sélectivité avec les disjoncteurs de puissance basse tension

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Cahier technique n° 201

Sélectivité avec les disjoncteursde puissance basse tension

JP. Nereau

Collection Technique

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

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Jean-Pierre NEREAU

Ingénieur IEG, a rejoint Merlin Gerin en 1981 ; son parcours au seindu Bureau d’Etudes de l’activité Appareillage Basse Tension l’aamené à développer des produits, tout d’abord dans la gamme desdisjoncteurs sous boîtier moulé, puis dans celle des disjoncteurs depuissance.Il est aujourd’hui Responsable du Bureau d’Etudes Avancé deSchneider Electric pour cette activité.

n° 201Sélectivité avec lesdisjoncteurs de puissancebasse tension

CT 201 (e) édition mars 2001

Cahier Technique Schneider Electric n° 201 / p.2

Lexique

Calibre : Courant (= In) correspondant auréglage maximum du déclencheur.

Déclencheur instantané : Déclencheur qui nepossède aucun dispositif de retard intentionnel(protection contre les courts-circuits).

Déclencheur long retard (LR) : Déclencheurqui possède un dispositif de retard intentionnelde plusieurs secondes (protection contre lessurcharges). Ce retard est généralementdépendant du courant.

Déclencheur court-retard (CR) : Déclencheurqui possède un dispositif de retard intentionnelde quelques dizaines à quelques centaines demillisecondes.

DIN : Déclencheur instantané d’autoprotection.Par assimilation, seuil correspondant.

DINF : Déclencheur instantané d’autoprotectionà la fermeture. Par assimilation, seuilcorrespondant.

Disjoncteur limiteur : Disjoncteur qui, lors de lacoupure d'un courant de court-circuit, limite lecourant à une valeur nettement inférieure aucourant présumé.

Disjoncteur sélectif : Disjoncteur à fort Icw(capable de supporter un courant de court-circuit pendant plusieurs centaines demillisecondes).

Filiation : Utilisation de la limitation dudisjoncteur amont pour augmenter le pouvoir decoupure réel de l’appareil aval. Permet d’utiliseren aval d’un disjoncteur limiteur des disjoncteursde pouvoir de coupure inférieur au courant decourt-circuit présumé.

Ic : Courant de court-circuit, donné en valeurcrête, traversant réellement le disjoncteur,compte tenu de la limitation.

Icw : Courant de courte durée admissible. C'estle courant de court-circuit maximal (en valeurefficace), que peut supporter le disjoncteurpendant une durée définie (0,5 ou 1 ou 3 s) sansaltération de ses caractéristiques.

In : Courant nominal de l’appareil.

Ip : Courant de court-circuit présumé qui sedévelopperait en l’absence de dispositifs deprotection (valeur efficace).

Ir : Courant (en valeur efficace) correspondantau réglage de la protection contre lessurcharges. Peut varier généralement de 0,4 à 1fois In.

tc : Temps réel de coupure (extinction de l’arc).

IDMTL : (Inverse Definite Minimum Time Lag)Se dit de courbes de déclenchement long retarddont la pente peut prendre différentes valeurs(voir § Les déclencheurs à courbe « IDMTL »).

Pouvoir de coupure (PdC) : C'est le nom usueldu pouvoir de coupure ultime (Icu). Icu est la plusgrande intensité de courant de court-circuit quepeut interrompre le disjoncteur.Il est défini pourune tension assignée d'emploi donnée Ue.

Sélectivité partielle : La sélectivité est partiellelorsqu’elle est assurée jusqu’à une valeur ducourant Ip inférieure au pouvoir de court-circuitde l’installation.

Sélectivité totale : La sélectivité est totalelorsqu’elle est assurée jusqu’au pouvoir de court-circuit de l’installation.

Sellim : Principe de sélectivité permettant deconcilier la sélectivité et la limitation.

Tenue électrodynamique (TED) : Capacité d'unappareil à supporter, par construction, les effetsélectrodynamiques d'un courant de court-circuit,notamment sans répulsion de ses contactsprincipaux ou d’embrochage.


Sélectivité avec les disjoncteurs depuissance basse tension

L'objet de ce Cahier Technique est de présenter les techniques desélectivité spécifiques aux disjoncteurs de puissance basse tension.Ces appareils sont caractérisés par leur calibre élevé (800 A à 6300 A),et leur situation en tête d'installation BT, généralement directement en avald'un transformateur MT/BT.Cette situation justifie les exigences de sélectivité qui leur sont appliquées.Après un rappel sur les techniques de sélectivité seront évoqués les liensentre sélectivité et caractéristiques générales des disjoncteurs et, enfin,quelques exemples pratiques seront donnés sur le choix des appareils àinstaller.

Sommaire

1 La sélectivité en BT 1.1 Introduction p. 41.2 La sélectivité en fonction des types de défaut p. 4

2 Les techniques de sélectivité lors 2.1 Sélectivité ampèremétrique p. 6

2.2 Sélectivité chronométrique p. 6

2.3 Sélectivité pseudo-chronométrique p. 7

2.4 Sélectivité "SELLIM" ou énergétique p. 7

2.5 Sélectivité logique p. 7

2.6 Emploi des différents types de sélectivité p. 8

3 Sélectivité avec les disjoncteurs de puissance 3.1 Caractéristiques des disjoncteurs p. 9

3.2 Caractéristiques des déclencheurs p. 12

3.3 Sélectivité à la fermeture p. 16

4 Exemples de choix des disjoncteurs 4.1 Présentation de l'installation étudiée p. 18

4.2 Dimensionnement des appareils de protection p. 19

4.3 Choix des appareils pour assurer la sélectivité p. 19

4.4 Variante avec sélectivité logique p. 22

4.5 Variante avec deux arrivées plus puissantes p. 23

Bibliographie p. 26

d'une installation BT

des courts-circuits


1 La sélectivité en BT

1.1 Introduction

Dans une distribution radiale (cf. fig 1 ) l’objectifde la sélectivité est de déconnecter du réseau lerécepteur ou le départ en défaut, et seulementcelui-ci, en maintenant sous tension la plusgrande partie possible de l’installation.

Elle permet ainsi d’allier sécurité et continuité deservice, et facilite la localisation du défaut.C’est une notion particulièrement importantepour les appareils de forte puissance, ceux-ciétant généralement situés en tête d’installationet leur déclenchement injustifié ayant de ce faitdes conséquences d’autant plus importantes.

La sélectivité est dite totale si elle est garantiequelle que soit la valeur du courant de défaut,jusqu’à la valeur maximale disponible dansl’installation.Elle est dite partielle dans le cas contraire.

Les défauts rencontrés dans une installationsont de différents types :

c surcharge,

c court-circuit,mais aussi :

c fuite de courant à la terre,

c creux ou absence momentanée de tension.

Fig. 1 : sélectivité.

