
d. Principe de fonctionnement
Le relais thermique utilise un bilame form de deux lames minces
de mtaux ayant
des coefficients de dilatation diffrents. Le bilame sincurve
lorsque sa temprature
augmente. Pour ce bilame, on utilise un alliage de Ferronickel
et de llnvar (un
alliage de Fer
(64 %) et de Nickel (36 %) avec un peu de Carbone et de Chrome).
Si le moteur est
en surcharge, lintensit I qui traverse le relais thermique
augmente, ce qui a pour
effet de dformer davantage les trois bilames. Un systme
mcanique, li aux
bilames, assure louverture du contact auxiliaire (NC 95-96).
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COURS DE TECHNOLOGIE ET SCHEMAS DUT 2
50 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
1. Principe du dispositif diffrentiel :
En cas de coupure de phase ou de dsquilibre sur les trois phases
dalimentation
dun moteur, le dispositif dit diffrentiel agit sur le systme de
dclenchement du
relais thermique.
2. Principe de la compensation en temprature
Afin dviter un dclenchement intempestif d aux variations de la
temprature
ambiante, un bilame de compensation est mont sur le systme
principal du
dclenchement. Ce bilame de compensation se dforme dans le sens
oppos celui
des bilames principaux.
e. Courbe de dclenchement
Cest la courbe qui reprsente le temps de dclenchement du relais
thermique en
fonction des multiples de lintensit de rglage.
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COURS DE TECHNOLOGIE ET SCHEMAS DUT 2
51 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
f. Classes de dclenchement
Il existe quatre classes de relais thermique : 10 A, 10A, 20A,
30A. Ces classes sont
fonctions du temps de dclenchement partir de ltat froid (pas de
passage
pralable de courant).
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52 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
g. Choix dun relais thermique
Le relais thermique se choisit en fonction de la classe dsire
et/ou du courant
nominal du rcepteur protger. La classe est dfinie en fonction de
la dure de
dclenchement pour un courant de 7,2 fois le courant de
rglage.
Classe 10A : Temps de dclenchement compris entre 2 et 10 s.
Classe 20 A : Temps de dclenchement compris entre 6 et 10 s.
Remarques :
Lorsquun contacteur est muni dun relais thermique, lensemble
constitue un
discontacteur;
Le relais thermique ne protge pas contre les courts-circuits
;
Le relais thermique ne protge pas le moteur en cas de
court-circuit, il ne le
protge que contre les surcharges. Il faut donc prvoir un autre
quipement,
-
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comme un sectionneur porte fusible quip de fusibles de type aM,
qui eux ne
protgent pas le moteur contre une surcharge mais contre un court
circuit ;
On peut galement utiliser un disjoncteur moteur de type
magntothermique, qui lui assure les deux fonctions : magntique
(court-
circuit) et thermique (surcharge).
Exemple 1 : Un rcepteur (moteur) absorbe un courant nominal de
25 A. Une
surcharge apparat. On mesure un courant de surcharge de 40
A.
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1er cas : pour une dure de surcharge de 10 s, est-ce que le
relais thermique
dclenche ?
2me cas: pour une dure de surcharge de 3 min, est-ce que le
relais thermique
dclenche ?
Exemple 2
Un rcepteur (moteur) absorbe un courant nominal de 25 A. Donnez
la rfrence du
relais thermique choisi.
3. Relais magntique (lectromagntique)
a. Rle
Le relais magntique, encore appel relais de protection maximum
de courant, est
un relais unipolaire (un pour chaque phase dalimentation) dont
le rle est de
dtecter lapparition dun court-circuit. Il sensuit quil na pas de
pouvoir de coupure
et que ce sont ses contacts ouverture (91-92) et fermeture
(93-94) qui vont tre
utiliss dans le circuit de commande pour assurer louverture du
circuit de puissance
du rcepteur et signaler le dfaut. Ce relais est recommand pour
la protection des
circuits sans pointe de courant ou au contrle des pointes de
dmarrage des moteurs
asynchrones bagues.
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e. Principe de fonctionnement
En fonctionnement normal, le bobinage du relais magntique est
parcouru par le
courant du court-circuit. En cas de forte surcharge ou de
court-circuit, la force
engendre par le champ magntique de la bobine devient suprieure
la force du
rappel du ressort et le relais magntique dclenche.
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La raideur du ressort permet de rgler pour quelle valeur du
courant se produira la
coupure. Le dclenchement est instantan avec un temps de rponse
de lordre de
milliseconde.
d. Rglage
Le rglage de lintensit de dclenchement sobtient en faisant
varier lentrefer du
relais laide dune vis (ou une molette) gradue directement en
Ampres. Le choix
du rglage doit tenir compte :
De lintensit du rglage en service permanent ;
De la valeur du rglage qui doit tre suprieure au courant et aux
pointes
normales.
