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Cahier technique n 154

Techniques de coupure desdisjoncteurs BT

R. Morel

Collection Technique

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Les Cahiers Techniques constituent une collection dune centaine de titresdits lintention des ingnieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complmentaire celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies lectrotechniques et lectroniques. Ils permettentgalement de mieux comprendre les phnomnes rencontrs dans lesinstallations, les systmes et les quipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thme prcis dans lesdomaines des rseaux lectriques, protections, contrle-commande et desautomatismes industriels.

Les derniers ouvrages parus peuvent tre tlchargs sur Internet partirdu site Schneider Electric.Code : http://www.schneider-electric.comRubrique : Le rendez-vous des experts

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Robert Morel

mes amis de travail.

Ingnieur ENSMM Besanon, entre chez Merlin Gerin en 1971 et sespcialise dans la conception de l'appareillage lectrique BasseTension.Il contribue l'tude du systme Sellim.En 1980 il a en charge le dveloppement de disjoncteurs Compact etd'interrupteurs Interpact.En 1985, il devient responsable du bureau d'tude coupure BasseTension de la division Basse Tension de Puissance.

n 154

Techniques de coupure desdisjoncteurs BT

CT 154 dition juin 2000--

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Lexique

a : Angle denclenchement en tension.

Calibre (d'un disjoncteur) : C'est la valeur ducourant nominal du disjoncteur, elle est fixe parle rglage maximal du dclencheur (protectioncontre les surcharges, lectronique outhermique).

Catgorie (d'un disjoncteur) : Dfinie par lanorme CEI 60947.2

A = Disjoncteur non retard sur ouverture enconditions de court-circuit ;

B = Disjoncteur retard sur ouverture enconditions de court-circuit Icw.

E : Tension nominale en continu, tension crteen alternatif.

: Angle de dphasage tension /courant.

i, (i0) : Courant un instant t, ( un instant t0).

ia : Courant darc un instant t.

c : Courant crte coup.

Icc : Courant de court-circuit.

Ics : Pouvoir assign de coupure de service(exprim en kA ou en % de Icu).

Icu : Pouvoir assign de coupure ultime encourt-circuit.

Icw : Courant assign de courte dureadmissible.

In : Courant nominal en rgime permanent, Aeff.

Ip : Courant prsum.

Is : Courant de surcharge.

r : Impdance du gnrateur.

R, L, C : Composantes totales du circuit coup.

t, (t0 ) : Temps, (instant initial).

ta : Dure de larc.

taille (d'un disjoncteur) : C'est le calibre le pluslev que peut accepter un botier dedisjoncteur, il correspond au courant assignde l'appareil.

: Constante de temps du circuit ( = L / R).u : Tension un instant t.

ua : Tension darc un instant t.

Ua : Tension darc stabilise.

UAC : tension Anode-Cathode de chaque arclmentaire.

Ud+, Ud- : Caractristiques de rgnration.

Un : Tension nominale en alternatif, Veff.

Ur : Tension de rtablissement.

Wa : Energie darc.

WL0 : Energie selfique initiale pour i = i0.

: pulsation en alternatif,

( = 2f = 2/T).

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Techniques de coupure desdisjoncteurs BT

Sommaire

1 Introduction 1.1 Dfinition des courants couper p. 4

2 Larc lectrique 2.1 Ses conditions de formation p. 6

2.2 Ses proprits physiques p. 6

2.3 Ses proprits lectriques p. 6

2.4 Ses conditions dextinction p. 7

3 Couper grce larc p. 10

4 Couper des courants tablis 4.1 Sous une tension continue p. 11

4.2 Sous une tension alternative monophase p. 12

4.3 Sous une tension alternative triphase p. 13

5 Couper des courants prsums 5.1 Dfinition p. 145.2 Coupure avec limitation p. 16

5.3 Sous une tension continue p. 16

5.4 Sous une tension alternative monophase p. 17

5.5 Sous une tension alternative triphase p. 18

5.6 Les paramtres de coupure p. 18

5.7 Coupure par la technique fusible p. 19

6 Le disjoncteur basse tension 6.1 Ses fonctions p. 20

6.2 Ses technologies p. 21

6.3 Ses performances p. 25

7 Conclusion p. 28

Bibliographie p. 28

Ce Cahier Technique a pour objectif de :

c dfinir les courants couper dans une installation BT ;

c faire connaissance avec un phnomne qui apparat inluctablement

louverture dun circuit : larc lectrique ;

c analyser sous un angle thorique la coupure de diffrents courants grce

larc mis en condition dextinction ;

c aborder laspect technologique des dispositifs de coupure, tout

particulirement des disjoncteurs.

