Jeux de barres à basse tension

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Jeux de barres à basse tension
par Roland AUBER
Secrétaire général honoraire de l’Association internationale des entreprises
d’équipement électrique (AIE)
es jeux de barres à basse tension sont destinés à assurer le transport
d’énergie électrique entre éléments d’une installation la fournissant (généra-
teurs, transformateurs...) et la répartissant (tableaux généraux de distribution dits
TGBT) ; ils peuvent également être une partie de ces derniers ou d’ensembles
d’appareillage à basse tension faisant l’objet de normes particulières. Ils peuvent
être utilisés en tant que canalisations de distribution, mais cette fonction est plus
généralement confiée aux systèmes de canalisations préfabriqués, également
normalisés.
On les utilise, dans le cas de transport, en concurrence avec des câbles isolés,
mais leur intérêt est, avant tout, économique car, à puissance transportée égale,
ils reviennent sensiblement moins cher, le métal (cuivre ou aluminium) étant
mieux utilisé.
1. Dimensionnement des jeux de barres................................................. D 5 165 - 4
1.1 Normes dimensionnelles............................................................................. — 4
1.2 Nature et caractéristiques des métaux....................................................... — 4
2. Courants admissibles .............................................................................. — 5
2.1 Formule ......................................................................................................... — 5
2.2 Valeurs de l’intensité admissible dans les barres...................................... — 5
3. Facteurs influant sur l’intensité admissible...................................... — 6
3.1 Facteurs dépendant de l’environnement des barres................................. — 7
3.2 Facteurs dépendant du métal...................................................................... — 8
3.3 Disposition des barres ................................................................................. — 8
3.4 Nature du courant ........................................................................................ — 9
4. Tenue mécanique des jeux de barres .................................................. — 11
4.1 Tenue aux dilatations ................................................................................... — 11
4.2 Tenue aux efforts électrodynamiques ........................................................ — 11
4.3 Vibrations. Résonance ................................................................................. — 13
5. Connexions................................................................................................. — 13
5.1 Résistances de connexion ........................................................................... — 14
5.2 Densités de courant...................................................................................... — 14
5.3 Façonnage..................................................................................................... — 14
5.4 Préparation des surfaces ............................................................................. — 15
5.5 Boulonnage................................................................................................... — 15
5.6 Soudage ........................................................................................................ — 15
6. Canalisations préfabriquées.................................................................. — 16
6.1 Généralités.................................................................................................... — 16
6.2 Canalisations pour éclairage ....................................................................... — 16
6.3 Canalisations de distribution....................................................................... — 16
6.4 Canalisations de transport........................................................................... — 16
6.5 Colonnes montantes .................................................................................... — 16
Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. D 5 165
L

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Ce dernier avantage est essentiellement dû aux meilleures conditions de re-
froidissement, les températures étant fonction des seules conditions d’environ-
nement et non pas des tenues limitées des isolants des câbles qui, par ailleurs,
constituent un certain obstacle à la transmission vers l’extérieur de leur chaleur
interne.
Par contre, ils ne se prêtent que difficilement aux cheminements complexes,
car leur façonnage (ou leurs accessoires, dans le cas des préfabriqués) aug-
mente leur coût.
Dans certains cas, on peut être amené à étudier, en concurrence, plusieurs
modes de réalisation ; cependant la solution retenue n’est pas nécessairement
dominée par des considérations économiques, d’autres facteurs pouvant inter-
venir (adaptation, sécurité, caractéristiques locales, limites des ensembles nor-
malisés, rapidité d’approvisionnement ou de montage, réemploi...), qui peuvent
être des éléments déterminants.
Les principaux problèmes posés par l’emploi des jeux de barres peuvent se
regrouper en deux catégories :
— les conditions d’équilibre thermique avec leur environnement immédiat,
qui déterminent les courants admissibles, pour une température acceptable du
métal ; elles sont soumises à l’influence de nombreux facteurs ;
— les conditions de réalisation mécanique, en fonction des contraintes sus-
ceptibles de leur être appliquées, tant en service normal qu’en cas de défaut
(court-circuit).
Les règles d’installation (NF C 15 100) ne donnent aucune indication sur les
courants admissibles dans les jeux de barres.
