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Partie 2 : protection des matériels électriques

I. Les dangers de l'électricité

Nous ne parlerons pas ici des dangers de l'électricité en cas de contact avec un être vivant mais des dangers intrinsèques à l'utilisation de cette énergie. Ces dangers viennent de perturbations qui vont modifier la nature du courant électrique (souvent sa valeur) et dont les conséquences peuvent être importantes (incendies, destruction de matériel, ...)

Qu'est-ce qu'une perturbation : il s'agit de tout phénomène qui engendre une modification, plus ou moins grande, des valeurs nominales (valeurs « normales ») des grandeurs tension ou courant.

Nature des perturbations

Causes

Effets

Moyens de protections

Les surintensités

Les surcharges temporaires

Mise en service d’un élément inductif (bobine, moteur, transformateur).

Peu de risques

Aucun mais les éléments de protections présents doivent être choisis afin de ne pas couper lors de ce genre de surcharge temporaire

Les surintensités

Les surcharges prolongées

- Rupture d’une phase d’alimentation d’un moteur.

- Moteur en surcharge.

- Fonctionnement abusif et simultané de plusieurs appareils électriques.

- Échauffement lent et progressif :

  • vieillissement des isolants,

  • Destruction des isolants

  • Incendies.

- Coupure retardée mais devenant rapide si l’amplitude de la surcharge est importante.

- Appareils de protection :

- disjoncteur avec déclencheur thermique,

- relais thermique.

- Relais électronique

Les surintensités

Les courts circuits

Coupure et mise en contact de câbles d’alimentation, défaut d'isolement.

Destruction des câbles, voire du matériel.

- Incendies.

- Risque d’accident corporel par brûlure.

- Coupure instantanée.

- Appareils de protection :

- disjoncteur avec déclencheur magnétique,

- relais magnétique,

- fusible.

Les surtensions

- Augmentation brutale de la tension due :

- à des contacts accidentels avec la H.T,

- à des conditions atmosphériques : coup de foudre.

- Destruction des isolants.

- Coupure instantanée.

- Appareils de protection :

- relais de surtension,

- parafoudre.

Les baisses et manques de tension

- Chute de tension trop importante due à un déséquilibre du réseau.

- Mauvais fonctionnement des récepteurs

- Coupure instantanée.

- Appareils de protection :

relais à minimum de tension.

On peut donc séparer les surintensités en 2 catégories:

Les surcharges : courant de 10 fois le courant normal (IN) tolérées pendant un temps plus ou moins long puis coupure. Le dispositif de coupure sera appelé « thermique ».
Les courts circuits : courant supérieur à 100 fois le courant normal (IN) nécessitant une coupure très rapide. Le dispositif de coupure sera appelé « magnétique ».

 



II. Principe de la protection des matériels

Méthode :

  • Etape 1 : calcul du courant d'emploi IB de l'appareil à protéger
  • Etape 2 : choix du courant nominal IN de la protection (avec IN≥IB) et choix de l'appareil de protection

 


III. Calcul du courant d'emploi IB des différents matériels


Formule générale :

Rappel: les constructeurs fournissent comme donnée non pas la puissance absorbée mais la puissance utile. Pour retrouver la puissance absorbée on se sert du rendement:

   
Remarque: pour les transformateurs, la puissance donnée est la puissance apparente, c'est à dire S=UI en monophasé et S=√3UI en triphasé.




IV. Les différents appareils de protection


4.1 Les fusibles

Symboles :

Caractéristiques d'un fusible: 

  • IN: courant nominal de fonctionnement (trouvé à partir de IB avec IN ≥ IB)
  • UN: tension nominale de fonctionnement
  • Type de fusible: aM ou gG (ou gI)
  • Pouvoir de coupure : quantité de courant maximum que le fusible peut couper
  • Taille du fusible

Constitution d'un fusible:

La différence entre un aM et un gG :

Le fusible de type gG (ou gI) protège à la fois contre les surcharges et les court-circuits. Il joue donc le rôle de la protection thermique et de la protection magnétique.

Le fusible de type aM (dit « accompagnement moteur ») ne protège lui que contre les court-circuits. Il joue donc le rôle de la protection  magnétique. Il ne craint pas les surcharges passagères (autorise donc les courants d'appel à la mise sous tension). Mais il ne protège pas des surcharges ! (il nécessite dont un autre appareillage pour assurer la fonction "thermique") . On va l'utiliser pour tout matériel ayant un courant d'appel (bobine, moteur, transformateur, …)

4.2 : Le disjoncteur magnéto-thermique

Symbole  (ici disjoncteur magnéto-thermique triphasé):

Choix d'un disjoncteur:

  • IN: courant nominal de fonctionnement (trouvé à partir de IB avec IN ≥ IB)
  • UN: tension nominale de fonctionnement
  • Pouvoir de coupure (doit être supérieur au courant de court-circuit)
  • Nombre de pôle de coupure: monophasé, uni, uni + neutre, bipolaire (2 phases), triphasé (tripolaire) ou triphasé + neutre (tétra polaire)
  • Type de courbe du disjoncteur : le type de courbe va dépendre du récepteur protégé (du courant d'appel à la mise sous tension) et il définit les bornes de coupure de la partie magnétique du disjoncteur. Exemple des courbes les plus courantes :

courbe B :                                                              courbe C :                                                               courbe D :

Par exemple, pour un disjoncteur 2A de courbe B, la zone de coupure magnétique se trouve entre 6A (3×IN)  et 10A (mais on ne sait pas où exactement). Ce qu'on sait c'est qu'il coupe quand le courant dépasse 10A et qu'il ne coupe pas quand le courant est inférieur à 6A.

4.3 : le relais thermique


Symbole:

Rôle : le relais thermique a pour but d'assurer la protection contre les surcharges.

Fonctionnement : le relais thermique est constitué d’un bilame métallique (deux lames à coefficient de température différent). Le passage du courant, s’il est supérieur à la valeur de réglage du relais, provoque l’échauffement et la déformation du bilame. Un contact électrique associé à ce bilame, déclenche le circuit de commande.

 

 

V. Exercices

Exercice N°1 : calcul du courant d'emploi IB (courant normal de fonctionnement à pleine charge)

Le réseau est du type triphasé 3×400V (U=400V) + N (ici schéma unifilaire).




Nous disposons des 4 éléments ci-dessus. Pour chaque élément donner :

  • le type de distribution (monophasé ou triphasé)
  • la tension présente sur l'élément
  • la puissance utile de cet élément
  • la puissance absorbée par cet élément
  • calculer le courant d'emploi (IB)



Exercice N°2 : choix d’un fusible (taille : 10×38, pas de voyant)

1. Soit un moteur triphasé (1500W, U=400V, cos ρ=0,7, η=0,86)

  • Calculer son courant d’emploi IB.
  • Quel type de fusible doit-on prendre (aM ou gG) ?
  • Donner sa référence (documentation ci-dessous)

2. Soit un four traditionnel (résistif, 2000W, monophasé, U=230V)

  • Calculer son courant d’emploi IB.
  • Quel type de fusible doit-on prendre (aM ou gG) ?
  • Donner sa référence (documentation ci-dessous)




Exercice N°3:  action d'un disjoncteur par rapport à un courant de surcharge

Nous disposons d'un disjoncteur magnétothermique de calibre 10A et de courbe C.

Dites ce qui se passe lorsque circule les courants suivants : 5A, 10A, 22A, 65A et 107A