(avec limitation)

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1 Introduction

Les sources dnergie des installationslectriques sont des alternateurs et destransformateurs. Ces gnrateurs aussi parfaitssoient-ils ont une impdance interne. Cetteimpdance a deux effets trs importants(cf. fig. 1 ) :

c en rgime normal, cette impdance fait chuterla tension vide pour lamener Un lorsque legnrateur dbite In ;

c en cas de court-circuit, cette impdance limitele courant une valeur, exprime en multiple deIn.Si lon prend le cas des transformateurs, leur

tension de court-circuit Ucc (en %) correspond

la limite suprieure de leur chute de tensionrelative sous In.

A titre dexemple une tension de court-circuitde 5 % correspond un Icc de : In/5 % = 20 In,soit pour un transformateur de 1000 kVA/400 V,un courant de 29 kA. Il est facile dimaginer lesdgts pouvant tre occasionns dans uneinstallation par un tel courant (chauffements etefforts lectrodynamiques tant proportionnelsau carr du courant!).

Aussi, mme si toutes les prcautions sontprises pour le rendre peu probable, il estncessaire de prvoir des dispositifs deprotection capables de couper les courants de

court-circuit.

1.1 Dfinition des courants couper

La seule connaissance de la valeur ducourant interrompre ne suffit pas pour

concevoir un dispositif de coupure

appropri !

La coupure de tous courants est fonction de

plusieurs paramtres lis aux gnrateurs

(alternateur ou transformateurs), aux lignes etaux rcepteurs :

c

un circuit lectrique est toujours selfique, aussiles variations mmes du courant couper

Un

U0

U = U0 - Zi In

In Icc

Courant de court-circuit

Courant de

surcharge

Courant

d'emploi

Un = Zi In

I

Fig. 1 : incidence de l'impdance Zi interne des sources d'nergie sur la tension dlivre et leur courant de court-

circuit maximum.

gnrent, ds louverture du circuit, des contre-ractions en tension qui contribuent sonmaintien. Cette f.c.e.m. du type L di/dt , peutavoir une valeur importante quelle que soit lavaleur du courant i, jusqu lannulation de cecourant ;

c la valeur rsistive du circuit couper, contribue la coupure tant que le courant a une valeursignificative, mais nest plus daucun secours

pour i 0, car la chute de tension ohmiquedevient ngligeable ;

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c les capacits entre conducteurs actifs, quellessoient rparties (capacits parasites desgnrateurs et des cbles) ou additionnelles(batterie de condensateurs en compensationdnergie ractive ou en filtre), modifient lesconditions de coupure ;

c la frquence du courant couper, car il est priori plus facile de couper un courant alternatifqui a des zros priodiques, quun courantcontinu ;

c enfin, la tension dlivre par le gnrateur :lappareil de coupure doit, aprs annulation ducourant, rsister dilectriquement la tension durseau toujours prsente.

Dans la pratique, trois types de courants couper sont dfinis :

1. Courant de court-circuit

Celui-ci, en un point donn dune installation,nest pas systmatiquement gal "20 In" du

gnrateur :

c il dpend des caractristiques du gnrateur,3 % < Ucc < 7 % par exemple ;

c il peut tre plus petit :

v selon que le dfaut est plus ou moins franc,

v selon la longueur et la section des lignes en

amont ;

c il peut tre plus grand si plusieurs gnrateurs

sont coupls en parallle.

2. Courant de surcharge

Le courant peut dpasser la valeur nominale et

devenir inacceptable aprs une certaine dure :

c pendant la priode transitoire de dmarrage ou

de fonctionnement dun rcepteur ;

c si la somme des puissances des rcepteurs en

fonctionnement dpasse les prvisions du

concepteur pour tout ou partie de linstallation(cfficient de foisonnement).