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4. Relais magnto-thermique
Cest un dclencheur ou relais maximum de courant qui fonctionne
la fois sous
laction dun lectro-aimant et sous leffet thermique provoqu par
le courant qui le
parcourt. Cest lassociation dun relais magntique et dun relais
thermique, le
premier assurant la protection contre les surintensits brutales
(dclenchement
instantan), ventuellement les courts- circuits, le second contre
les surcharges
lentes (dclenchement retard).
5. Discontacteurs
Le discontacteur est un contacteur quip dun relais thermique
destin assurer la
protection contre les surcharges. Le discontacteur :
Permet la commande distance ;
Ralise des systmes automatiques ;
Dtecte toute coupure de lalimentation ;
Assure des verrouillages lectriques ;
Spare le circuit de commande du circuit de puissance ;
Protge les rcepteurs contre les surcharges.
6. Le Disjoncteur Magnto-thermique
a. Rle
Un disjoncteur est un appareil de connexion lectrique capable
d'tablir, de supporter
et d'interrompre des courants dans les conditions normales du
circuit, ainsi que
d'tablir, de supporter pendant une dure spcifie et d'interrompre
des courants
dans des conditions anormales spcifies telles que celles du
court- circuit ou de la
surcharge. Cest un organe lectromcanique, de protection, dont la
fonction est
d'interrompre le courant lectrique en cas d'incident sur un
circuit
lectrique. Il est capable d'interrompre un courant de surcharge
ou un courant de
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court-circuit dans une installation. Suivant sa conception, il
peut surveiller un ou
plusieurs paramtres d'une ligne lectrique. Sa principale
caractristique par rapport
au fusible est qu'il est rarmable.
b. Principe
Le disjoncteur assure la protection des canalisations selon 2
principes:
Thermique
Magntique
Principe thermique
Une lame bimtallique (bilame) est parcourue par le courant. Le
bilame est calibr de
telle manire qu'avec un courant nominal In, elle ne subisse
aucune dformation. Par
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contre si des surcharges sont provoques par les rcepteurs, en
fonction du temps,
la lame va se dformer et entraner l'ouverture du contact en
0,1sec au minimum
Principe magntique
En service normal, le courant nominal circulant dans la bobine,
n'a pas assez
d'influence magntique (induction magntique) pour pouvoir attirer
l'armature mobile
fixe sur le contact mobile. Le circuit est ferm. Si un dfaut
apparat dans le circuit
aval du disjoncteur de canalisation, l'impdance du circuit
diminue et le courant
augmente jusqu' atteindre la valeur du courant de court-circuit.
Ds cet instant, le
courant de court-circuit provoque une violente aimantation de
l'armature mobile. Cela
a comme consquence d'ouvrir le circuit aval du disjoncteur en
0,1sec au maximum.
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a. Chambre de coupure
Le but de cette chambre est de couper le plus rapidement
possible l'arc lectrique
qui se produit louverture du contact.
Ds la sparation des contacts, larc est dplac vers la chambre de
coupure sous
leffet de la force dite de Laplace, induite par la gomtrie des
contacts fixe et mobile.
Au cours du trajet entre les contacts et la chambre, larc est
canalis entre deux
joues qui permettent :
- daugmenter sa vitesse de dplacement,
- de guider sa trajectoire,
- de lallonger.
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b. Caractristiques et classification
Les principales caractristiques lectriques des disjoncteurs sont
:
La tension assigne d'emploi Ue qui reprsente la tension maximale
de
fonctionnement du disjoncteur,
Le courant assign In, encore appel calibre , qui correspond la
valeur
maximum du courant que le disjoncteur peut supporter de
manire
permanente,
le pouvoir de coupure ultime Icu ou pouvoir de coupure nominal
Icn qui
correspond l'intensit maximale d'un courant de court-circuit
thorique, que
le disjoncteur est capable d'interrompre sans risque de
destruction, il doit tre
suprieur au courant de court-circuit que lon peut atteindre sur
la ligne.
Laptitude au sectionnement qui garantit que le disjoncteur est
capable
d'assurer la sparation des circuits et qu'aucun courant rsiduel
dangereux ne
peut circuler lorsque l'appareil est ouvert,
Le pouvoir de limitation qui caractrise l'aptitude ne laisser
passer qu'une
partie du courant lors d'un court-circuit,
Le nombre de ples coups et le nombre de ples protgs (4P, 3P,..):
il est
fonction du rseau et de la charge.
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Le modle (modulaire, compact,..) : Le modle est principalement
impos par
In.
f. Courbe de dclenchement
C'est l'association de la courbe de dclenchement du relais
thermique et de la
courbe de dclenchement du relais magntique.
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g. Diffrentes techniques utilises par les disjoncteurs
1. Thermique
Le courant traverse le disjoncteur o des spires de fil chauffent
par effet Joule un
bilame, si l'chauffement devient suffisamment important, le
bilame se dclenche
interrompant ainsi le courant. Ce systme lectromcanique est
assez simple et
robuste. Par contre, il n'est pas trs prcis et son temps de
raction est relativement
lent. C'est l'une des fonctions classiquement remplie par un
fusible gG
(anciennement gl -
usage gnral). La protection thermique a pour principale fonction
la protection des
conducteurs contre les chauffements dus aux surcharges prolonges
de
l'installation.