De nombreux cahiers des charges d’administrations, de clients industriels, des
documentations techniques de constructeurs de matériels électriques, des
tableaux utilisés par les installateurs depuis des décennies – sans que l’on
connaisse parfois leur origine ! – ont avancé des valeurs qui ne concordent pas
entre elles.
On a pu ainsi relever des écarts allant jusqu’à 50 %, très certainement parce
que les nombreux paramètres intervenant dans les calculs n’étaient pas appré-
ciés ou choisis de la même façon.
Lorsque l’on consulte la littérature technique, à part une norme allemande
DIN, les approches sont différentes selon les origines, spécialement pour le cui-
vre ou l’aluminium ; cela rend difficiles les comparaisons ou la synthèse.
Il existe différents types de profilés : en I, en U, en O, en L.
Les plus fréquemment utilisés, en basse tension, sont les barres méplates,
laminées ou extrudées, parfois à angles arrondis (aluminium extrudé), qui peu-
vent être associées jusqu’à 6 ou 7 par phase ou polarité. Leur avantage tient au
fait que leur façonnage, (par pliage à plat), ou que leur raccordement (par recou-
vrement) ne nécessite pas le recours à des accessoires spéciaux, ni à une main-
d’œuvre particulièrement spécialisée.
Un cas d’espèce est celui des barres coulées en aluminium, utilisées pour les
fours électriques, pour l’électrochimie, notamment pour l’électrolyse ignée de
l’alumine.
Elles peuvent avoir des dimensions qui vont de 50 à 280 mm pour leur épais-
seur et de 120 à 800 mm pour leur hauteur.
L’emploi type des profilés en U ou en L (généralement en aluminium), souvent
associés par paires par phase ou polarité, formant un quasi-tube rectangulaire
ou carré, est celui des jeux de barres pour fortes intensités (plusieurs kA), en
haute tension (6 à 20 kV), sur des distances non négligeables (supérieures à 10 à
15 m), par exemple pour les liaisons alternateur-transformateur des centrales de
production ; ils sont parfois gainés, réalisant des ensembles préfabriqués à
caractéristiques spécifiques pour chaque cas.
Les tubes servent aux jeux de barres des postes d’interconnexion extérieurs,
sous des tensions atteignant les centaines de kilovolts des réseaux. Ils sont, dans
la plupart des cas, en aluminium. Toutefois le cuivre est parfois utilisé, tant pour

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des conditions d’environnement (au voisinage de certaines industries chimi-
ques), que pour des raisons pratiques (courtes liaisons entre certains appareilla-
ges à haute tension).
Les profilés en U, L ou O, plus particulièrement réservés aux applications en
haute tension, posent des problèmes spécifiques, tant d’ordre mécanique
qu’électrique :
— de grandes longueurs ;
— de dénivelées, pentes, verticalité ;
— de contraintes d’ordre électrique telles que l’importance que prennent les
chutes de tension inductives.
C’est la raison pour laquelle il n’a pas été possible de les traiter dans le cadre
de cet article ; on se reportera avec intérêt à la bibliographie.
Notations et symboles
Symbole Désignation Symbole Désignation
d écartement des barres L distance entre supports isolants
d f force exercée sur un élément de conducteur hauteur d’une barre
élément de conducteur longueur de recouvrement d’une barre
E module d’élasticité m masse d’un conducteur
e épaisseur des barres n nombre de barres par phase ou polarité
F force exercée sur les barres p périmètre d’une barre
F’ force exercée sur les barres à la première crête de courant
de court-circuit
R
arésistance en courant alternatif
f
0fréquence propre de vibration d’un conducteur
R
brésistance d’une barre de longueur
f fréquence du courant R
crésistance en courant continu
h champ magnétique R
drésistance de distorsion
Ιcourant dans un conducteur R
irésistance de contact proprement dite
Ι1 , Ι2courant dans les barres de phases R
jrésistance d’une connexion (joint)
Ιaintensité du courant alternatif r facteur de résonance
Ιcintensité du courant continu t
atempérature ambiante
Ιsvaleur efficace du courant de court-circuit initial
transitoire
S section d’une barre
Ιcc courant de court-circuit αcoefficient de température des résistances ou angle entre
champ magnétique et conducteur
Ιeff valeur efficace du courant δrapport entre résistance de distorsion et résistance d’une
barre
i courant dans un élément de conducteur θéchauffement
J moment d’inertie quadratique de la section d’un
conducteur ρrésistivité d’un métal
K facteur de Dwight ρ1résistivité du métal utilisé
k
1
à k
12 coefficients de correction du courant admissible ρ2résistivité du métal de référence
k
cfacteur de contrainte ωpulsation du réseau
k
fcoefficient de mode de fixation d’une barre
,
d ,
,
r
,
r

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1. Dimensionnement
des jeux de barres
Les nécessités relatives à la construction de tableaux, à la disposi-
tion des appareillages et à leurs plages de raccordement, à des
choix liés à la rationalisation des séries, aux contraintes mécani-
ques, etc., amènent à une grande variété de dimensions possibles,
et cela qu’il s’agisse de barres en cuivre ou en aluminium.
