Chapitre 1 : Appareillages électriques FONCTION DE L’APPAREILLAGE ELECTRIQUE : Sous la dénomination appareillage, nous rangeons l’ensemble des matériels permettant d’établir ou d’interrompre et de distribuer l’énergie électrique, et d’assurer les fonctions de connexion, de commande et de protection 1. Interrupteur : C’est un appareil de commande, manuelle le plus souvent, capable de couper et de fermer un circuit en service normal. Il possède 2 positions stables. Les normes NF C 63-130 et CEI 947-3 définissent : • La fréquence du cycle de manœuvres (maximum 600 / heures). • L’endurance mécanique et électrique. • Le pouvoir de coupure et de fermeture en fonctionnement normal et en fonctionnement occasionnel. • La catégorie d’emploi des interrupteurs a) Catégorie d’emploi des interrupteurs en courant alternatif selon la CEI 947-3 1 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques • • • • b) Critères de choix des interrupteurs : Tension nominale : tension du réseau. Fréquence : fréquence du réseau. Intensité nominale : courant assigné de valeur immédiatement supérieur au courant de la charge aval. Toutes les fonctions spécifiques. 2. Contacteur : C’est un appareil de commande monostable, capable de couper et de fermer un circuit en service normal. Il ne possède qu’une position stable : ouvert. Les normes NF C 63-110 et CEI 947-4-1 définissent : • La durée de fonctionnement (continu, interrompu, intermittent, temporaire). • La fréquence du cycle de manœuvres (1 à 1200 cycles/ heures). • L’endurance mécanique (à vide) et électrique (en charge). • La catégorie d’emploi des contacteurs. • Le pouvoir de coupure et de fermeture assignés en fonction de sa catégorie d’emploi. Symbole 2 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques 3 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques 2.1 Catégorie d’emploi des contacteurs en courant alternatif : 2.2 Critères de choix des contacteurs : • Tension nominale : tension du réseau. • Tension du circuit commande • Fréquence : fréquence du réseau. • Intensité nominale : courant assigné de valeur immédiatement supérieur au courant de la charge aval. • Toutes les fonctions spécifiques. (Catégorie d’emploi, pouvoir de coupure, pouvoir de fermeture….) Tableaux de choix 4 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques 3. Fusible : C’est un appareil de protection dont la fonction est d’ouvrir un circuit, par fusion d’élément fusible, lorsque le courant dépasse la valeur donnée pendant un temps déterminé. Ils existent avec ou sans voyant mécanique de fusion. Symbole a) Courants assignés et conventionnels des fusibles gG: • Les fusible gl ou gG protègent les installations contre les courts-circuits et les surcharges. 5 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Le courant conventionnel de fusion correspond à un temps de fusion de 1h. Ceci explique pourquoi les fusibles ne sont pas adaptés pour protéger les faibles surcharges et il sera nécessaire de choisir une section de conducteurs supérieure au courant d’emploi afin d’éviter la détérioration du câble suite à une surcharge de longue durée inférieure aux caractéristiques du fusible. • Les fusibles aM protègent les installations seulement contre les courts-circuits. Ils s’utilisent en association avec des dispositifs de protection contre les surcharges. • Les fusibles ultra rapides (UR) assurent la protection des semi-conducteurs de puissance et des circuits sous tension continue. b) Critères de choix des fusibles : • • • • • • • Tension nominale : tension du réseau. Intensité nominale : courant assigné de valeur immédiatement supérieur au courant de la charge aval. Pouvoir de coupure du fusible Types de fusible (domestiques, gG ou gl, aM) Le pouvoir de coupure La forme du fusible (cylindrique ou à couteau) La taille du fusible 4. Sectionneur : C’est un appareil de connexion à commande manuelle et à 2 positions stables qui assure la fonction de sectionnement. Il ne possède ni pouvoir de fermeture ni pouvoir de coupure. (Ouvrir ou fermer un circuit lorsque le courant est nul ou pratiquement nul) Son but est de séparer et isoler un circuit ou un appareil du reste de l’installation électrique afin de garantir la sécurité des personnes ayant à intervenir sur l’installation pour entretien ou réparation. Pour remplir la fonction de sectionnement : 6 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques • • La coupure doit être omnipolaire, c’est à dire que tous les conducteurs actifs doivent être coupés - neutre compris (sauf le PEN). Il doit être verrouillable et cadenassable en position « ouvert ». Symbole a) Critères de choix des sectionneurs : • • • • Tension nominale : tension du réseau. Fréquence : fréquence du réseau. Intensité nominale : courant assigné de valeur immédiatement supérieur au courant de la charge aval. Toutes les fonctions spécifiques. 