3. Courant nominal (ou plus faible)

Un disjoncteur tant destin interrompre lesforts courants de court-circuit et les surcharges,qui peut le plus, peut le moins : un tel appareilde coupure pourra aussi assurer la commandedes circuits et des rcepteurs.

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Fig. 2: l'arc lectrique et l'influence du champ E/d.

2 Larc lectrique

Larc lectrique na pas t invent ; il sestmanifest au premier physicien qui tentadinterrompre un circuit parcouru par un courant.

En effet, le circuit toujours selfique fournitsuffisamment dnergie aux lectrons pourfranchir la distance qui apparat dans la zone desparation des conducteurs.

Le gaz prsent, gnralement de lair, est ionispar ces lectrons pionniers et la cration de

2.1 Ses conditions de formation

Larc apparat dans un milieu gazeux :

c par claquage dilectrique entre deux

lectrodes :

v au-del dune valeur de champ lectrique E/d,

fonction de la forme des lectrodes, de la natureet de la densit du gaz (d = distance entre les

lectrodes - cf. fig. 2 ) ;

v suite un cheminement sur un matriau

isolant dgnrant dans le gaz ambiant ;

c ds louverture dun circuit lectrique parcouru

par un courant : mme si le circuit est purement

rsistif, une certaine distance d'ouverture est

ncessaire pour viter le claquage dilectrique.Or les circuits sont souvent selfiques, ce qui

augmente encore les risques de claquage et

ce plasma va ds lors faciliter le passage ducourant !

La coupure semble ainsi bien compromise moins quune meilleure connaissance de cephnomne ne rvle des propritsremarquables, voire irremplaables.Heureusement oui !

ncessite ainsi une distance plus grande entre

les lectrodes.

De plus, toute tentative de dcroissance rapide

du courant est significative d'un L.di/dt important,favorisant le claquage quelle que soit la valeur

du courant.

E d

2.2 Ses proprits physiques (cf. fig. 3a)

Ds la sparation de deux contacts, lun(cathode) met des lectrons, lautre (anode) lesreoit. Le phnomne dmission des lectronstant par nature nergtique, la cathode serachaude. Le pied darc devenant ainsithermomissif, les lectrons sont majoritairementmis au point chaud, do un phnomne destagnation de larc pouvant crer des vapeursmtalliques. Ces vapeurs et le gaz ambiant vontds lors tre ioniss, do :

c davantage dlectrons libres ;

c cration dions positifs qui retombent sur lacathode et entretiennent son chauffement ;

c cration dions ngatifs qui bombardantlanode provoquent son chauffement .

Lensemble de toute cette agitation se fait dansune colonne de plasma haute temprature,4 000 20 000 K, suivant le courant et leconfinement de celle-ci.

2.3 Ses proprits lectriques (cf. fig. 3b)

c La plus notable est de faire apparatre unetension darc dont la valeur a :

v une partie fixe, UAC 20 40 V, qui apparatds la moindre sparation des contacts (fonctiondes matriaux utiliss),

v une partie variable, UL = 50 100 V/cm, quand

larc est stabilis en allongement dans soncontexte dquilibre pression-temprature.

Soit une valeur totale Ua = UAC + UL.

A noter que :- le signe de Ua change en mme temps que lesigne du courant darc,- la valeur du courant darc ninflue pasfondamentalement sur la tension darc, cela tient

au fait que larc travaille densit de courant(j = i/s) presque constante (les sections des

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Fig. 3: l'arc lectrique, son phnomne physique (a) et sa tension caractristique ou tension d'arc Ua(b).

taches anodiques et cathodiques, ainsi que cellede la colonne darc sont proportionnelles aucourant, do par analogie avec une rsistance :

U = R i =I

sI j = i = constante) ;

c Une nergie darc est produite,

Wa = u i dta a

;

Anode

Cathode

e

ion +

N

ion -

ion +

e

a: composition de la colonne d'arc

e

e

e

2.4 Ses conditions dextinction

c Si larc est plac dans un champ magntique,il est soumis aux forces de Laplace,F = B i l sin ; ce qui a pour effet de le cintrer

si B

est perpendiculaire i

, puis de le

dplacer transversalement.

Il y a extinction quand le courant darc devient etreste nul.