1.1 Normes dimensionnelles
Il existe deux normes dimensionnelles pour les barres méplates,
que résument les tableaux 1 et 2.
Ces tableaux servent d’introduction au choix des barres, ainsi
qu’aux calculs du paragraphe 2 menant aux tableaux 4 et 5 des cou-
rants admissibles. Toutefois, si ces dimensions sont normalisées,
cela ne signifie pas pour autant que les produits correspondants
soient toujours disponibles sur le marché.
1.2 Nature et caractéristiques des métaux
Les barres méplates sont, en général, en cuivre électrolytique du
type conforme à la norme NF C 30 010 ; celles en aluminium, légère-
ment allié, filé, sont conformes à la nuance 6101 (cf. § 3.2).
Leurs principales caractéristiques physiques sont résumées dans
le tableau 3.
Tableau 1 – Sections nominales (en mm2) des barres
méplates en cuivre (1)
Hauteur
(2)
mm
Épaisseur
e
(mm)
2 3,15 4 5 6,3 8 10 12,5
10 20
12,5 25
16 32
20 40 63 80 100
25 50 80 100 125 200 250
31,5 63 100 125 160 250 315 400
40 80 125 160 200 250 315 400 500
50 100 160 200 250 315 400 500 630
63 200 250 315 400 500 630 800
80 315 400 500 630 800 1 000
100 500 630 800 1 000 1 250
125 630 1 000 1 250 1 600
160 1 250 1 600 2 000
200 2 000
(1) D’après norme NF C 31-510 (cf. Doc. D 5 165).
(2) Ou largeur, si la barre est disposée à plat.
,
Tableau 2 – Sections nominales (en mm2)
des barres méplates en aluminium (1)
Hauteur
(2)
(mm)
Épaisseur e
(mm)
3,15 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20
840 50
10 40 50 63
12,5 40 50 63 80 100 125
16 50 63 80 100 125 160
20 63 80 100 125 160 200 250
25 80 100 125 160 200 250 315
31,5 100 125 160 200 250 315 400 500
40 160 200 250 315 400 500 630 800
50 200 250 315 400 500 630 800 1 000
63 315 400 500 630 800 1 000 1 250
80 400 500 630 800 1 000 1 250 1 600
100 500 630 800 1 000 1 250 1 600 2 000
125 1 000 1 250 1 600 2 000 2 500
160 1 250 1 600 2 000 2 500 3 200
200 2 500 3 200 4 000
(1) D’après norme NF C 31-520 (cf. Doc. D 5 165).
(2) Ou largeur, si la barre est disposée à plat.
Tableau 3 – Principales caractéristiques des métaux utilisés
pour les jeux de barres
Caractéristiques Unités Cuivre recuit
1/4 dur
Aluminium
6101
Masse volumique kg/m38 890 2 700
Résistivité à 20 °C suivant
norme (maxi) µΩ.cm 1,83 3
Résistivité à 20 °C :
calcul (usuel) µΩ.cm 1,75 3
Coefficient de dilatation
linéique °C–1 17 × 10–6 23 × 10–6
Résistivité : coefficient
de température °C–1 3,93 × 10–3 3,6 × 10–3
Potentiel électrochimique
(dans une solution
de référence) mV + 800 – 830
Température de fusion °C 1 083 658
Capacité thermique
massique à 25 °CJ/g/K 0,38 0,90
Conductivité thermique W/cm/K 3,85 2,17
Module d’élasticité MPa/mm2105 000 70 000
Module de cisaillement MPa/mm246 000 28 000
Allongement à la rupture % 15 12
Limite élastique MPa/mm247 à 320 120
Charge de rupture MPa/mm2200 à 350 150
Dureté Brinell 80 60
,

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2. Courants admissibles
Le courant admissible est celui pour lequel l’équilibre thermique
est réalisé entre la chaleur dégagée par effet Joule dans la barre et
l’air ambiant, pour une température acceptée de la barre.