1.2 La sélectivité en fonction des types de défaut

Les techniques de mise en œuvre de lasélectivité sont à adapter aux phénomènes misen jeu, et diffèrent donc selon le type de défaut.

SurchargesCe sont des intensités comprises entre 1 et10 fois l’intensité de service. Leur éliminationdoit se faire dans un temps compatible avec latenue thermique des conducteurs concernés. Letemps de déclenchement est généralementinversement proportionnel au carré du courant(déclenchement dit « à temps inverse »).

La sélectivité des disjoncteurs se traite encomparant les courbes temps/courant desdéclencheurs long-retard concernés par ledéfaut (cf. fig. 2 )

Elle est assurée si, pour toute valeur du courantde surcharge, le temps de non-déclenchementdu disjoncteur amont D1 est supérieur au tempsmaximal de coupure du disjoncteur aval D2 (ycompris le temps d’extinction d’arc). Cettecondition est réalisée en pratique si le rapportIr1 / Ir2 est supérieur à 1,6.

A chaque type de défaut correspond un dispositifde protection spécifique (protection contre lescourants de surcharge, de court-circuit, dedéfaut à la terre, ou contre les manques detension…).

Chacun de ces défauts peut provoquer uneperte de sélectivité si la coordination desdispositifs de protection n’a pas été prise encompte.

D1

D2D3

Fig. 2 : sélectivité dans la zone des surcharges.

Zone de sélectivitédes surcharges

I ins2 Ip

tc

Surcharges Courts-circuits

D2 D1

I r2 I r1


Courts-circuits

En raison de l’amplitude des courants de court-circuit, et surtout du fait de la présence d’arcsélectriques qui généralement les accompagnent,les circuits concernés doivent être interrompusquasi instantanément, en moins de quelquescentaines de millisecondes.

La sélectivité peut se traiter, en partie, encomparant les courbes temps/courant, tant quele temps tc est supérieur à quelques dizaines demillisecondes. En deçà, ces courbes sont uninstrument insuffisamment précis pour statueravec certitude.

En outre, le temps et le courant ne sont alorsplus les seuls critères discriminants. Il faut, selonles cas, tenir compte du courant crête, de lalimitation, ou d’une combinaison du temps et ducourant (par exemple, i dt2∫ ). Il est alorsnécessaire de se reporter aux tableaux desélectivité publiés par le constructeur desdisjoncteurs concernés.

Différentes techniques permettent d’aboutir à lasélectivité sur court-circuit entre 2 disjoncteurs,elles sont présentées dans le chapitre qui suit.

Courants de fuite à la terre

Là aussi, la sélectivité doit être prise en compteafin d’éviter qu’un défaut d’isolement en un pointquelconque de l’installation ne conduise audéclenchement des appareils de tête.

Il existe 2 grandes familles de protection contreces courants de fuite. Pour les faibles ou trèsfaibles valeurs de courant (typiquement de30 mA à 30 A), on utilise un capteur entouranttous les conducteurs actifs. Ce capteur réalisenaturellement la somme des courants, et fournitun signal proportionnel au courant de défaut. Eneffet, la présence d’un courant de défaut à laterre (ou à la masse) conduit la sommeI1+I2+I3+In à être différente de zéro.Ce système est généralement désigné par« protection différentielle » ou « vigi ».Pour les valeurs de courant de fuite plusélevées, supérieures à 20 % du courant nominal,on utilise un capteur par conducteur actif.Le système, que l’on nomme simplement« protection terre » (« ground fault » en anglais)

Is2 Is2 Ip

tc

D2 D1

t1

t2

Fig. 3: D1 est sélectif vis à vis de D2.

réalise la somme des signaux fournis parchacun de ces capteurs.

Dans les 2 cas, la sélectivité est traitée pardifférenciation des seuils et des temporisations.Elle peut se contrôler par des courbestemps/courant (cf. fig. 3 ).

Creux ou manques de tensionIls peuvent être générés par un court-circuitdans l’installation, ou par un défaut en amont decelle-ci, et conduire à un déclenchement desappareils de tête s’ils sont munis d’undéclencheur à manque ou à minimum detension.La solution consiste à utiliser des déclencheursà manque ou à minimum de tension temporisés,dont le temps de réaction devra être supérieurau temps de déclenchement sur court-circuit desappareils situés en aval.

Même non temporisés, les déclencheurs àmanque ou à minimum de tension doiventprésenter une immunité à des manques detension d’une dizaine de millisecondes, afin dene pas être affectés lors des courts-circuitséliminés par les appareils situés près desrécepteurs.


D2

D1 : disjoncteur à crans de court-retard 0-1-2-3, sélectifaux crans 1, 2 et 3 avec D2.

D2 : disjoncteur instantané à seuil Iins2

: temporisation obtenueavec le cran 1

tc

D1

ICR1Iins2 Ip

0

23

1

2 Les techniques de sélectivité lors des courts-circuits

2.2 Sélectivité chronométrique

Pour assurer la sélectivité au-delà du seuilcourt-retard (ICR1) de l’appareil amont, il estpossible d’utiliser une temporisation, réglable ounon, sur le déclencheur de l’appareil amont D1(cf. fig. 5 ).

Cette solution ne peut être mise en œuvre qu’àcondition que l’appareil puisse supporterl’intensité de court-circuit durant cettetemporisation. Elle n’est donc applicable qu’auxappareils à forte tenue électrodynamique, ditsaussi « sélectifs ».

Sur deux disjoncteurs en série, les différentscrans de temporisation, lorsqu’ils existent, sontagencés de telle sorte qu’ils soient sélectifs entreeux. Le temps maximal de fonctionnement d’uncran, temps de coupure compris, doit êtreinférieur au temps minimal de détection du cransuivant.

Fig. 4 : sélectivité ampèremétrique.

Limite de sélectivitéaux courts-circuits

Iins2 Ip

tc

Iins1

Zone de sélectivitéaux courts-circuits

D2 D1

Améliorer la sélectivité revient généralement à« freiner » le déclenchement du disjoncteurconsidéré par rapport au déclenchement desdisjoncteurs situés en aval dans l'installation.

Cet objectif est réalisé :c soit en utilisant un écart entre les seuils dedéclenchement, c’est la sélectivitéampèremétrique ;

c soit en retardant de quelques dizaines oucentaines de millisecondes le déclenchement du

disjoncteur amont, c’est la sélectivitéchronométrique ;

c soit en utilisant un critère de discriminationplus élaboré, par exemple la détection dunombre d’ondes de courant, ou la forme de cesondes ( idt∫ , i dt2∫ , etc.), c’est la sélectivité« Sellim » et la sélectivité « énergétique » ;

c soit en communiquant d'un disjoncteur à l'autrel'information de dépassement de seuil, c’est lasélectivité logique.

2.1 Sélectivité ampèremétrique

Elle résulte de l'écart entre les seuils desdéclencheurs instantanés ou court-retard desdisjoncteurs en série dans un circuit.

