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Cahier technique n° 163 Coupure en BT par limitation du courant P. Schueller Co

Cahier technique n° 163 Coupure en BT par limitation du courant P. Schueller Collection technique Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titres édités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues et notices techniques. Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les installations, les systèmes et les équipements. Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des automatismes industriels. Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partir du site Schneider. Code : http://www.schneider-electric.com Rubrique : maîtrise de l’électricité Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactez votre agent Schneider. La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique » du groupe Schneider. Avertissement L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte des informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne saurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenus dans cet ouvrage. La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée après accord de la Direction Scientifique et Technique, avec la mention obligatoire : « Extrait du Cahier Technique Schneider n° (à préciser) ». Pierre Schueller Ingénieur Arts et Métiers et Institut d’Electrotechnique de Grenoble, entré chez Merlin Gerin en 1967, il a d’abord participé à la conception de disjoncteurs limiteurs basse tension pour la distribution terminale, puis industrielle. Aux Services Techniques de la Division Basse Tension de Puissance, il a dirigé de 1983 à 1996 le bureau d’étude ayant en charge le développement des capteurs et actionneurs. Depuis, il est en charge des domaines de la normalisation et de la propriété industrielle pour le compte des Equipements et Systèmes Basse Tension. n° 163 Coupure en BT par limitation du courant CT 163 édition septembre 1998 Cahier Technique Schneider n° 163 / p.2 Cahier Technique Schneider n° 163 / p.3 Coupure en BT par limitation du courant Ce Cahier Technique est une introduction simple aux principes de la limitation de courant en basse tension, technique développée par Merlin Gerin en courant continu dès 1930, et en alternatif à partir de 1954. Il facilite la compréhension des avantages que procure l’emploi des disjoncteurs-limiteurs dans une installation électrique. Le document se termine par une bibliographie détaillée à même de satisfaire la curiosité scientifique. Sommaire 1 Généralités 1.1 Définition p. 4 1.2 Pourquoi limiter ? p. 4 1.3 Comment limiter ? p. 5 1.4 Conditions à respecter par ua pour limiter courant p. 5 1.5 Cas particulier des disjoncteurs miniatures p. 6 2 Moyens d’obtention de la tension ua 2.1 Résistance à changement d’état p. 7 2.2 Résistance à coefficient de température positif p. 7 2.3 Résistance variable que constitue l’arc de coupure lui-même p. 7 3.1 Propulseurs de contacts p. 8 3.2 Déclencheurs ultra-rapides p. 9 4 Conclusion p. 10 5 Bibliographie p. 11 3 Propulseurs de contacts et déclencheurs ultra-rapides Cahier Technique Schneider n° 163 / p.4 Courant limité Courant présumé 0 T t i 1 Généralités 1.1 Définition Un dispositif est limiteur lorsque le courant qu’il laisse passer, sur court-circuit, est nettement inférieur en amplitude au courant présumé (cf. fig. 1 ). Dans le cas d’un disjoncteur limiteur, il y a simultanément, à cette réduction d’amplitude une réduction de la durée T de passage de courant par rapport au temps de passage du courant de court-circuit d’un disjoncteur non limiteur. 1.2 Pourquoi limiter ? c Pour réaliser des disjoncteurs plus économiques, surtout dans les faibles intensités nominales. L’appareil limiteur n’est traversé que par le courant limité beaucoup plus réduit que le courant présumé, et il n’a à couper que ce courant limité. c Pour minimiser les effets du courant de défaut dans une installation électrique. Quels sont ces effets ? Effet électromagnétique A une distance d d’un conducteur parcouru par un courant d’intensité I, il y a dans l’air une induction magnétique B de valeur : B=2 10-7 ¥ I d (avec les unités du Système MKSA). Exemple : avec I = 50 kA et d = 10 cm, B = 0,1 tesla. Conséquence possible : perturbation des dispositifs électroniques situés à proximité de conducteurs