5. Disjoncteur : C’est un appareil de protection dont la fonction est d’ouvrir un circuit, lorsque le courant dépasse la valeur donnée pendant un temps déterminé. Il existe plusieurs types de disjoncteurs : 7 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Courbe B : Commande et protection contre les surcharges et les courts-circuits d’installation n’occasionnant pas de pointe de courant à la mise sous tension : installations domestiques, circuits de cuisson et de chauffage, éclairage comportant un petit nombre de lampes, prises de courants, etc. Protection des personnes en régime IT et TN pour des longueurs de câbles plus importantes qu’avec la courbe C. Courbe C : Commande et protection contre les surcharges et les courts-circuits d’installation correspondant à des applications générales : installation en locaux à usage professionnel, éclairage fluorescent compensé, groupe de lampes à incandescence, prise de courant…… Courbe D : Commande et protection contre les surcharges et les courts-circuits d’installation présentant de forts courants d’appel : Transformateurs, moteurs, etc…. Courbe Z : Commande et protection des circuits électroniques : diodes, transistors, triacs, etc. contre les faibles surcharges de longue durée et contre les courts-circuits. Courbe K : Commande et protection contre les surcharges et les courts-circuits d’installation présentant des courants d’appel importants, mais de durée plus brève. Courbe MA : Protection des circuits d’alimentation des moteurs : câble et démarreurs contre les courtscircuits. Ce disjoncteur ne comporte qu’un déclencheur magnétique, il doit être associé à une protection thermique adaptée. 8 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques a) Caractéristiques fondamentales d’un disjoncteur : Les caractéristiques fondamentales d’un disjoncteur sont : • Tension assignée d’emploi Ue. • Courant assigné ou nominal In. • Courant de réglage (Irth ou Ir) des déclencheurs de surcharge. • Courant de fonctionnement (Im ou Isd) des déclencheurs de court-circuit. • Pouvoir de coupure (Icu ou Icn). Pouvoir de coupure (Icu ou Icn) Le pouvoir de coupure est la plus grande intensité de courant de court–circuit (courant présumé) qu’un disjoncteur peut interrompre sous une tension donnée. Ils’exprime en général en kA efficace symétrique et est désigné par Icu (pouvoir de coupure ultime) pour les disjoncteurs industriels et par Icn (pouvoir de coupure assigné) pour les disjoncteurs à usage domestique ou assimilé. Pouvoir de coupure de service (Ics) Grandeur caractéristique d’un disjoncteur définie par la norme internationale CEI Indique le courant que le disjoncteur est capable d’interrompre avec une certaine endurance : après trois coupures successives à Ics, le disjoncteur conserve toutes ses caractéristiques de fonctionnement. Le pouvoir de coupure de service est donné par le constructeur en fonction du pouvoir de coupure ultime : lcs = 25 %, 50%, 75% ou 100%Icu. b) Critères de choix des disjoncteurs : Des critères sont à prendre en compte tels que : • • • • • Caractéristiques électriques de l’installation sur laquelle il est installé. Environnement dans lequel il se trouve (température, installation en armoire, conditions climatiques). Impératifs d’exploitation (sélectivité, auxiliaires, accessoires). Règles d’installation en particulier pour la protection des personnes. Caractéristiques des récepteurs. c) Filiation entre disjoncteurs : C’est l’utilisation du pouvoir de limitation des disjoncteurs, lequel permet d’installer en aval des disjoncteurs moins performants. Le disjoncteur amont joue alors un rôle de barrière pour les forts courants de court-circuit. Il permet ainsi en aval l’utilisation des disjoncteurs ayant un pouvoir de coupure très inférieur au courant de court-circuit présumé. Seuls les essais en laboratoire permettent de s’assurer des conditions d’applications demandées par la NF C 15-100 et les associations possibles doivent être données par les constructeurs. 