Elle s’applique dans le cas de défauts de court-circuit et conduit généralement, si elle n’est pasassociée à une autre sélectivité (chronométrique,Sellim ou énergétique), à une sélectivité partiellelimitée au seuil d’intervention de l’appareil amont(cf. fig. 4 ).

La sélectivité est assurée si le seuil maxi dudéclencheur de l’appareil aval est inférieur auseuil mini de celui de l’appareil amont, toutestolérances comprises.

Fig. 5 : sélectivité chronométrique.


2.3 Sélectivité pseudo-chronométrique

Lorsqu’on utilise en aval un disjoncteur limiteur,le courant de court-circuit réel est fortementréduit en amplitude et en durée, d’autant plusque le courant présumé est important. Ledéclencheur de l’appareil amont voit doncun courant plus faible qu’en l’absence dudisjoncteur aval. Ceci peut être traduit sur lacourbe de déclenchement temps/courant del’appareil aval par un temps « équivalent »diminuant sensiblement lorsque le courant decourt-circuit présumé augmente.

La comparaison avec la courbe de détection del’appareil met en évidence la sélectivité des2 appareils. Elle est qualifiée de pseudo-chronométrique, car elle ne fait pas appel à unretard intentionnel (cf. fig. 6 ).

Cette solution, par son effet de limitation et larapidité d’élimination du défaut, permet en plusde limiter les contraintes thermiques etélectrodynamiques dans l’installation.

2.4 Sélectivité « SELLIM » et sélectivité énergétique

Ces principes, développés par Schneider Electric,sont particulièrement utiles pour les appareils demoyenne puissance (100 à 630 A), où lalimitation est une nécessité. Ces appareils, àrépulsion électrodynamique très active, nepeuvent en effet supporter une temporisation deplusieurs centaines de millisecondes. Lasélectivité chronométrique avec l’aval est doncinapplicable, ou limitée à une valeur de couranttrès basse.

La solution consiste à mettre en œuvre descritères de déclenchement plus élaborés que lasimple valeur du courant ou du temps, engénéral une combinaison de ces 2 grandeurs,

Fig. 6 : sélectivité pseudo chronométrique.

2.5 Sélectivité logique

Fig. 7 : sélectivité logique.

par exemple i dt2∫ . Le type de critère, ainsi quela valeur de seuil, sont adaptés très précisémentà la combinaison amont / aval d’appareilsconsidérés. Ils permettent de garantir lasélectivité sur plusieurs étages, tout en limitantconsidérablement les contraintes thermiques etélectrodynamiques sur l’installation.

Cette sélectivité est mise en œuvre dans lesdisjoncteurs Compact NS de marqueMerlin Gerin.

Pour plus d’explications, le lecteur intéressépourra se reporter au Cahier Technique n° 167 :« La sélectivité énergétique en BT ».

Elle nécessite un transfert d’informations entreles déclencheurs des disjoncteurs des différentsétages de la distribution.

Son principe est simple (cf. fig. 7 ) :

c un déclencheur qui voit un courant supérieurà son seuil de fonctionnement envoie un ordrelogique de temporisation au déclencheur dudisjoncteur qui est juste en amont. Latemporisation sera celle affichée sur ledéclencheur.

c le déclencheur du disjoncteur situéimmédiatement en amont du court-circuitne recevant pas d’ordre d’attente agitimmédiatement, quelle que soit satemporisation affichée.

Déclen-cheur

Ordre d'attentelogique

D1

D2Déclen-cheur

Ip

D2

tcD1

D2 : limiteur

Remarque : l'emploi sur D1 d'un déclencheur à court-retard dépendant (pointillé) favorise la sélectivité.


Fig. 8 : exemple d'emploi des différents types de sélectivité.

La sélectivité logique est un additif à lasélectivité chronométrique. Elle permet deréduire les temps d’élimination des défauts, cequi réduit les contraintes sur l’installation.Elle s’applique aux disjoncteurs BT sélectifs deforte intensité, mais elle est aussi utilisée sur les

réseaux HT industriels. Elle nécessite que lesdéclencheurs soient compatibles entre eux.

Pour plus de détails, voir le Cahier Techniqueintitulé « Protection des réseaux par le systèmede sélectivité logique ».

2.6 Emploi des différents types de sélectivité

Le choix d’un type de sélectivité dans unedistribution électrique se fait en fonction du typed’appareils et de leur situation dans l’installation.Différentes techniques peuvent être combinéesentre deux appareils pour obtenir la meilleure

disponibilité de l’énergie électrique ; voir à titred’exemple la figure 8.

La sélectivité ampèremétrique est, dans tous lescas, le premier maillon de la sélectivité.

Circuit Type de sélectivité Type deconcerné Ampère- Chronométrique Chrono- Pseudo Sellim et disjoncteur

métrique + Logique métrique chronométrique énergétique

Origine de Sélectifl’installation

Distributionde puissance Limiteur

Distribution Limiteurterminale


Les disjoncteurs BT de puissance, par leurposition en tête d'installation, sontparticulièrement concernés par les besoins desélectivité.

Leur robustesse naturelle conduit à utiliserprincipalement, en cas de court-circuit, lasélectivité chronométrique. Ce qui n'exclut pasl'exploitation, en complément, de la sélectivité« pseudo-chronométrique » (disjoncteur limiteuren aval d'un disjoncteur sélectif), et de la

3.1 Caractéristiques des disjoncteurs

Courant de courte durée admissible (Icw)Le courant de courte durée admissible (Icw)caractérise la capacité des appareils à supporterles courants de court-circuit, éventuellementélevés, pendant une durée suffisante à leurélimination par les disjoncteurs ou dispositifs deprotection situés en aval. C'est donc unecaractéristique essentielle des disjoncteurs depuissance qui se trouvent naturellement en têted'installation.

Plus Icw sera élevé, plus la limite d'utilisation dela sélectivité chronométrique le sera. C’estpourquoi les appareils à Icw élevé sontfréquemment qualifiés d’appareils « sélectifs ».Il est évidemment nécessaire que le tableaudans lequel l'appareil est installé, ainsi que tousles conducteurs situés en amont, soientcapables de supporter de tels courants.

c ContraintesLes courants de court-circuit génèrent 2 types dephénomènes :

v des efforts électrodynamiques entre lesdifférentes parties du circuit parcouru par lecourant.Ces efforts sont soit de répulsion, soitd'attraction suivant le sens respectif descourants ; ils se manifestent instantanément, etla résistance de l'appareil à ces efforts, dite« tenue électrodynamique » (notée TED) seradonc caractérisée par la valeur maximaleinstantanée du courant qu'il peut supporter,mesurée en kA « crête ».Au-delà de cette valeur se produisent desdéformations irréversibles de pièces, ou desarcs électriques qui peuvent endommager lespièces concernées.

v un échauffement des pièces parcourues parle courant.Cet échauffement n'est pas fonction de la valeurinstantanée du courant, mais de sa valeur

sélectivité logique (câblage logique entre lesdifférents étages de la distribution).

