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photographie n° 182 les disjoncteurs BT face aux courants harmoniques, impulsio

photographie n° 182 les disjoncteurs BT face aux courants harmoniques, impulsionnels et cycliques CT 182 édition novembre 1996 Michel Collombet Ingénieur INPG en 1968, il rejoint le groupe Schneider en 1975, où il devient responsable des développements électroniques numériques à SES (Systèmes Electroniques de Sûreté). Il est maintenant chargé des développements électroniques à DBTP (Division Basse Tension de Puissance). Bernard Lacroix Ingénieur ESPCI 74 (Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielle de Paris), il a travaillé 5 ans chez Jeumont Schneider où il a participé, entre autre, au développement du variateur de vitesse à hacheur du TGV. Entré chez Merlin Gerin en 1981, il a été successivement technico-commercial dans l’activité onduleur, puis responsable commercial de l’activité protection des personnes. Depuis 1991, il est en charge de la prescription dans le domaine de la distribution BT de Puissance. Cahier Technique Merlin Gerin n° 182 / p.2 Ir In courant assigné de la protection IZ courant admissible de la canalisation IB courant d'emploi du circuit Im Icu I t tr (tLR) (ILR) (ICR) (Iinst) tm (tCR) CEI 947-2 NF C 15-100 § 433.2 ASIC Application Specific Integrated Circuit. Filtre IIR Infinite Impulse Respond. GFP Ground Fault Protection. I seuil de déclenchement de la protection magnétique instantanée. Icu pouvoir de coupure ultime (maximum) d’un disjoncteur. Im réglage de la protection magnétique ou Court Retard (ICR). Ir réglage de la protection thermique ou Long Retard (ILR). tm réglage de la temporisation d’un déclencheur magnétique ou de la protection Court Retard (tCR). tr réglage (éventuel) du retard de la protection thermique ou de la temporisation de la protection Long retard (tLR). lexique D'autres grandeurs de courant sont définies dans la norme d’installation NF C 15-100 ; selon la figure ci-dessous. pour un disjoncteur IB i IZ i In = Ir Cahier Technique Merlin Gerin n° 182 / p.3 les disjoncteurs BT face aux courants harmoniques, impulsionnels et cycliques sommaire 1. Rappel sur le disjoncteur BT Rôle d'un disjoncteur p. 4 Technologie / organisation d'un disjoncteur BT p. 4 La mesure du courant p. 5 2. Les courants harmoniques Rappels théoriques sur les courants harmoniques p. 8 Générateurs de courants harmoniques p. 8 Gestion des courants harmoniques par les déclencheurs électroniques des disjoncteurs BT p. 10 3. Les courants impulsionnels Exemples de courants d'appel p. 11 Gestion des courants impulsionnels par les déclencheurs électroniques des disjoncteurs BT p. 11 Charges à courants cycliques p. 12 Gestion des courants cycliques par les déclencheurs électroniques des disjoncteurs BT p. 13 4. Disjoncteurs électroniques : Les réglages des disjoncteurs des possibilités étendues électroniques p. 14 Les apports du numérique à la sûreté d'exploitation p. 14 La communication par BUS p. 15 Les normes des disjoncteurs BT p. 15 Disjoncteurs électroniques : de nouvelles possibilités offertes p. 15 5. Conclusion p. 16 6. Bibliographie p. 16 L’évolution des récepteurs, résultat des avancées technologiques de cette dernière décennie, a amené plus de contraintes pour la distribution électrique. De ce fait, les protections ont dû s’adapter, notamment vis-à-vis de trois phénomènes : c courants harmoniques importants dus à la multiplication des charges non linéaires utilisant l’électronique de puissance (redresseurs, alimentations à découpage...) ; c courants impulsionnels provoqués par la mise sous tension de récepteurs à fort courant d’appel tels que : charges capacitives, transformateurs BT/BT ; c courants cycliques résultant du fort développement de l’automatisation des charges suivant des cycles répétitifs (robots de soudage, chauffage par trains d’ondes). L’objet de ce Cahier Technique est de montrer comment les déclencheurs électroniques prennent en compte ces nouvelles exigences et tendent à remplacer les déclencheurs magnétothermiques, et par ailleurs, comment, grâce aux possibilités de la technologie numérique, ils sont devenus des capteurs/actionneurs «intelligents et communiquants». et cycliques Cahier Technique Merlin Gerin n° 182 / p.4 rôle d’un disjoncteur Le rôle principal assigné à un disjoncteur est de protéger l’installation électrique, et les conducteurs situés en aval, contre les conditions anormales de fonctionnement : les surcharges et les courts-circuits. Pour assurer efficacement cette fonction, le déclencheur du disjoncteur doit prendre en compte l’évolution des récepteurs. Celle-ci se caractérise par : c une «pollution» accrue en harmoniques. Le développement de l’électronique de puissance, donc des charges non linéaires : machines de traitement de l’information, redresseurs, gradateurs, hacheurs... et l’évolution de la technologie des récepteurs - lampes à décharges, lampes fluorescentes...