9 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques NSX250H: 200A PdC: 70KA ICC = 60KA ICC = 40KA NSX100B-80A PdC: 25KA PdC renforcé par filiation : 70KA C60N ICC= 19KA PdC : 10KA PdC renforcé par filiation : 20KA Avantages de la filiation : • • • • Simplification des calculs de courant de court-circuit en aval, ces courants étant fortement limités. Simplification du choix des appareils. Economie sur ces appareils puisque la limitation des courants de court-circuit permet d’utiliser des appareils moins performants donc moins chers. Economie sur les enveloppes, puisque les appareils moins performants sont en général moins encombrants. Filiation à trois étages Soit trois disjoncteurs en série, disjoncteurs A, B et C. Le fonctionnement en filiation entre les trois appareils est assuré dans les deux cas suivants : l'appareil de tête A se coordonne en filiation avec l'appareil B ainsi qu'avec l'appareil C (même si le fonctionnement en filiation n'est pas satisfaisant entre les appareils B et C). Il suffit de vérifier que A + B et A + C ont le pouvoir de coupure nécessaire deux appareils successifs se coordonnent entre eux, A avec B et B avec C (même si la coordination en filiation n'est pas satisfaisante entre les appareils A et C). Il suffit de vérifier que A + B et B + C ont le pouvoir de coupure nécessaire. 10 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Le disjoncteur de tête A est un NSX250S (PdC : 100 kA) pour un Icc présumé à ses bornes aval de 80 kA. On peut choisir pour le disjoncteur B, un NSX100F (PdC : 36 kA) pour un Icc présumé à ses bornes aval de 50 kA, car le pouvoir de coupure de cet appareil "renforcé" par filiation avec le NXS250S amont, est de 100 kA. On peut choisir pour le disjoncteur C, un iC60N (PdC : 10 kA) pour un Icc présumé à ses bornes aval de 24 kA, car le pouvoir de coupure de cet appareil "renforcé" par filiation avec le NXS250S amont, est de 30 kA. Le Pdc renforcée du iC60N avec le NSX100F amont n’est que de 25 KA mais : A + B = 100KA A + C = 30KA d) Sélectivité des protections : Il y a sélectivité des protections si un défaut, survenant en un point quelconque du réseau, est éliminé par l’appareil de protection placé immédiatement en amont du défaut et lui seul. 11 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Différents types de sélectivités sont possibles : La sélectivité, entre 2 disjoncteurs A et B, est totale si B fonctionne pour toute valeur de court-circuit jusqu’au courant de court-circuit franc triphasé au point où il est placé (Icc B). La sélectivité est partielle si B fonctionne seul jusqu’à un courant de court-circuit présumé Icc inférieur à Icc B. Au-delà de cette valeur A et B fonctionnent simultanément. Différents moyens sont utilisés pour réaliser les 2 types de sélectivités dans le cas où les dispositifs de protection sont des disjoncteurs : - Sélectivité ampèremétrique : Elle repose sur un décalage en intensité des courbes de protection temps/courant ; 12 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques La sélectivité ampéremétrique est totale pour les surcharges ou les faibles courants de court-circuit si le rapport entre les seuils de réglage est supérieur à 1.6. - Sélectivité chronométrique : Elle repose sur un décalage temporel des courbes de protection temps/courant ; - Sélectivité énergétique : Elle repose sur la capacité de l’appareil de protection aval à limiter l’énergie le traversant à une valeur inférieure à celle nécessaire pour provoquer le déclenchement de l’appareil amont. Sélectivité en DDR Sélectivité verticale : 13 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Ce type de sélectivité est celui qui concerne le fonctionnement de deux protections placées en série sur un circuit. Compte tenu des tolérances sur les seuils et les temps de déclenchement des DDR, la sélectivité doit être amèremétrique et chronométrique : • Ampèremetrique : selon les normes, un DDR doit fonctionner pour un courant de ∆ défaut compris entre ∆ . En pratique, un rapport 3 est requis entre les seuils de deux DDR pour éviter un déclenchement simultané des deux appareils : ∆ > 2. ∆ , • Chronométrique : Dans le cas où le courant de défaut franchit brusquement les deux seuils de déclenchement. En effet, il faut tenir compte du temps de réaction, même minime, de tout mécanisme, auquel il faut parfois ajouter une temporisation ou un retard volontaire. La double condition de non déclenchement de Da pour un défaut en aval de Db est donc : ∆ > 2. ∆ , et tr(Da) > tr(Db) + tc(Db) ou tr(Da) > tf(Db). Avec tr = retard au déclenchement = temps de nom fonctionnement, tc = temps séparant l’instant ou l’ordre de coupure a été donné par le relais de mesure de celui de la coupure (temps d’arc compris), tf = temps de fonctionnement, de la détection du défaut à l’interruption totale du courant de défaut ; tf = tr + tc. 14 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Sélectivité horizontale : Appelée « sélection des circuits », elle permet l’économie en tête d’installation d’un dispositif différentiel, les départs sont protégés par des disjoncteurs différentiels. Seul le départ en défaut est mis hors tension. Notice technique : La