Dans ce chapitre seront examinées lescaractéristiques qui ont une influence sur cettesélectivité, en considérant en premier lieu cellesdu disjoncteur lui-même, et ensuite celles dudéclencheur qui l'équipe.Le cas particulier de la sélectivité lors de lafermeture d'un disjoncteur est ensuite analysé,avec les caractéristiques qui la déterminent.

efficace et de sa durée ; la tenue de l'appareilpeut donc être exprimée en kAeff et en secondes.Le « courant de courte durée admissible » estdéfini par plusieurs normes, dont la normeCEI 60947-2, qui lui a affecté le symbole « Icw ».L'essai associé permet de tester lecomportement de l'appareil à la fois sousl'aspect électrodynamique, lors del'établissement du court-circuit, et sous l'aspectthermique, le courant étant maintenu pendantune durée prédéfinie (habituellement 0,5 s, 1 sou 3 s). Le courant crête maximum étant fixé parla norme en fonction du courant efficace, laconnaissance de ce dernier suffit à définir l'Icw.Il est évident que l'Icw est limité par le plussévère des phénomènes, soit électrodynamique,soit thermique, et que sa valeur diminue doncsouvent lorsque le temps associé augmente : unIcw pendant 3 s est thermiquement 9 fois pluscontraignant qu'un Icw pendant 1 s.La valeur Icw à prendre en compte pour lasélectivité est celle correspondant au tempsmaximum de réglage du déclencheur à court-retard, généralement de 0,5 s. Cette valeur esthabituellement déterminée directement par latenue électrodynamique, les effets thermiquesétant alors facilement maîtrisés. Les valeurs à1 s, voire 3 s, ne sont dans ce cas qu'uneindication de robustesse supplémentaire.

c Dispositions constructives pour avoir un bon Icw

Toutes ces containtes imposent :

v une construction robuste et rigide de l'appareil,assurant un maintien efficace des piècesconduisant le courant ; par rapport auxtechniques antérieures de construction à basede pièces métalliques découpées, pliées etassemblées, l'utilisation de boîtiers moulés enpolyester thermodurcissable permet aujourd'huiune notable amélioration de la rigiditéstructurelle des disjoncteurs.

3 Sélectivité avec les disjoncteurs de puissance


v une grande rigidité du mécanisme pourmaintenir la position fermée des contacts,

v une disposition particulière des contactsmobiles et des pinces d’embrochage (cf. fig. 9 )assurant une compensation automatique desefforts de répulsion générés entre les points decontact :- les pinces sont constituées de doigts situés depart de d’autre des conducteurs à relier ; lescourants parallèles circulant dans ces doigtscréent un effort d’attraction Fm qui compense lesefforts de répulsion Fr générés aux contacts(fig. 9a ) ;- les contacts mobiles comportent un axed’articulation situé environ au tiers de la distanceentre les conducteurs d’amenée. Ainsi, larésultante des efforts de répulsion Fmengendrés par la boucle de courant crée sur lescontacts un couple qui compense celui générépar la répulsion Fr aux points de contact(fig. 9b ). La compensation des efforts acependant pour effet d'augmenter les effortstransmis au mécanisme, ce qui constitue unecontrainte restrictive pour le constructeur.

v un dimensionnement généreux, en section, ducircuit de puissance, afin de ne pas atteindreune température excessive lorsque latemporisation du déclencheur est réglée à sonmaximum,

v l’utilisation de matières mouléesthermodurcissables (sans point de fusion), oudes thermoplastiques techniques à haut point defusion, à proximité du circuit de puissance.

Pouvoir de coupure (PdC)

Pour pouvoir utiliser un disjoncteur sur un circuitdonné, son pouvoir de coupure ultime (Icu) doitêtre supérieur au pouvoir de court-circuitprésumé de ce circuit au point considéré.

Habituellement, sur les disjoncteurs depuissance basse tension, ce pouvoir de coupureest égal à l'Icw à 0,5 s. Dans ce cas, la sélectivitéchronométrique peut être utilisée jusqu'aupouvoir de coupure, puisque l’appareil estcapable de supporter ces courants pendant letemps correspondant. On a donc une sélectivitétotale.Cependant, les valeurs d'Icw atteintes, mêmeavec les meilleures constructions, restentaujourd’hui limitées typiquement aux alentoursde 85 kAeff, limitant donc les pouvoirs de coupure.Or des installations de plus en plus nombreusespeuvent générer des courants de court-circuitsupérieurs à cette valeur, atteignant danscertains cas 150 kA, voire plus encore. C’est lecas notamment des installations comportantplusieurs transformateurs de forte puissance enparallèle, ou des réseaux bouclés avec demultiples générateurs.

Il existe aujourd'hui une réponse à ce besoin,avec des disjoncteurs dont le pouvoir decoupure est supérieur à l' Icw.

Fig. 9 : dispositions constructives assurant lacompensation des efforts de répulsion dans undisjoncteur.

Isym

Iasym

Ieff

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50

Isym

Ieff

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 5010 20 30 40

a : enclenchement asymétrique

b : enclenchement symétrique

Fig. 10 : chronogramme du courant dans le cas d'unenclenchement asymétrique ou symétrique.

b

aFr Fr

Fr Fr

Fm

(i/2)

(i/2)

i

i

i

1/3

2/3

Fr

Fm

i

A


c Appareils à pouvoir de coupure supérieur àl’ Icw, contraintes constructives

Les disjoncteurs dont le pouvoir de coupure estsupérieur à l'Icw / 0,5 s nécessitent, pour leurautoprotection, un déclenchement instantané(DIN) dès que le courant dépasse leur tenueélectrodynamique, car ils ne peuvent pasrésister pendant plusieurs centaines demillisecondes à des arcs d’une telle intensitéproduits lors de la répulsion des contacts.Cependant, cette condition n'est pas suffisante àelle seule, et la maîtrise du pouvoir de coupurede ces appareils fait largement appel auxcompétences des spécialistes de l'interruptiondes arcs électriques. En particulier, ces appareilsn'étant pas limiteurs, le courant lors de lacoupure de forts courts-circuits peut atteindre enrégime asymétrique environ 2,3 fois la valeurefficace du courant présumé, soit 230 kAcrêtedans le cas d'un court-circuit présumé de100 kAeff (cf. fig. 10 ). Les contraintesélectrodynamiques sont donc importantes surl'appareil lui-même, les conséquences étantamplifiées par l’ouverture effective de l'appareilau moment même où ces contraintes sont lesplus fortes.

Ces considérations limitent le pouvoir de coupuremaximum que l'on peut atteindre avec desappareils à fort Icw, et seule une constructionextrêmement robuste alliée à une parfaitemaîtrise des phénomènes associés à la coupuredes courants de forte valeur permet d'obtenirdes valeurs supérieures à 100 kA efficaces. Lesappareils Masterpact NW de type H3, de marqueMerlin Gerin, qui offrent un pouvoir de coupure de150 kA en 440 V, pour un Icw de 65 kA / 3 s sontune illustration significative de ce savoir-faire.

