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Prépa Concours - - TS Electrotechnique

Shanon - Contrôle prédictif - Lyapunov - DSP - Filtre RIF

Modes glissants - Conversion sigma-delta - Modulation AM - Commande avec frottement sec

Extrait du cours :

Distribution HT/BT

VI Choix d'une caractéristique de déclenchement

Le courant nominal d'une ligne et l'intensité de court-circuit à son départ étant connus, on peut procéder au choix de l'appareil assurant la protection du départ. Il s'agit soit d'un disjoncteur, soit d'un déclencheur à fusibles.

Dans tous les cas, les principes à respecter sont les mêmes :

un courant d'intensité normale ou inférieure peut être accepté pendant un temps indéfini (sauf pour les installations nécessitant une protection contre les sous-intensités)

un courant supérieur au courant normal doit être interrompu :

instantanément lorsque le dépassement est sévère

un temps d'attente est toléré si le dépassement est faible

Le critère à considérer est la quantité d'énergie thermique libérée dans les conducteurs.

On peut admettre le modèle simplifié suivant pour comprendre le phénomène d'échauffement:

la puissance thermique dégagée P₁ est proportionnelle à I², et ainsi l'apport de chaleur est proportionnel à I².t

la puissance thermique évacuée P₂ est proportionnelle à la différence de température entre le conducteur et le milieu ambiant, T_c - T_a

l'élévation de température est donnée par la relation : dT_c = a.[P₁ - P₂].dt , où a est un paramètre constant.

L'équation différentielle donnant la température est :

d[T_c - T_a] = a.k.I²(t) - a'. [T_c - T_a]

dont la solution pour I(t) = constante = I₀ est donnée par :

T_c(t) = T_a + a.k.I₀².(1-e^-a'.t)/a'

qui est la solution classique d'un système du premier ordre soumis à un échelon

Si l'on se fixe une température T_cm à ne pas dépasser dans le conducteur, alors on peut calculer le temps t_n qu'il faut pour atteindre cette température :

t_n =

Le graphe de la fonction t_n = f(I₀) est au coeur du dimensionnement des protections ; on la trouvera sous forme normalisée dans les deux graphes ci-dessous. Le premier est en coordonnées naturelles. Le second est tracé en coordonnées logarithmiques, qui sont le plus souvent employées par les fabricants de matériel, car elles permettent des comparaisons plus aisées sur des ordres de grandeurs.

figure 9 : caractéristique de tenue thermique normalisée d'un conducteur

L'appareil de protection, pour un conducteur ayant une caractéristique t_n = f(I) donnée, doit assurer le déclenchement pour les intensités supérieures ou égales à l'intensité qui endommagerait le conducteur ; le temps alloué à l'appareil pour déclencher ne doit pas excéder le temps indiqué.

D'autre part, l'appareil doit autoriser le fonctionnement, pour des intensités inférieures, pendant un temps suffisant pour que l'installation ait une utilité.

D'autres facteurs interviennent aussi pour décider quel peut être le délai disponible pour déclencher : l'appareil peut être utilisé pour remplir des fonctions supplémentaires. Par exemple, on peut l'utiliser pour la protection des personnes (déclenchement à maximum de courant dans le cas du régime TN), la protection du matériel (protection contre les effets thermiques et électrodynamiques lors d'un blocage rotorique de moteur par exemple : il n'y a pas de raison pour qu'un moteur ait la même caractéristique thermique que le conducteur qui l'alimente ; même si les conducteurs de la machine sont épais, ses possibilités de dissipation thermique sont faibles, surtout à rotor bloqué , i.e. en l'absence de ventilation.)

C'est dans le choix des seuils de déclenchement que réside l'art de régler les protections.

L'appareil de protection sera choisi et réglé pour avoir lui-même une caractéristique temps-intensité de déclenchement adaptée à l'usage prévu. Selon ce point de vue, on s'efforcera de superposer "au mieux" la caractéristique de l'appareil et celle de l'installation (conducteurs et matériels), en maintenat toutefois une marge de sécurité.

D'une manière générale, on envisage quatre zones pour régler le déclenchement :

figure 10 : les quatres zones de surintensité présentent un danger croissant

zone I I £ I_n : zone de fonctionnement permanent ; il n'y a aucun danger à faire fonctionner durablement l'installation sous une intensité plus faible que ce qui a été prévu. Aucun déclenchement dans cette zone.

zone II I > I_n ; I < 3 à 15 I_n: zone de fonctionnement en faible surcharge ; un échauffement progressif se manifeste, qui ne dépassera le seuil de tolérance qu'après un temps assez long. On a intérêt à autoriser le plus longtemps possible le fonctionnement dans cette zone quand la surintensité est liée à une utilisation normale des équipements : démarrages de moteurs, mise sous tension de transformateurs ... La caractéristique de coupure peut être dosée pour tenir compte à la fois de l'intensité et de sa durée ; il suffit que l'appareil de coupure soit sensible à I².t pour suivre fidèlement la caractéristique des conducteurs : on parle alors de délenchement "thermique", et on le réalise soit par des fusibles, soit par un disjoncteur de type "thermique". Ce dernier était réalisé traditionnellement par un élément chauffant (bilame), éventuellement "compensé" pour tenir compte de la température ambiante. Les disjoncteurs modernes réalisent la détection de I².t par intégration électronique : on verra les avantages de cette méthode plus loin.