sélectivité est totale entre deux disjoncteurs A et B si : IrthA/IrthB> . IrmA/IrmB> . I∆A> .I∆B Il est tout de même conseillé que A soit retardé par rapport à B Sélectivité naturelle avec les disjoncteurs Compact NSX Grâce à la coupure Roto-Active des Compact NSX, l’association de disjoncteurs Schneider electric apporte un niveau exceptionnel de sélectivité des protections. Cette performance est due à la combinaison et à l’optimisation de 3 principes : 15 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques sélectivité ampèremetrique sélectivité chronométrique sélectivité énergétique. Sélectivité renforcé par filiation La sélectivité des protections est assurée pour des courants de court-circuit supérieurs au pouvoir de coupure nominal du disjoncteur, jusqu’à son pouvoir de coupure renforcé. On retrouve alors dans ce dernier cas une sélectivité totale des protections, c’est-à-dire le déclenchement de l’appareil aval et de lui seul, pour tous les défauts possibles dans cette partie de l’installation. Exemple Association entre : • un Compact NSX250H avec déclencheur TM250D (Icu = 70 kA sous 400 V) • un Compact NSX100F avec déclencheur TM100D (Icu = 36 kA sous 400 V). Les tables de sélectivité indiquent une sélectivité totale. La sélectivité des protections est donc assurée jusqu’au pouvoir de coupure du NSX100F : 36 kA. Les tables de filiation indiquent un pouvoir de coupure renforcée de 70 kA. Les tables de sélectivité renforcée indiquent qu’en cas d’emploi de la filiation, la sélectivité est assurée jusqu’à 70 kA, donc pour tous les défauts susceptibles de se produire en ce point de l’installation. 16 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Ces tableaux donnent pour chaque association de 2 disjoncteurs : Pouvoir de coupure de l’appareil aval renforcé par filiation en (KA) 15/25 Limite de sélectivité renforcée par filiation en (KA) Quand une case du tableau indique 2 valeurs égales, cela signifie que la sélectivité est assurée jusqu'au pouvoir de coupure renforcé de l’appareil aval. 6. Récapitulatif de fonctions réalisées par l’appareillage : 17 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques 7. Relais thermique a) Rôle Le relais thermique est un appareil qui protège le récepteur placé en aval contre les surcharges et les coupures de phase. Pour cela, il surveille en permanence le courant dans le récepteur. En cas de surcharge, le relais thermique n’agit pas directement sur le circuit de puissance. Un contact du relais thermique ouvre le circuit de commande d’un contacteur est le contacteur qui coupe le courant dans le récepteur. b) Symbole 18 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques c) Principe de fonctionnement Le relais thermique utilise un bilame formé de deux lames minces de métaux ayant des coefficients de dilatation différents. Le bilame s’incurve lorsque sa température augmente. Pour ce bilame, on utilise un alliage de Ferronickel et de l’Invar (un alliage de Fer (64 %) et de Nickel (36 %) avec un peu de Carbone et de Chrome). Si le moteur est en surcharge, l’intensité I qui traverse le relais thermique augmente, ce qui a pour effet de déformer davantage les trois bilames. Un système mécanique, lié aux bilames, assure l’ouverture du contact auxiliaire (NC9596). d) Courbe de déclenchement C’est la courbe qui représente le temps de déclenchement du relais thermique en fonction des multiples de l’intensité de réglage. 19 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques e) Classes de déclenchement Il existe 4 classes de déclenchement d’un relais thermique sont : 10 A, 10, 20 et 30 (temps de déclenchement maximum à 7,2 Ir). Les classes 10 et 10 A sont les plus utilisées. Les classes 20 et 30 sont réservées aux moteurs avec démarrage difficile. Le tableau et le diagramme montrent l'adaptation du relais thermique au temps de démarrage du moteur Ir : courant de réglage du relais thermique 20 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques f) Choix d’un relais thermique Le relais thermique se choisit en fonction de la classe désirée et/ou du courant nominal du récepteur à protéger. La classe est définie en fonction de la durée de déclenchement pour un courant de 7,2 fois Remarque : • Lorsqu’un contacteur est muni d’un relais thermique, l’ensemble constitue un discontacteur ; • Le relais thermique ne protège pas contre les courts-circuits ; • Le relais thermique ne protège pas le moteur en cas de court-circuit, il ne le protège que contre les surcharges. Il faut donc prévoir un autre équipement, comme un sectionneur 21 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques porte fusible équipé de fusibles de type aM, qui eux ne protègent pas le moteur contre une surcharge mais contre un court-circuit ; • On peut également utiliser un «disjoncteur moteur» de type magnétothermique, qui lui assure les deux fonctions : magnétique (court-circuit) et thermique (surcharge). Tableau de références des relais thermiques selon les zones de réglage 22 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Exemple 1 : Un récepteur (moteur) absorbe un courant nominal de 25 A. Une surcharge apparaît. On mesure un courant de surcharge de 40 A. 1er cas : pour une durée de surcharge de 10 s, est-ce que le relais thermique déclenche ? 