Notons que dans ce cas, la tenue du tableau etde l’installation requièrent également uneconstruction très robuste des jeux de barres etde leurs supports. L’utilisation de tableaux BTd’usine, testés selon la norme CEI 439, garantitla fiabilité de cette construction (cf. CahierTechnique n° 162).

c Appareils limiteurs

Lorsque le pouvoir de coupure maximumannoncé par le constructeur, sur les appareils àfort Icw, est insuffisant, il ne reste que lapossibilité d'utiliser les disjoncteurs limiteurs,qui présentent habituellement des pouvoirs decoupure atteignant 150 kA en 400 V.

Par leur principe même, ces appareils limitent lavaleur maximale atteinte par le courant, etassurent un fort pouvoir de coupure, tout enréduisant les effets du court-circuit sur l'installationet l'appareil lui-même.

Les disjoncteurs limiteurs de fort calibre souffrentcependant d'un handicap, au regard de lasélectivité avec des appareils situés en aval, carleur TED est toujours relativement faible. Eneffet, la limitation est habituellement obtenue enutilisant un effet de répulsion électrodynamique

des contacts, qui est directement antinomiqueavec la TED. Le seuil du déclencheur instantanéd'autoprotection (DIN) doit alors être placé trèsbas, ce qui cantonne la sélectivité avec l'aval àde faibles valeurs, sauf à mettre en œuvre descritères de déclenchement plus élaborés (voirle Cahier Technique n° 167 « La sélectivitéénergétique en basse tension «).

Là encore, c’est une conception astucieuse desdisjoncteurs limiteurs de puissance qui permetd’obtenir un fort pouvoir de coupure et une fortelimitation, tout en garantissant une bonne TED.C’est le cas notamment avec les appareilsMasterpact NW limiteurs, de marque Merlin Gerin,dont la TED atteint 37 kAeff !Cette TED ne sera cependant jamais aussi forteque sur un appareil non limiteur.

Ainsi le pouvoir de coupure maximum desappareils à fort Icw , en évitant le recours à desappareils limiteurs en tête d'installation, est unélément fondamental de la sélectivité.

Limitation

La valeur instantanée d'un courant alternatifsinusoïdal, en régime permanent, oscille entre+ r et - r fois sa valeur efficace. Lors del'enclenchement, cette valeur instantanée peutatteindre, sur la première onde, environ 2,3 foisla valeur efficace, en raison de l'asymétrie ducourant.La valeur réelle dépend de l'inductance ducircuit ; dans la pratique, elle est aussi liée auniveau de court-circuit considéré et augmenteavec lui. Si le disjoncteur de tête est muni d'undéclencheur instantané d'autoprotection (DIN),parce que son pouvoir de coupure est supérieurà son Icw, la sélectivité avec l'appareil aval estlimitée par la présence de ce déclencheurinstantané. Connaissant la valeur de son seuil(en kAcrête), il suffit de diviser cette valeur par lecoefficient d’asymétrie (cf. fig. 11 ) pourconnaître la limite de sélectivité (en kAeff ).Cependant, si l'appareil situé en aval dudisjoncteur considéré est limiteur, et si le court-

Fig. 11 : coefficients d’asymétrie en fonction ducourant efficace présumé selon la norme CEI 60947-1.

1,7

2,042,16

2,29

0

0,5

1

1,5

2

2,5

6 à 10 10 à 20 20 à 50 > 50

Icc présumé en kA


Seuillong retard

Seuilcourt retard

SeuilDIN

0,5 s

20 ms

Long retard

Court retard

Instantané

Seuilinstantané

I

t

Fig. 13 : courbe de déclenchement d'un disjoncteur,illustration des paramètres de réglage.

circuit a lieu à l'aval de cet appareil limiteur, lavaleur instantanée maximale mentionnée ci-dessus ne sera pas atteinte. Dans ce cas, lalimite de sélectivité obtenue est augmentée,d'autant plus que le disjoncteur aval a un pouvoirde limitation élevé (sélectivité pseudo-chronométrique).

A l'extrême, si le courant maximum limité par ledisjoncteur aval est inférieur au seuil instantanéde l'appareil amont, la sélectivité entre lesdeux appareils est totale (cf. fig. 12 ).

3.2 Caractéristiques des déclencheurs

Fig. 12 : obtention d’une sélectivité partielle ou totaleentre 2 appareils, en fonction du pouvoir de limitationde l'appareil aval.

Le potentiel de sélectivité d'un appareil ne peutêtre pleinement exploité qu'en utilisant undéclencheur approprié.

Les types de déclencheurs

Sur les appareils de fort calibre, lesdéclencheurs sont aujourd'hui exclusivementélectroniques. Il en existe plusieurs types, selonleurs possibilités de réglage (cf. fig. 13 ).

c Les déclencheurs simples

Ils proposent habituellement une courbe à tempsinverse à seuil réglable, pour les protectionscontre les surcharges, et un seuil dedéclenchement instantané (< 10 ms), réglable luiaussi, pour la protection contre les courts-circuits.Ce seuil instantané présente généralement unevaleur maximale de 10 à 12 In.C'est cette valeur maximale qui limite lasélectivité réelle qu’il est possible d’obteniravec ce déclencheur.

c Les déclencheurs dits « sélectifs »

Ils proposent en plus des protections contreles surcharges et les courts-circuitsprécédemment décrites, un seuil dedéclenchement temporisé, réglable en seuil eten temporisation (de 0 à 500 ms), et un

déclencheur instantané réglable jusqu'à lavaleur maximale admissible par l'appareil.

Courantlimité

Seuil appareil amont

Limite de sélectivité avec appareil non limiteur

Limite de sélectivité avec appareil limiteur

Sélectivité TOTALE avec appareil très limiteur

Icc présumé


Si l’Icw du disjoncteur est égal à son pouvoir decoupure, cette valeur maximale peut être« infinie », équivalente à une position «Off» : iln'y aura jamais de déclenchement instantané -voir § Pouvoir de coupure. Dans ce cas lasélectivité est alors totale, sinon la sélectivitéréelle est limitée par la valeur du seuil instantanéréglée comme sur un déclencheur simple.

Si l'Icw est inférieur au pouvoir de coupure, ceseuil instantané peut néanmoins être très élevé(beaucoup plus que 12 In) lorsque la TED estforte (voir § Pouvoir de coupure). La sélectivitéest alors partielle, jusqu'au courant efficacecorrespondant à ce seuil instantané, voire totalesi le dispositif de protection aval est suffisammentlimiteur pour que cette valeur ne soit jamaisatteinte (voir § Limitation).