2. Magntique
Un bobinage dtecte le champ lectromagntique gnr par le courant
traversant le
disjoncteur, lorsqu'il dtecte une pointe de courant suprieur la
consigne,
l'interruption est "instantane" dans le cas d'une bobine rapide
ou "contrle" par un
fluide dans la bobine qui permet des dclenchements retards. Il
est gnralement
associ un interrupteur de trs haute qualit qui autorise des
milliers de
manuvres.
Ce fonctionnement peut remplacer le fusible sur les
courts-circuits.
Suivant le type de disjoncteur, la valeur d'intensit de consigne
va de 3 15 fois
l'intensit nominale (pour les modles courants) ;
Nombreuses courbes de dclenchement pour CC, CA 50/60 Hz et 400
Hz.
C'est la fonction remplie par un fusible aM (protection des
moteurs). La protection
magntique a pour principale fonction la protection des
quipements contre les
dfauts (surcharge de l'quipement, court-circuit, panne, ...). Il
est choisi par
l'ingnieur qui a le souci de protger son quipement avec trs
grande prcision.
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3. Diffrentielle
Un disjoncteur diffrentiel est un interrupteur diffrentiel
ralisant galement une
protection en courant de court-circuit (surcharge). Le principe
d'un dispositif
diffrentiel courant rsiduel (DDR) est de comparer les intensits
sur les diffrents
conducteurs qui le traversent. Par exemple, en monophas, il
compare l'intensit
circulant dans le conducteur de phase, et celle du conducteur de
neutre. C'est un
appareil de protection des personnes et de dtection des courants
de fuite la terre
de l'installation lectrique. Le dispositif diffrentiel est bas
sur le principe suivant :
dans une installation normale, le courant lectrique qui arrive
par un conducteur doit
ressortir par un autre.
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66 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Dans une installation monophase, si le courant dans le
conducteur de phase au
dpart d'un circuit lectrique est diffrent de celui du conducteur
neutre, c'est qu'il y a
une fuite. La diffrence d'intensit du courant laquelle ragit un
disjoncteur est
appele la "sensibilit diffrentielle du disjoncteur"
(obligatoirement 30 mA sur les
circuits terminaux domestiques), note In ("i delta n"). Son
fonctionnement est trs
simple : chaque conducteur passe dans un tore magntique,
formant ainsi des champs lectromagntiques de force identique et
en opposition qui
s'annulent. En cas de diffrence, d'o son nom de diffrentiel, le
champ
lectromagntique rsultant actionne un dispositif qui coupe
immdiatement le
courant. On doit avoir donc : Monophas, triphas sans neutre,
triphas avec neutre.
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1. Disjoncteur divisionnaire (domestique)
La tendance est au remplacement des fusibles sur les tableaux de
distribution
dabonns par des disjoncteurs magntothermiques qui assurent la
protection des
lignes et des appareils dutilisation.
Caractristiques : Rseau 220-380 V, pouvoir de coupure : 6000
A.
Calibres : 10-15-20-25-32 A.
2. Disjoncteur industriel BT
Pour la commande de la protection des circuits de moteurs et de
distribution, il existe
deux types de construction de disjoncteurs.
a) Les disjoncteurs sous botier moul de 32 1250 A
La commande de ces disjoncteurs est en gnral manuelle, ils sont
quips de
relais thermiques magntiques ou magntothermiques.
b) Les disjoncteurs sur chssis mtallique
La commande de ces disjoncteurs peut tre manuelle ou lectrique.
Les
dclencheurs peuvent tre magntiques, thermiques ou
magntothermiques.
Caractristiques : Courant nominal thermique : 800 6300 A.
Pouvoir de coupure
sous 500 V : 70000 A. Pouvoir de fermeture : 175000 A.
Dclencheurs
magntothermiques rgls de 8 9 In.
3. Disjoncteur moyenne tension MT
Ils sont destins la protection des rseaux de distribution, et
des postes de
transformation, ils vont de 3 36 kV, ils sont raliss soit avec
coupure dans lair,
soit ils utilisent le gaz hexafluorure de soufre (SF6) pour
lisolement et la coupure.
4. Disjoncteur haute tension HT
Aprs la construction des disjoncteurs gros puits faible volume
dhuile, et le
disjoncteur air comprim, la nouvelle gnration des disjoncteurs
HT utilisent SF6.
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69 ENSEIGNANT : Hyacinthe KOSSI
Selon la tension un ple de disjoncteur est constitu dune ou
plusieurs chambres de
coupure.
i. Techniques de coupure pour disjoncteurs
Il y a des diffrentes techniques utilises par le disjoncteur
comme : Les disjoncteurs
lhuile, les disjoncteurs air comprim, les disjoncteurs au gaz
SF6, les
disjoncteurs vide (coupure dans le vide).