2ème cas : pour une durée de surcharge de 3min, est-ce que le relais thermique déclenche ? Exemple 2 : Un récepteur (moteur) absorbe un courant nominal de 25A. Donnez la référence du relais thermique choisi. 8. Relais magnétique (électromagnétique) a) Rôle Le relais magnétique, encore appelé relais de protection à maximum de courant, est un relais unipolaire (un pour chaque phase d’alimentation) dont le rôle est de détecter l’apparition d’un court-circuit. Il s’ensuit qu’il n’a pas de pouvoir de coupure et que ce sont ses contacts à ouverture (91-92) et à fermeture (93-94) qui vont être utilisés dans le circuit de commande pour assurer l’ouverture du circuit de puissance du récepteur et signaler le défaut. Ce relais est recommandé pour la protection des circuits sans pointe de courant ou au contrôle des pointes de démarrage des moteurs asynchrones à bagues. b) Principe de fonctionnement : En fonctionnement normal, le bobinage du relais magnétique est parcouru par le courant nominal. En cas de forte surcharge ou de court-circuit, la force engendrée par le champ magnétique de la bobine devient supérieure à la force du rappel du ressort et le relais magnétique déclenche. 23 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques La raideur du ressort permet de régler pour quelle valeur du courant se produira la coupure. Le déclenchement est instantané avec un temps de réponse de l’ordre de milliseconde. a) Symbole b) Réglage Le réglage de l’intensité de déclenchement s’obtient en faisant varier l’entrefer du relais à l’aide d’une vis (ou une molette) graduée directement en Ampères. Le choix du réglage doit tenir compte : • De l’intensité du réglage en service permanent ; • De la valeur du réglage qui doit être supérieure au courant et aux pointes normales. 9. Relais magnétothermique C’est un déclencheur ou relais à maximum de courant qui fonctionne à la fois sous l’action d’un électro-aimant et sous l’effet thermique provoqué par le courant qui le parcourt. C’est l’association d’un relais magnétique et d’un relais thermique, le premier assurant la protection contre les surintensités brutales (déclenchement instantané), éventuellement les courts-circuits, le second contre les surcharges lentes (déclenchement retardé). 10. Discontacteurs Le discontacteur est un contacteur équipé d’un relais thermique destiné à assurer la protection contre les surcharges. 24 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Le discontacteur : • Permet la commande à distance ; • Réalise des systèmes automatiques ; • Détecte toute coupure de l’alimentation ; • Assure des verrouillages électriques ; • Sépare le circuit de commande du circuit de puissance ; • Protège les récepteurs contre les surcharges. 11. Le Disjoncteur Magnétothermique a) Rôle Un disjoncteur est un appareil de connexion électrique capable d'établir, de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, ainsi que d'établir, de supporter pendant une durée spécifiée et d'interrompre des courants dans des conditions anormales spécifiées telles que celles du court- circuit ou de la surcharge. C’est un organe électromécanique, de protection, dont la fonction est d'interrompre le courant électrique en cas d'incident sur un circuit électrique. Il est capable d'interrompre un courant de surcharge ou un courant de court-circuit dans une installation. Suivant sa conception, il peut surveiller un ou plusieurs paramètres d'une ligne électrique. Sa principale caractéristique par rapport au fusible est qu'il est réarmable. b) Principe Le disjoncteur assure la protection des canalisations selon 2 principes • Thermique • Magnétique c) Principe thermique Une lame bimétallique (bilame) est parcourue par le courant. Le bilame est calibré de telle manière qu'avec un courant nominal In, elle ne subisse aucune déformation. Par contre si des surcharges sont provoquées par les récepteurs, en fonction du temps, la lame va se déformer et entraîner l'ouverture du contact en 0,1sec au minimum. 