Au-dessous de ce seuil, c'est la sélectivitéchronométrique qui sera mise en œuvre, parexemple : l'appareil de 3ème niveau est temporiséde 100 ms celui de niveau 2 de 200 ms, et celuide niveau 1 de 300 ms.

c Les déclencheurs avec « sélectivité logique ».

Une liaison cablée relie les déclencheurs desdisjoncteurs d’un même circuit.Un déclencheur qui détecte un court-circuitenvoie au déclencheur en amont un ordre detemporisation. Lui-même déclencherainstantanément au-delà de son seuil « court-retard » (quel que soit le réglage de latemporisation) s'il n'a pas reçu d'ordre d'attenteen provenance de l'aval.

Cette fonction ne modifie pas les règles de lasélectivité, mais elle réduit les contraintes surl'installation puisque le disjoncteur immédiatementen amont du défaut déclenchera toujoursinstantanément.

c Les déclencheurs à courbe « IDMTL »

Dans un domaine très différent desconsidérations précédentes, qui portent sur lasélectivité des disjoncteurs en régime de court-circuit, quelques déclencheurs « haut degamme » proposent des courbes dedéclenchement dites « IDMTL » définies par lanorme CEI 60255-3. Ces courbes permettentd'améliorer la sélectivité des disjoncteurs dans ledomaine des surcharges, où la sélectivité peutêtre facilement étudiée en comparant lescourbes de déclenchement des dispositifs deprotection amont et aval (cf. fig. 14 ).

Avec ces déclencheurs il est possible de régler,outre le seuil et la temporisation du déclencheur« long retard », la pente du temps dedéclenchement en fonction du courant. Cettepente est en standard à I2 t = constante, (letemps de déclenchement est inversementproportionnel au carré du courant) et elle permetune protection à contrainte thermique constante.

Les courbes IDMTL permettent différents tempsde déclenchement, au choix :

v constant(t = constante ; DT = « Definite Time »),

v inversement proportionnel au courant(I t = constante ; VIT = « Very Inverse Time »),

v inversement proportionnel au carré du courant(I2 t = constante ; EIT = « Extremely InverseTime »),

v inversement proportionnel à la puissance 4 ducourant(I4 t = constante ; HVF = « High Voltage Fuse »).

Ceci autorise une sélectivité meilleure, enparticulier avec les disjoncteurs moyennetension situés en amont, qui sont souvent àtemps de déclenchement constant, ou avec lesfusibles moyenne tension, dont la pente estsupérieure à I2t (cf. § 4.3).

La fonction d'autoprotection

Comme nous l'avons vu précédemment(§ Appareils limiteurs), un disjoncteur dont lepouvoir de coupure est supérieur à l’Icwnécessite pour sa propre protection undéclencheur instantané (DIN).

c DIN standard

Le seuil DIN doit être sélectionné de manière àce que, dans les conditions de tolérances lesplus défavorables, il reste inférieur à la tenueultime du disjoncteur. En particulier, la tolérancede la chaîne de mesure du courant doit êtreprise en compte.Si cette tolérance est large, le seuil nominal doitêtre diminué d'autant. Par contre, si cette chaîne

Fig. 14 : courbe de déclenchement « IDMTL » d'undisjoncteur.

Ir 6Ir

Court retard

I

I4t constant

I2t constant

It constant

t constant

tr

t


Fig. 16 : principe de détection d'un court-circuit, àpartir de la dérivée instantanée du courant et limitationobtenue.

est précise, le seuil nominal peut être placé auplus près de la valeur limite de tenue del'appareil (cf. fig. 15 ).

Avec un déclencheur sensible à la dérivée ducourant, l'ordre de déclenchement peut êtredonné instantanément, avec, cependant, unetrès légère temporisation pour éviter desdéclenchements intempestifs sur parasites.

v Influence sur la sélectivitéCe type de déclencheur d'autoprotection acependant un comportement particulier en termede sélectivité. En effet, un appareil même trèslimiteur placé en aval de ce déclencheur n’a pasd'effet immédiat sur la dérivée du courant d’undéfaut qu’il détecte : un temps, même minime,est nécessaire pour que ses contacts s'ouvrentet que la tension d'arc alors générée freine lacroissance du courant, puis la stoppe. Dans cecas, la sélectivité est donc limitée par lavaleur de seuil de la dérivée de courant quelque soit le dispositif aval de protection.Il est donc déterminant pour la sélectivité que leconstructeur place ce seuil à la valeur la plusgrande possible, compatible avec la limitationrecherchée et la tenue électrodynamique del'appareil.Dans l'exemple précédent, si le seuil est fixé à44,3 kA/ms, correspondant à un courantprésumé de 100 kAeff en 50 Hz, la limitationintervient seulement à partir de cette valeur decourant présumé et alors il y a sélectivité avecdes appareils aval jusqu'à cette même valeur.

v Cas du 60 Hz :di/dt max = 0 531, Ieff ainsi, un seuil réglé à44,3 kA/ms correspond à une limite de 83 kAeff(au lieu de 100 kAeff en 50 Hz).

c Détecteur de séparation des contacts

Une manière de neutraliser complètementl’imprécision des capteurs de courant est de nepas les utiliser. L’emploi de capteurs de lumièreoptoélectronique qui détectent, entre lescontacts de chacun des pôles, l'apparition d'unarc consécutif au dépassement de la tenue

c DIN en di/dt

Pour améliorer les performances de coupure, etobtenir une certaine limitation du courant decourt-circuit sur des appareils non limiteurs, onpeut utiliser un déclencheur d'autoprotection nonpas basé sur la valeur instantanée du courant,mais sur sa dérivée (di/dt).

v PrincipeA fréquence connue, la dérivée maximale ducourant est en effet directement liée à sa valeurefficace par l'équation :

di/dt max = Ieff f2 2π , où f est la fréquence du

réseau, ce qui donne

di/dt max = 0 443, Ieff en 50 Hz (dérivée en kA/ms

si Ieff est en kA)

Le cas le plus défavorable en terme de vitessed'établissement du courant de court-circuit estconstitué par une onde symétrique, qui sedéveloppe sous forme d'une sinusoïded'équation :

Ieff f t2 2 sin π( ) (cf. fig. 16 ) ;

Pour limiter le courant maximum produit par unetelle onde, il est indispensable d'agir avec uneextrême rapidité. C'est l'opportunité qu'offre ladérivée du courant, puisque sa valeur maximaleest, dans ce cas, atteinte dès l'initiation du court-circuit, alors que la valeur du seuil instantané decourant peut n'être atteinte que quelquesmillisecondes plus tard. Ainsi, pour un court-circuit de 100 kAeff en 50 Hz, l'onde symétriqueva générer un courant maximum de 140 kAcrêteau bout de 5 ms (cf. fig. 16 ).Avec un déclencheur d'autoprotection basé surune valeur seuil instantané de 100 kAcrête, il fautattendre environ 2,5 ms pour atteindre le seuil. Ilreste alors trop peu de temps pour limiter lecourant de manière significative.