Aspect thermique

Quand le courant darc est petit ou devient petit,infrieur 10 A par exemple, les changesdnergie thermique peuvent devenir suprieurs lnergie interne de larc et celui-ci "meurt" defroid (arc grle), ds lors ceci se traduit par une

tension darc qui augmente (cf. fig. 4a ).Pendant cette augmentation de tension, unebrutale extinction peut mme apparatre si lescapacits parasites "court-circuitent" larc, ce quise produit quand la tension darc devient et resteplus grande que la tension de charge descapacits rparties (cf. fig. 4b ). Ce phnomneest appel arrachement.

Il nen est pas toujours ainsi :

c si le courant darc vient se stabiliser contre uneparoi isolante, sa surface dchange thermiquediminue et les composants de lisolant,localement trs chauds, peuvent favoriser la

conduction et lentretien de larc ;

a: extinction de l'arc

arc grle

t

i,u

ia

Ua

im

im

Ud

Ur

E C

L,r

b: les capacits parasitescourt-circuitent l'arc

ic

ia

Fig. 4 : extinction d'un arc lectrique par arrachement

Anode

Cathode

UL

Ua = UAC+UL

b1: tension de l'arc UAC b2: tension de l'arc UL

Anode

Cathode

UAC

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Ces conditions ont lieu :

c sous tension continue : (cf. fig. 6a ) ;La tension d'arc Ua est suprieure la tensionde rseau Ur au moment o le courant s'annuleet la caractristique de rgnration Ud reste

suprieure Ur avec TTR,c sous tension alternative :

v quand la valeur instantane de la tension durseau est encore de mme signe que latension darc au moment du zro de courant(cf. fig. 6b ). La condition de coupure dfinitivesera que lvolution ultrieure de la tensionrseau ne recoupe plus les caractristiques dergnration, tant en valeurs positives quengatives,

v quand la valeur instantane de la tension durseau est de signe oppos la tension darc,mais de valeur absolue infrieure (cf. fig. 6c ).

c si le courant darc est important, la colonne

darc est trs exothermique et seule lesvolutions conjointes de la tension darc et de la

tension rseau permettent de rduire ce courant

puis de lannuler.

Aspect dilectrique

Il ne suffit pas que le courant darc devienne nul

pour assurer son extinction : il faut que le milieu

jusque l ionis se rgnre dilectriquement

pour rsister la tension rseau encore

prsente !

Ces phnomnes de rgnration par

recombinaison des ions + ou - et des lectrons

sont heureusement trs rapides ! Aussi dans la

pratique, pour que le courant darc reste nul, la

tension du rseau doit donc tre infrieure la

caractristique de rgnration (Ud).

Si la tension darc devient et reste suprieure la tension rseau (en valeur absolue sil sagit de

tension alternative), le phnomne de

rgnration sera amorc pendant lapproche du

zro de courant : le nombre de charges

lectriques du plasma sajuste au strict minimum

et devient nul en mme temps que le courant.

Mais larc et les capacits parasites ont la mme

tension jusqu lextinction du courant darc. Une

fois le courant darc annul, cette tension rejoint

la tension rseau par un phnomne

doscillation libre entre ces capacits rparties

et les constantes L et R du circuit (cf. fig. 5 ). Ce

raccordement en tension est appel TensionTransitoire de Rtablissement TTR. Ces

capacits tant faibles, ces oscillations ont une

frquence trs leve et sont trs amorties.

Fig. 5: la tension transitoire de rtablissement, TTR.

Fig. 6: l'arc en condition d'extinction.

a- sous tension continue

b- sous tension alternative avec Ur de mme signe

que Ua l'instant du zro de courant,

c- sous tension alternative avec Ur de signe oppos Ua.

Ur

Ud

t

i,u

im

im

TTR

ia

Ua

a

C

i

TTR

L,r

E

b

i,uUa

t

i

Ud +

Ud -

c

Ur

Uai,u

t

Ud +

Ud -

Ur

b

i

i

t

Uai,u

Ur

a

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Lextinction de larc est dfinitive si la TTR nedpasse pas la caractristique de rgnration.