25 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques d) Principe magnétique En service normal, le courant nominal circulant dans la bobine, n'a pas assez d'influence magnétique (induction magnétique) pour pouvoir attirer l'armature mobile fixée sur le contact mobile. Le circuit est fermé. Si un défaut apparaît dans le circuit aval du disjoncteur de canalisation, l'impédance du circuit diminue et le courant augmente jusqu'à atteindre la valeur du courant de courtcircuit. Dès cet instant, le courant de court-circuit provoque une violente aimantation de l'armature mobile. Cela a comme conséquence d'ouvrir le circuit aval du disjoncteur en 0,1sec au maximum. e) Chambre de coupure Le but de cette chambre est de couper le plus rapidement possible l'arc électrique qui se produit à l’ouverture du contact Dès la séparation des contacts, l’arc est déplacé vers la chambre de coupure sous l’effet de la force dite de Laplace, induite par la géométrie des contacts fixe et mobile. Au cours du trajet entre les contacts et la chambre, l’arc est canalisé entre deux joues qui permettent : - d’augmenter sa vitesse de déplacement, - de guider sa trajectoire, - de l’allonger. 26 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques f) Symbole 12. Les parafoudres 12.1. Comment la foudre impacte les installations électriques des bâtiments Les éclairs produisent une énergie électrique impulsionnelle extrêment importante : de plusieurs milliers d'ampères (et de plusieurs milliers de volts) de haute fréquence (de l'ordre du mégahertz) de courte durée (de la microseconde à la milliseconde). Les coups de foudre peuvent toucher les installations électriques de trois manières différentes : a) par coup de foudre direct sur une ligne électrique aérienne. La surintensité et la surtension peuvent alors se propager à plusieurs kilomètres du point d’impact, b) par coup de foudre à proximité d’une ligne électrique. C’est le rayonnement électromagnétique qui induit un fort courant et une surtension dans la ligne. 27 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Dans ces deux cas, le danger pour l’installation électrique arrive par l’alimentation réseau. c) par coup de foudre à proximité des bâtiments. La terre est alors chargée et monte en potentiel. Le réseau étant à potentiel plus bas, il se crée un courant qui va traverser l’installation électrique en entrant par la terre. Dans tous les cas, les conséquences pour les installations électriques et les récepteurs peuvent être dramatiques : • destruction ou fragilisation des composants électroniques • destructions des circuits imprimés • blocage ou perturbation de fonctionnement des appareils • vieillissement accéléré du matériel. Les réseaux numériques et analogiques sont affectés de la même manière que les installations électriques basse tension. Les surtensions d’origines atmosphériques sont éliminées à l’aide de parafoudres conçus spécifiquement. 12.2. Les dispositifs de protection contre la foudre 12.2.1. Les paratonnerres pour protéger les bâtiments Les protections extérieures sont utilisées pour éviter les incendies et les dégradations que pourrait occasionner un impact direct de la foudre sur les bâtiments. Ces protections sont réalisées, selon les situations, à l'aide d'un paratonnerre, d'un conducteur de toiture, d'un ceinturage, etc. Ces dispositifs sont installés dans les parties supérieures des bâtiments de façon à capter préférentiellement les coups de foudre. La surtension transitoire est écoulée à la terre grâce à un ou plusieurs conducteurs prévus à cet effet. 28 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Les 3 types de paratonnerre Trois types de protection du bâtiment sont utilisés : • Le paratonnerre à tige simple Le paratonnerre à tige est une pointe de capture métallique placée au sommet du bâtiment. Il est mis à la terre par un ou plusieurs conducteurs (souvent des bandes de cuivre) • Le paratonnerre à fil tendu Ces fils sont tendus au-dessus de la structure à protéger. Ils sont utilisés pour protéger des structures particulières : aires de lancement de fusées, applications militaires et protection des lignes aériennes à haute tension • Le paratonnerre à cage maillée (cage de Faraday) Cette protection consiste à multiplier de manière symétrique les conducteurs-rubans de descente tout autour du bâtiment. Ce type de paratonnerre est utilisé pour des bâtiments très exposés abritant des installations très sensibles comme des salles informatiques. 12.2.2. Les parafoudres pour protéger les installations électriques Les protections intérieures sont installées pour protéger les récepteurs raccordés aux circuits électriques. Elles sont constituées de parafoudres utilisés pour limiter les surtensions et écouler le courant de foudre. 