0

100

140

2,5 5 7,5 10 Temps

Courant

Onde limitée

di/dt

Variation de la TED

DIN imprécisDIN précis

Zone de sélectivité Zone de sélectivitéCou

rant

pr é

sum

é

Variation de la TED

Fig. 15 : influence de la précision de la chaîne demesure de courant d'un disjoncteur sur la sélectivité.


supportplastique

us = k dip / dt

ip

électrodynamique, est une technique pourdonner l'ordre d'ouverture au disjoncteur. Dansce cas, la sélectivité n'est plus affectée par latolérance du capteur de courant, mais seulementpar celle de la tenue électrodynamique elle-même.Dans la pratique, ces dispositifs complexes nesont justifiés que pour remédier à l’imprécisionsur forts courants des capteurs magnétiquestraditionnels.

Les capteurs de courant

La précision de la chaîne de mesure dépend dela précision des capteurs. Deux grandes famillesde capteurs sont utilisées sur les disjoncteurs :v les transformateurs de courant à circuitmagnétique,v les transformateurs de courant à toreamagnétique.

c Les transformateurs de courant à circuitmagnétique

v Leur technologieC’est la plus ancienne, offre une précisionsatisfaisante dans les cas d'appareils présentantune faible TED. Ces transformateurs sont munisd'un enroulement secondaire à n spires autourd'un noyau en matériau magnétique, le primaireétant constitué par le passage à travers le circuitmagnétique du conducteur principal (cf. fig. 17 ).

De plus, lors de la fermeture du disjoncteur surun court-circuit, la réponse du capteur sur lapremière onde de courant dépend trèssensiblement de l'état magnétique (inductionrémanente) dans lequel l'a laissé le courantprécédent. Si le courant primaire lors de lafermeture est de même sens que le précédent,le courant secondaire Is est nettement atténuésur la première onde ; s'il est de sens inverse,Is est augmenté. Par conséquent, la chaîne demesure peut être entachée d'une erreurimportante, le seuil DIN doit donc être réglé parle constructeur sensiblement au-dessous de lavaleur de TED.

c Les transformateurs de courant à toreamagnétique

v Une nouvelle technologie (cf. fig. 19 )

Is = Ip / n

Ip

n spires

Circuitmagnétique

Fig. 18 : variation du courant secondaire d'untransformateur en fonction du courant primaire(influence de la saturation du circuit magnétique).

Courant primaire Ip

Courant secondaire Is

Tolérance sur Is

Saturation

Tolérancesur Ip

Fig. 17 : schéma de principe d'un transformateur decourant à circuit magnétique.

Ce transformateur débite au secondaire uncourant (Is) égal au courant primaire (Ip) divisépar le nombre de spires (n) du secondaire.v Leur précisionElle est bonne tant que le circuit magnétiquen'est pas saturé, c'est-à-dire jusqu'à 5 à 10 foisle courant nominal. Au-delà, le courantsecondaire est nettement plus faible que Ip / n(cf. fig. 18 ) .

Fig. 19 : schéma de principe d'un transformateur decourant à tore amagnétique.


Ces transformateurs de courant, ou tores deRogowski, sont constitués d'un enroulementsecondaire bobiné sur un matériauamagnétique entourant le circuit primaire. Ilsdélivrent au secondaire une tensionproportionnelle à la variation du courant primaire.L'intégration de cette tension par des circuitsélectroniques donne une image du courantprimaire.

v Leur précisionL'absence de circuit magnétique confère à cescapteurs une linéarité parfaite pour toutes lesvaleurs de courant. Ils permettent une utilisationoptimale des disjoncteurs.La précision de ces capteurs permet de placer leseuil de déclenchement au plus près de la valeurlimite de tenue de l'appareil (TED), et la limite desélectivité se trouve améliorée d'autant.

3.3 Sélectivité à la fermeture

Risques liés à un enclenchement sur défaut

Lors de la fermeture d'un appareil, le mécanismedoit fournir l'énergie nécessaire à la manœuvredes contacts, et en particulier à la compressiondes ressorts assurant la force d'appui descontacts mobiles sur les contacts fixes. C'est ceteffort qui garantit le passage correct du courant,sans élévation excessive de la température.

Lorsque l'appareil se ferme sur un courantnormal ou de surcharge, les conditions ci-dessusne sont pas significativement modifiées.

Par contre, lorsque l'appareil se ferme sur uncourant de court-circuit, des effortsélectrodynamiques considérables sont générésentre les contacts avant même la fermeturecomplète du mécanisme, et peuvent conduire àune fermeture empêchée, puis à une réouvertureintempestive. Cette situation doit être évitéesous peine de destruction rapide de l’appareil àcause d’une suite ininterrompue de tentatives defermeture et d'ouverture, sans que ledéclencheur intervienne.

Nécessité de distinguer les cas de fermeturesur courant normal, ou de court-circuitIl y a donc une différence sensible entre lecourant que l'appareil peut supporter lorsqu'il estfermé (tenue électrodynamique), et le courantque l'appareil peut établir complètement(capacité d'établissement), et que les anglo-saxons appellent «close & latch».

Il est possible de contrôler la valeur de courantque l'appareil est capable d'établircomplètement, en contrôlant l'énergie dumécanisme de commande. En augmentant cetteénergie, on augmente le courant limite.Cependant, lors de manœuvres sans courant ouavec des courants « normaux », cette énergiesupplémentaire n’étant pas consommée pour

vaincre les efforts électrodynamiques, estdissipée par chocs dans le mécanisme. On nepeut donc pas augmenter impunément cetteénergie, sans compromettre l'endurance dumécanisme, valeur essentielle pour l'utilisateurpuisqu'elle conditionne la durée de vie del'appareil.

La solution du déclencheur à 2 seuils

Pour pouvoir utiliser un appareil sur des circuitsoù le courant peut atteindre des valeurssupérieures à sa capacité de fermeture, il existeune solution, qui consiste à faire déclencherl'appareil si le courant lors de la fermeture ducircuit dépasse cette capacité. L'ouverture seproduit alors dans des conditions maîtrisées quin'amènent pas de difficulté particulière.

Bien entendu, cette capacité de fermeture étantinférieure à sa tenue électrodynamique, il n'estpas souhaitable de disposer simplement d'undéclencheur instantané avec un seuil inférieur àcette capacité : on perdrait alors tout l'intérêtd'une tenue électrodynamique forte. Il faut doncdisposer d'un déclencheur instantané à deuxseuils : l'un « bas », qui n’est actif que lors de lafermeture (appelé « DINF »), l'autre « haut », quiest actif lorsque l'appareil est complètementfermé (DIN).