Dans le cas contraire, la TTR coupant lacourbe de rgnration, il peut sen suivrelapparition de courant postarc de type

lectroluminescent. Et alors :

- si le courant postarc reste de type grle, des

conditions dextinction subsistent ;

- si le courant postarc dpasse une valeur

critique sous une tension galement critique, ilsen suivra un redmarrage du courant darc et il

faudra attendre un prochain zro pour couper.

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3 Couper grce l'arc

Le courant tabli la fermeture peut tre calculpar la loi dOhm gnralise :e - R i - L di/dt = 0.

Aprs un rgime transitoire de fermeture le

courant devient stable, dit en rgime tabli, il a

pour valeur I =e

R.

Sur la base dune telle loi, le courant ne pourraittre annul dfinitivement que si la tension edevient nulle, ou si R devient infini.

A ces deux extrmes, qui seraient trop

contraignants en exploitation, il sest avr

prfrable dintroduire un arc dans le circuit pourutiliser ses proprits de tension Ua et ses

conditions dextinction. Ds louverture du circuitlquation devient :e - R i - L di/dt - ua = 0.

Ainsi, le courant sera forc vers zro ou passerapar zro ; et ce sont les conditions dextinctionde larc qui permettront la coupure du courant.

Une approche progressive de la thorie de lacoupure se fait en distinguant les deux cassuivants selon que la tension darc Ua estintroduite dans le circuit :

c alors que le courant tait en rgime tabli(cf. chaptre 4) ;

c

avant que le courant nait atteint la valeurstabilise du courant de court-circuit prsum(cf. chaptre 5).

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4 Couper des courants tablis

Par courants tablis, il faut entendre courants

nominaux, courants de surcharge et courants decourt-circuit qui ont atteint une valeur stable

quelconque au moment de louverture du circuit.

Louverture du circuit peut tre :

c soit volontaire, commande par lutilisateur,indpendamment de la valeur du courant ;

4.1 Sous une tension continue (cf. fig. 7)

c soit rflexe, par laction dun dispositif,sensible la valeur mme du courant, quicommande directement ou indirectementlouverture du circuit.

Pour des raisons de simplicit, les conditions decoupure sont tudies :

c sous tension continue ;

c puis sous tension alternative.

u = Eavant ouverture : i0 = E/Raprs ouverture : E - R i - L di/dt - ua = 0

Ds louverture des contacts, ua volue vers unevaleur maximale Ua.

La loi dOhm gnralise montre que le courantne pourra tre forc vers 0 que si ua devient

suprieur E. Sinon, celui-ci voluera vers :

i0 = (E - Ua)/R, non nulle.

Dans le but de couper le courant, il est ds lorsplus simple et suffisamment dmonstratif deconsidrer cette tension d'arc commeune fonction chelon, ua = Ua pour t > t0,(t0 = instant o ua = E).

Le calcul complet donne alors :

i =E

R-

U

Ret t = Log

U

Ua-Ea

aa

a1

e

t

en considrant quil y a coupure ds linstant ole courant passe par zro (un courant ngatif

qui serait d la prpondrance du Ua parrapport Ur nayant aucun sens physique).

Le calcul de lintgrale :

Wa u i dta a= 0ta donne

WaU

E

U

ELog

U

U E

a a a

a

=1

2Li0

2 2 1 1

+

Linterprtation de cette expression est plusaise en posant WL0 = (1/2 L i0

2), et enobservant les courbes (Wa/WL0), et (ta/) enfonction de (Ua/E), (cf. fig. 8 ).

Fig. 8: courbes Wa/WL0et ta/.

E, r

L

RU

Ua

Ua

Ur

t

i,u

t

ia

t0 ta

t0

Ua

ua

i0

E

Fig. 7: coupure sous tension continue.

2

1

0,5

0,21 2 5 101,5 3

1,5

2

1

0,5

1,5

optimum

UaE

WaWL0

WaWL0

ta

ta

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Ces courbes montrent :

c si Ua = E alors Wa/WL0 = 2 seulement ! Maisle temps de coupure est infini !

c si Ua est trs grand, voire infini alors :Wa/WL0 = 1.

Lnergie darc est gale lnergie selfiqueinitiale, et le temps de coupure est quasimentnul : la puissance de larc Wa/ta trs leve !

4.2 Sous une tension alternative monophase

c que le coude de la courbe Wa/WL0 est unoptimum pratique, et donc que

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