29 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Couple parafoudre / disjoncteur de déconnexion a) Le fonctionnement Le parafoudre est un appareil de protection électronique qui se comporte comme une impédance variable en fonction de la tension à ses bornes : • en fonctionnement normal (pas de coup de foudre) le parafoudre est vu comme un circuit ouvert par le reste de l’installation (tension nominale du réseau aux bornes du parafoudre impédance infinie) ; • au moment du coup de foudre, le parafoudre devient passant (augmentation importante et rapide de la tension impédance nulle). Le rôle du parafoudre est alors double : o écouler la surintensité (sans qu’elle traverse les récepteurs) o limiter la surtension (afin de ne pas “claquer” les récepteurs). Le parafoudre élimine les surtensions : en mode commun, entre phase et neutre ou terre, en mode différentiel, entre phase et neutre b) L’usure du parafoudre L’écoulement de nombreux coups de foudre provoque l’usure des composants électroniques du parafoudre qui devient alors définitivement passant, provoquant un court-circuit 50Hz. Il faut alors l’isoler du réseau. C’est un des rôles du disjoncteur de déconnexion. c) Les rôles du disjoncteur de déconnexion La NF C 15-100 impose la mise en œuvre d’un dispositif de déconnexion : “Les dispositifs de protection contre les courts circuits [...] doivent être prévus pour assurer la déconnexion des parafoudres”. Câblé directement en série avec le parafoudre, le disjoncteur de déconnexion assure 3 rôles : • couper le court-circuit 50 Hz qui se produit lors de la fin de vie du parafoudre afin de protéger ce dernier qui est alors un récepteur sensible • assurer la continuité de service de l’installation (en évitant que la protection disjoncteur de tête de tableau ne déclenche) 30 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques • permettre une opération de maintenance sur le parafoudre en isolant ce dernier du réseau lorsque nécessaire. d) Dimensionnement du disjoncteur de déconnexion Le choix du disjoncteur de déconnexion est déterminant pour le bon fonctionnement du couple parafoudre/disjoncteur de déconnexion. Il doit répondre au cahier des charges suivant : • être capable de couper l’intensité de court-circuit 50 Hz au point d’installation du parafoudre • endurer, sans déclencher, autant de coups de foudre que le parafoudre lui-même, et rester en état de fonctionnement à la suite de ceux-ci • couper le courant avec la rapidité nécessaire pour isoler le parafoudre lors de sa mise en court-circuit de fin de vie. En effet, le parafoudre n’est pas prévu pour supporter l’énergie des courants de court-circuit 50 Hz. Dans ce cas, il doit être déconnecté très rapidement afin d’éviter sa destruction et les éventuels dommages collatéraux induits. e) Les trois types de parafoudre : parafoudre de type 1 Le parafoudre de type 1 est préconisé dans le cas particulier des bâtiments tertiaires et industriels, protégés par un paratonnerre ou par une cage maillée. Il protège l’installation électrique contre les coups de foudre directs. Il permet d’écouler le courant de foudre « en retour » se propageant du conducteur de terre vers les conducteurs du réseau Les parafoudres de type 1 sont caractérisés par une onde de courant 10/350 µs. parafoudre de type 2 Le parafoudre de type 2 est la protection principale de toutes les installations électriques basse tension. Installé dans chaque tableau électrique, il évite la propagation des surtensions dans les installations électriques et protège les récepteurs. Les parafoudres de type 2 sont caractérisés par une onde de courant 8/20 µs. parafoudre de type 3 Ces parafoudres possèdent une faible capacité d’écoulement. Ils sont donc obligatoirement installés en complément des parafoudres de type 2 et à proximité des récepteurs sensibles. Les parafoudres de type 3 sont caractérisés par une combinaison des ondes de tension (1,2/50 µs) et de courant (8/20 µs). 31 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques f) Définition normative des parafoudres g) Les caractéristiques des parafoudres La norme internationale CEI 61643-1Edition 2.0 (03/2005) définit les caractéristiques et les essais des parafoudres connectés aux réseaux de distribution basse tension Caractéristiques communes • Uc : tension maximale de service permanent C’est la tension efficace ou continue au-delà de laquelle le parafoudre devient passant. Cette valeur est choisie en fonction de la tension du réseau et du schéma des liaisons à la terre. • Up : niveau de protection (à In) C’est la tension maximale aux bornes du parafoudre lorsqu’il est passant. Cette tension est atteinte lorsque le courant qui s’écoule