Les valeurs de base sont établies pour une barre unique, à
laquelle il conviendra d’appliquer les facteurs de correction
k
1 à
k
12
(cf. § 3), le conducteur étant supposé seul dans l’espace et ne subis-
sant aucune autre influence.
2.1 Formule
L’équation utilisée est celle de Melsom et Booth [1] :
(1)
avec
S section (cm2),
p périmètre (cm),
θéchauffement (°C) au-dessus de la température
ambiante de 45 °C (température du métal 75 °C),
ρrésistivité du métal à 20 °C (µΩ.cm), soit :
– 1,75 pour le cuivre (cf. tableau 3),
– 2,80 pour l’aluminium (cf. tableau 3),
αcoefficient de température (°C–1), soit :
– 0,00393 pour le cuivre (cf. tableau 3),
– 0,0036 pour l’aluminium (cf. tableau 3).
et
le rapport
R
a/
R
c étant donné par les courbes de la figure 6.
Dans cette formule :
— (a) correspond aux conditions d’équilibre thermique en cou-
rant continu, avec, sous le radical, la correction des pertes dues à
l’augmentation de résistance par échauffement ;
— (b) correspond à l’effet de peau ;
— (c) est un facteur correctif de température lié à l’émission ther-
mique, au-delà des conditions de base.
Nota : si le résultat numérique de (b).(c) est supérieur à 1, on se limite à la valeur 1.
La valeur de base ainsi calculée est valable dans les conditions
suivantes :
— atmosphère très calme, sans mouvement de l’air autre que
celui dû à la convection ;
— altitude inférieure ou égale à 1 000 m ;
— barre nue, ni peinte ni oxydée ;
— rapport hauteur/épaisseur de l’ordre de 10 ;
— barre disposée sur chant ;
— densité de courant constante en tout point de la section ;
— fréquence 50 ou 60 Hz, ou courant continu.
Si ces conditions ne sont pas réalisées, il faut appliquer les coeffi-
cients correcteurs du paragraphe 3.
2.2 Valeurs de l’intensité admissible
dans les barres
Compte tenu de ce qui précède, par application de la formule (1),
les courants de base admissibles (coefficients égaux à 1) dans les
barres méplates sont indiqués dans les tableaux 4 et 5.
I24,9
S
0,5
p
0,39
θ
0,61
1 αθ (25) ρ ++[]
------------------------------------------------ 1
R
a
R
c
------
----------- 1
10,015
θ 25+()
10
------------------------------------–
--------------------------------------------------
=
............................a..............................()...b..()............c.............()
1
R
a
R
c
------
----------- 1
10,015
θ 25+()
10
------------------------------------–
--------------------------------------------------1<
Tableau 4 – Valeurs de base des intensités admissibles I (en ampères) dans les barres de cuivre
Épaisseur
(mm)
Nature
du
courant
(1)
Hauteur
(mm)
10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200
2CC 109 132 162 196 237 290 357 433
CA 109 132 162 196 237 290 357 433
3,15 CC 251 303 368 452 548 670
CA 251 303 368 452 548 670
4CC 287 345 419 514 622 760 935
CA 287 345 419 514 622 760 935
5CC 326 391 473 580 700 855 1 051 1 275 1 550
CA 326 391 473 580 700 855 1 051 1 275 1 531
6,3 CC 658 794 966 1 186 1 439
CA 658 794 966 1 186 1 422
8CC 513 618 752 905 1 099 1 347 1 631 1 978 2 452
CA 513 618 752 905 1 099 1 331 1 577 1 893 2 295
10 CC 588 705 854 1 025 1 243 1 519 1 837 2 224 2 754 3 755
CA 588 705 854 1 025 1 228 1 469 1 738 2 082 2 520 3 357
12,5 CC 807 973 1 165 1 405 1 717 2 072 2 505 3 096
CA 807 973 1 151 1 358 1 624 1 917 2 267 2 768
(1) CC : courant continu ; CA : courant alternatif.