électriques parcourus par un courant de court-circuit. Effets mécaniques c Si à la distance d d’un conducteur parcouru par un courant I se trouve un autre conducteur parallèle au premier de même longueur L, et parcouru par un courant I’, ce conducteur est soumis à un effort F (d’attraction si I et I’ sont de même sens, de répulsion dans le cas contraire) qui vaut par unité de longueur : F L =B © I Si les deux conducteurs sont parcourus par le même courant I, la formule devient : F L =2 10-7 2 ¥ I d (avec les unités du système MKSA). Exemple : avec I = 50 kA et d = 10 cm, F L =5000N/m Conséquence possible : déformation ou rupture de pièces. c Dans tout appareillage, les contacts séparables, maintenus en contact par des ressorts, tendent à s’ouvrir sous l’effet d’une force électrodynamique dite de répulsion. Efforts qu’il faut parfois équilibrer par des systèmes de « compensation ». Pour I = 50 kA, cette force atteint 1000 N. Conséquence possible : amorçage entre les contacts d’appareils de commande avec détérioration des contacts. Effet thermique Lors d’un court-circuit, il y a un échauffement adiabatique Dq des conducteurs de section S s’élevant à : Dq= k S2 i dt T 2 Ú Fig. 1 : représentation des courants de court-circuit, présumé et limité. Cahier Technique Schneider n° 163 / p.5 Soit un circuit alternatif monophasé de puissance apparente S et de tension E, débitant dans une charge Z à travers un dispositif de protection A présentant une impédance négligeable avant son entrée en action (cf fig. 2 ), avec pour l’ensemble : source + ligne + défaut R = résistance équivalente L = inductance équivalente. Quand apparaît un court-circuit aux bornes de la charge Z, avant intervention de A (donc ua négligeable) le réseau est alimenté par une force électromotrice (f.e.m.) e telle que : e=Ri+L di dt donc le courant s’établit avec une dérivée initiale égale à : di dt      = 0 e L Cette dérivée est maximale lorsque le court-circuit se produit à l'instant du maximum de tension du réseau, ce qui correspond, pour des facteurs de puissance inférieurs à 0,25, à un courant présumé pratiquement symétrique. Exemple : Une source triphasée 50 Hz, 400 V entre phases, de puissance apparente S = 3200 kVA et de courant de court-circuit maximal de 100 kA eff (dont la crête peut dépasser 200 kA en asymétrique). La dérivée initiale maximale du courant est de 44 kA/ms. Pour éviter le développement de tels courants et pour ne pas supporter leurs effets, il faut interposer dans le circuit un dispositif de protection A limiteur qui, lors d’un court-circuit, insère très rapidement une chute de tension ou force contre électromo- trice ua qui s’oppose à la croissance du courant. 1.4 Conditions à respecter par ua pour limiter le courant Le schéma équivalent monophasé donne pour un court-circuit franc la relation suivante : E=Ri+L di dt +ua Une représentation vectorielle de l’impédance équivalente pour des facteurs de puissance cos ϕ i 0,25 (donc ϕ > 75°) montre que le terme L di/dt est beaucoup plus grand que le terme R i (cf. fig. 3 ), d’où en négligeant ce dernier : e=L di dt +ua Lorsque le courant limité atteint sa valeur crête, donc lorsque di dt =0, la f.e.m. a la valeur ua. 1.3 Comment limiter ? Fig. 2 : schéma de principe d’un circuit en défaut. Source S E R L i e ua Z A Défaut Fig. 3 : représentation vectorielle des deux composantes R i et L di/dt. L di dt ϕ R.i c i dt T 2 ∫ est appelée la contrainte thermique (exprimée en A2 s). c K est un coefficient dépendant de la nature des conducteurs (environ 6x10-3 °Kmm A s 4 2 pour le cuivre). Exemple : Un fil de cuivre, de section 1,5 mm2, s’échauffe de 110 °K environ lorsqu’il est parcouru par une alternance d’un courant de 2000 A eff à 50 Hz. Conséquences possibles évidentes : déformation de matériel et destruction d’isolant d’où risques d’incendie et d’électrocution. Cahier Technique Schneider n° 163 / p.6 Nota : ts est l’instant d’apparition de la tension ua (par ex : séparation des contacts ou bien vaporisation d’un élément fusible). Fig. 4 : courbes u = f(t) et i = f(t) développement de la tension d’arc et sa conséquence : la décroissance du courant de court-circuit. i présumé 10 ms t il i limité 5 ms i T 0 u rétablissement P e ua ts EM UM u Ce qui permet de conclure : le maximum uploads/Industriel/ ct163-pdf.pdf