dans le parafoudre est égal à In. Le niveau de protection doit être choisi inférieur à la tenue en surtension des charges. Lors de coups de foudre, la tension aux bornes du parafoudre reste généralement inférieure à Up. • In : courant nominal de décharge C’est la valeur de crête d’un courant de forme d’onde 8/20 µs que le parafoudre est capable d’écouler 15 fois. 32 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Parafoudre de type 1 • Iimp : courant impulsionnel de décharge C’est la valeur de crête d’un courant de forme d’onde 10/350 µs que le parafoudre est capable d’écouler 5 fois. • Ifi : courant d’auto-extinction Applicable uniquement à la technologie à éclateur. C’est le courant (50 Hz) que le parafoudre est capable d’interrompre de lui-même après amorçage. Ce courant doit toujours être supérieur au courant de court-circuit présumé au point d’installation. Parafoudre de type 2 • Imax : courant maximal de décharge C’est la valeur de crête d’un courant de forme d’onde 8/20 µs que le parafoudre est capable d’écouler 1 fois. Parafoudre de type 3 • Uoc : tension en circuit ouvert appliquée lors des essais de classe III (type 3) h) Architecture de la protection foudre Principe de l’architecture de la protection foudre La protection foudre se structure de la même façon qu’une protection disjoncteur : les parafoudres de plus forte capacité d’écoulement sont en tête d’installation et ceux qui ont des caractéristiques plus faibles sont situés dans les tableaux divisionnaires ou dans les tableaux terminaux. Règle de conception Pour une installation de distribution électrique, les caractéristiques essentielles servant à définir le système de protection foudre et choisir un parafoudre pour protéger une installation électrique dans un bâtiment sont : parafoudre o le nombre de parafoudre, o le type, o le niveau d’exposition pour définir le courant de décharge Imax du parafoudre. 33 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques dispositif de déconnexion o courant maximal de décharge Imax, o niveau de court-circuit Icc au point d’installation. Le logigramme ci-après illustre cette règle de conception. i) Méthode de choix des parafoudres Le type de parafoudre à installer à l’origine de l’installation dépend de la présence ou non d’un paratonnerre. Si le bâtiment est équipé d’un paratonnerre (selon CEI 62305) un parafoudre de type1 doit être installé. Pour les parafoudres en tête d’installation, les normes d’installation CEI 60364 imposent des valeurs minimales pour les 2 caractéristiques suivantes : • courant nominal de décharge In = 5 kA (8/20) µs, • niveau de protection Up (à In) < 2, 5 kV. Le nombre de parafoudre complémentaire à installer est déterminé par : • la taille du site et la difficulté d’assurer l’équipotentialité. Sur des sites de grande taille, il est impératif d’installer un parafoudre en tête de chaque armoire divisionnaire. • la distance des charges sensibles à protéger par rapport à la protection de tête. 34 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques Lorsque les récepteurs sont implantés à plus de 30 m de la protection de tête, il est nécessaire de prévoir une protection fine spécifique au plus près des charges sensibles. • le risque d’exposition. En cas de site très exposé, le parafoudre de tête ne peut pas assurer à la fois un fort écoulement du courant de foudre et un niveau de protection suffisamment bas. En particulier, un parafoudre de type 1 est généralement accompagné par un parafoudre de type 2. 35 Ammar.H Chapitre 1 : Appareillages électriques j) Raccordement Les connexions aux récepteurs d'un parafoudre doivent être les plus courtes possibles afin de réduire la valeur du niveau de protection en tension (Up installé) aux bornes des équipements protégés. La longueur totale des connexions du parafoudre au réseau et au bornier de terre ne doit pas dépasser 50 cm. Une des caractéristiques essentielles pour la protection d'un équipement est le niveau de protection en tension maximal (Up installé), que l'équipement peut supporter à ses bornes. De ce fait, un parafoudre doit être choisi avec un niveau de protection Up adaptée à la protection de l'équipement. La longueur totale des conducteurs de connexion est L = L1 + L2 + L3. Pour les courants à haute fréquence, l'impédance linéique de cette connexion est de l’ordre de 1 µH/m. D'où, en appliquant la loi de Lenz à cette connexion : ∆U = L di/dt L'onde courant normalisée 8 / 20 µs, avec une amplitude de courant de 8 kA, crée de ce fait une élévation de tension par mètre de câble de 1000 V. ∆U = 1. 10-6. 8. 103 /8. 10-6 = 1000 V Par suite la tension aux bornes de l'équipement Up installé est : 36 Ammar.H