Cette zone est parfois appelée zone de long retard. Certaines installations n'ont pas de zone de long retard (aucune surintensité n'est tolérée, la coupure est immédiate).

zone III I >> I_n ; I < I_cc : zone de fonctionnement en forte surcharge ; l'échauffement est rapide dans cette zone, et la coupure doit être rapide. Néanmoins, un bref retard à la coupure peut être toléré pour mettre en oeuvre la sélectivité des protections : on admet qu'un appareil de fort calibre, destiné à protéger un départ important, puisse assurer une certaine continuité d'alimentation, permettant ainsi d'effectuer la coupure au niveau d'un départ de calibre inférieur situé en aval : le défaut pourra être supprimé sans avoir à couper une large partie de l'installation.

Plusieurs cas sont donc à envisager :

1) le défaut est situé loin en aval : un disjoncteur plus petit assure la coupure ; le défaut ayant alors disparu, il n'y a plus lieu de couper.

2) le défaut est situé loin en aval, mais aucun appareil n'a pu couper.

3) le défaut est proche, mais n'est pas franc.

Dans ces deux derniers cas, après le retard prévu, la coupure est réalisée.

Cette zone est connue sous le nom de zone de court retard. La caractéristique de déclenchement peut être soit de type thermique rapide (fonction de I².t), soit de type "magnétique", fonction seulement de I. L'appareil est soit un fusible rapide, soit un disjoncteur thermique rapide, soit un disjoncteur de type magnétique. Ce dernier type était réalisé traditionnellement par un électroaimant, basculant rapidement dès qu'un certain courant passait, mais les appareils modernes réalisent cette détection de surintensité par une comparaison électronique.

zone IV : I » I_cc : zone de surcharge critique. Le courant qui se développe dans l'installation risque de produire à très court terme des dégats importants, soit par départ de feu direct (fusion de conducteurs), soit par arrachement des conducteurs (efforts électrodynamiques) suivi de départ de feu. Ce courant peut aussi être la manifestation d'un défaut de masse, mettant en danger la sécurité des personnes (en régime TN).

Tous les moyens doivent être mis en oeuvre pour couper immédiatement le courant ; la notion de sélectivité disparaît. Cette zone est appelée zone immédiate.

L'appareil de protection devra donc posséder une caractéristique de déclenchement adaptée à la définition de ces zones de sécurité. Dans bien des cas, une protection par fusible est suffisante ; c'est le cas par exemple dans les locaux d'habitation, dans lesquels les normes de construction imposent de dimensionner largement les canalisations, et de les protéger par des fusibles rapides : la caractéristique du fusible convient bien.

figure 11 : caractéristiques de cartouches gI (Legrand)

Dans les cas industriels simples, la protection par fusible est assez souvent satisfaisante. On peut avoir recours à une association de deux cartouches en série pour réaliser une caractéristique de déclenchement plus proche de celle que l'on souhaite.

figure 12 : association de deux fusibles (un lent et un rapide)

pour ajuster la caractéristique de protection.

Dans des cas plus complexes, comportant notamment des démarrages de moteurs, des mises sous tensions de transformateurs ou de cellules de condensateurs, ou simplement dans les cas de protection d'un départ ayant plusieurs sous-départs très différents, le réglage de la protection concourt à assurer la sécurité et la disponibilité de l'énergie.

On trouve alors des disjoncteurs disposant de nombreux réglages portant à la fois

sur les seuils et sur le type de détection (seuil fixe ou I².t)

[Pour plus ample illustration, voir la documentation des déclencheurs Merlin Gérin.]

Les disjoncteurs modernes dissocient deux fonctions :

la fonction "détection de la condition de déclenchement + commande du déclenchement", réalisée par une unité électronique performante, modulaire, interchangeable.

la fonction "coupure du courant", réalisée par les chambres de coupure ; à raison d'une chambre par pôle, pouvant être réparée ou changée à l'unité. [voir en annexe la documentation des disjoncteurs Masterpact Merlin Gérin)]

Ces disjoncteurs sont donc des appareils complexes, performants ; des modèles existent pour une large variété d'usages. Ils ont un poids financier important, par leur coût d'achat (plusieurs dizaines de milliers de francs pour un calibre de 2000 A), mais aussi par les fonctions qu'ils remplissent dans le processus de production.

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