-, ont augmenté l’intensité des courants harmoniques dans les réseaux de distribution. c des courants «impulsionnels» plus fréquents dus aux charges classiques et nouvelles générant des courants d’appel importants : v condensateurs pour la compensation du cos ϕ (dont la valeur de référence a augmenté), transformateurs BT/BT, v mais aussi redresseurs avec condensateurs en tête de plus en plus répandus (lampes à starter électronique, ordinateurs…). c des récepteurs commandés suivant des «cycles». L’automatisation plus poussée entraîne des manœuvres plus répétitives de récepteurs tels que moteurs de process, robots de production, régulations thermiques par trains d’ondes... En parallèle à cette évolution, l’exigence d’une meilleure continuité de service s’est accrue ; ainsi : c pour éviter les manques de tension, améliorer la continuité de service implique d’installer des sources de remplacement telles que les Groupes Electrogènes (GE). Celles-ci ont des caractéristiques particulières que la protection devra intégrer ; par exemple, impédance de source plus élevée ce qui augmente les perturbations dues aux courants harmoniques et réduit aussi la valeur des courants de défaut, donc modifie la valeur du réglage des protections. c pour éviter les déclenchements intempestifs, afin d’atteindre les exigences de sécurité et de confort dans le tertiaire, et les coûts liés aux interruptions de courant dans l’industrie, il est fondamental de ne déclencher que si le risque est réel. technologie / organisation d’un disjoncteur BT De 1 à 6300 A, les disjoncteurs sont largement utilisés dans les installations BT. Leur déclencheur est réalisé suivant 2 technologies : c déclencheurs magnétothermiques. Principalement pour les gammes domestiques et industrielles de petit calibre. Sur des appareils de type modulaire, le déclencheur est intégré au disjoncteur. c déclencheurs électroniques. Autrefois exclusivement réservés aux disjoncteurs de fort calibre, l’évolution est sensible (cf. fig. 1) vers ce type de déclencheur, car cette solution offre une grande souplesse et devient de plus en plus économiquement abordable. En effet, l’emploi de technologies numériques, notamment l’utilisation simple de circuits intégrés spécifiques (ASIC) permet : c de réaliser des déclencheurs universels qui donnent plus de facilités de réglage, c de traiter plus d’informations, c d’assurer la communication nécessaire au contrôle-commande de l’installation. Déclencheur magnétothermique Ce déclencheur comporte un bilame et une bobine d’électro-aimant en général montés en série dans le circuit à protéger. L’action du bilame est d’autant plus rapide que la surcharge est élevée. La bobine réagit à partir de surintensités importantes de façon quasi instantanée suivant le principe de l’électro-aimant. Déclencheur électronique Ce déclencheur comprend des capteurs, une électronique de traitement et de commande et un actionneur (cf. fig. 2). 1. rappel sur le disjoncteur BT fig. 1 : évolution des déclencheurs électroniques. fig. 2 : blocs fonctionnels d’un déclencheur électronique. traitement commande alimentation actionneur communication L1 L2 L3 N capteurs (transformateurs de courant) 10 000 1000 100 80 85 90 95 calibre du disjoncteur années Cahier Technique Merlin Gerin n°182 / p.5 c capteurs. D’une part, les capteurs de courant élaborent l’image du courant à mesurer et d’autre part, pour avoir la meilleure sûreté de fonctionnement, ils fournissent l’alimentation électrique du déclencheur (déclencheurs à propre courant). Comme ces capteurs doivent réaliser cette double fonction - mesure et alimentation du déclencheur -, ils utilisent un circuit magnétique («TC fer»). c traitement de l’information. Ce traitement comporte schématiquement les fonctionalités suivantes (cf. fig. 3) : v fonction 1 : numériser le signal fourni par le capteur à l’aide d’un convertisseur analogique/digital pour suivre en temps réel l’évolution du courant, v fonction 2 : compenser la saturation des TC (s’il y a lieu). En effet, les TC à noyau magnétique sont saturables pour les fortes valeurs de courant et ce phénomène est amplifié en cas d’élévation de température (cf. fig. 4), v fonction 3 : calculer la valeur RMS du courant primaire, v fonction 4 : comparer la valeur RMS aux seuils prédéterminés par l’utilisateur. Selon la valeur, cette comparaison se fait avec ou sans temporisation : en cas de dépassement, l’électronique enverra un ordre électrique à un actionneur qui le transformera en une action mécanique de déverrouillage du disjoncteur. c actionneur. La problématique de l’actionneur est de réaliser des efforts instantanés très importants... sans pour autant consommer beaucoup de courant électrique. Son action revient à réaliser un effort de quelques Newtons sur quelques millimètres, c’est-à-dire à produire quelques joules pendant quelques millisecondes, soit quelques centaines de Watts ! De ce fait, l’actionneur doit avoir un très fort rendement, ce qui exclut l’utilisation d’électro-aimants (bobines) et implique l’utilisation de systèmes à énergie potentielle. Grâce à cela, le déverrouillage ultra rapide du disjoncteur est possible en toutes circonstances. la mesure du courant Déclencheur magnétothermique Dans ce type de déclencheur, le bilame ne fournit pas, en fait, de valeurs de courant, mais réagit thermiquement et mécaniquement à ses effets. c uploads/Industriel/ schneider-electric-cahier-technique-182-les-disjoncteurs-en-bt-faces-aux-courants-harmoniques-impulsionnels-et-cycliques.pdf