Ce système peut être mis en œuvre de deuxmanières :

c une première solution largement répandueconsiste à rendre actif le seuil bas pendantquelques dizaines de millisecondes dès que ledéclencheur détecte un courant . Cette solutionest facile à mettre en œuvre, puisqu'elle neconcerne que le déclencheur, et peut donc êtreréalisée de façon entièrement électronique. Ellea cependant un inconvénient majeur : elle nepermet pas de faire la différence entre un

La contrepartie de cette caractéristique est :- la faible valeur de la tension délivrée,- le fait que ce capteur ne délivre pas depuissance,- la sensibilité du signal secondaire auxdimensions du tore.Ces différents points trouvent leurs solutionsrespectives avec :- un traitement soigné du signal,- la mise en place d'un second capteur, de typemagnétique, délivrant la puissance nécessairepour alimenter l'électronique du déclencheur,- la maîtrise des dimensions du tore parl'utilisation de matériaux adéquats, à la foisstables, peu sensibles à la température etreproductibles.


appareil ouvert qui se ferme, et un appareil quiprécédemment fermé sans courant ou avec uncourant très faible, voit subitement arriver uncourant de court-circuit. C'est ce qui se passeavec un disjoncteur d'arrivée fermé, sanscourant, lorsque l'on ferme un des disjoncteursdivisionnaires en aval sur un court-circuit. Dansce cas, le seuil DINF du disjoncteur de tête estactif sans raison, et dégrade la sélectivité alorsque l'appareil serait suffisamment protégé par leseuil DIN.

c une deuxième solution plus satisfaisanteconsiste à détecter le mouvement de fermeturede l'appareil, de temporiser cette information letemps nécessaire pour s'assurer que l'appareilest complètement fermé, et d'utiliser cetteinformation sous la forme d'un contact électriquepour faire commuter le déclencheur de l'étatDINF à l'état DIN. Cette solution garantit que leseuil bas n’est actif qu'à bon escient, et ne vientpas indûment diminuer la sélectivité d'unappareil déjà fermé.

Intérêt de la sélectivité dans le cas d'unefermeture sur défautIl faut noter enfin que lors de la fermeture d'undisjoncteur, la perte de sélectivité provoquée parla protection DINF est de conséquence limitée,puisque le déclenchement de l'appareil ne risquepas de mettre hors tension une partie del'installation qui aurait été préalablementalimentée. Cependant, la sélectivité reste utilecar elle permet, au moins jusqu'au seuil duDINF, de fermer l'appareil amont, et de laisserdéclencher l'appareil aval concerné par ledéfaut, facilitant ainsi la localisation du court-circuit.


L' installation BT objet de cette étude estreprésentée par la figure 20. Cette étude inclutla coordination des protections entre la BT et laprotection située en amont de chaquetransformateur d'alimentation MT/BT.Les choix se réfèrent à des produits de marqueMerlin Gerin.

L’installation comporte 2 arrivées moyennetension 20 kV protégées par fusible, chacune

Fig. 20 : 1er exemple d'installation (avec transformateurs MT/BT 1600 kVA) avec indication de l’ordre d’étude desélectivité.

équipée d’un transformateur MT/BT decaractéristiques 20 kV / 410 V, 1600 kVA,et d’un disjoncteur d’arrivée BT (A) ou (B).Un disjoncteur de couplage (C) permet defaire fonctionner les deux parties del’installation conjointement ou séparément,afin d’optimiser la disponibilité de l’énergieen cas de défaillance de l’une des deuxarrivées.

4 Exemples de choix des disjoncteurs d'une installation BT

4.1 Présentation de l'installation

20 kV

NW25H1

TGBT

Fusible 80 A MT Fusible 80 A MT

20 kV / 410 V1600 kVAIn 2253 AIcc 36 kA

Icc 50 kA

Icc 72 kA Icc 72 kA

A

4

3

1

NT08L1

NW25H1

NS250H

700 A

185 A

D

C

F

Câble

NW25H1

20 kV / 410 V1600 kVAIn 2253 AIcc 36 kA

Icc 50 kA

B

2

4'

3'

1'

2' NW10H2

NS400H

750 A

330 A

E

G

Câble


4.2 Dimensionnement des appareils de protection

Calibres des appareils (A) et (B) installés surles arrivées BTDétermination du courant nominal au niveau desarrivées BT :1600 kVA en 410 V correspond à un courantnominal de 1 600 000 / 410 x 2253 A.3( ) =On choisit donc en arrivée des appareils decalibre 2500 A.

Calibres des fusibles installés sur lesarrivées MTLe courant nominal au niveau des arrivées MTest :

In =1 600 000 / 20 000 x 4 A3 6( ) =

On choisit donc, selon les tableaux de choix desconstructeurs, des fusibles de calibre 80 A (afinde tenir compte des courants d’enclenchementet de surcharge, tout en assurant la protectionthermique du transformateur).

Pouvoir de coupure des différents appareilsc Détermination des courants de court-circuit endifférents points de l'installationChaque transformateur a un courant de court-circuit Icc égal à 36 kA (courant lié à la

4.3 Choix des appareils pour assurer la sélectivité

puissance et à la tension de court-circuit dutransformateur).Lorsque le disjoncteur de couplage est fermé, enaval des appareils (A) et (B) et en négligeant lesimpédances des jeux de barres, le courant decourt-circuit est de 2 x 36 = 72 kAeff.Compte tenu des impédances des câbles, lecourant de court-circuit traversant lesdisjoncteurs situés en (F) et (G) n’est plus qued'environ 50 kA.

c Choix des pouvoirs de coupureLe pouvoir de coupure doit être déterminé pourchaque appareil d’après les valeurs des courantsde court-circuit aux différents points del'installation.Les disjoncteurs (D) et (E) doivent avoir unpouvoir de coupure supérieur à 72 kA, alors quepour les disjoncteurs (A), (B) et (C), un PdCsupérieur à 36 kA est suffisant.Les disjoncteurs (F) et (G) doivent avoir un PdCde 50 kA minimum.

PrincipeLa détermination de la sélectivité se fait encomparant les caractéristiques de chaquedisjoncteur avec celles de la protection (disjoncteurou fusible) située immédiatement en amont.

Les disjoncteurs situés le plus en aval dansl'installation sont choisis et réglés de façon àdéclencher « le plus vite possible », de manièreà limiter les contraintes sur l'installation en casde surintensité.

Une fois les caractéristiques de ces disjoncteursétablies, on « remonte » dans l'installation, enassurant la sélectivité des disjoncteurs 2 à 2(disjoncteur aval / disjoncteur amont).

Sélectivité entre les disjoncteurs (F) et (D) 1

c en F : In = 185 A ; Icc = 50 kAUn disjoncteur de calibre 250 A convient, parexemple un Compact NS 250 H(PdC 70 kA à 415 V)

c en D : In = 700 A ; Icc = 72 kAUn disjoncteur de calibre 800 A convient, parexemple un Compact NS 800 L ou unMasterpact NT 08 L1 (PdC 150 kA à 415 V) ;

c Mécanisme de sélectivitéL’appareil (F) est très limiteur, (le courantmaximal pouvant le traverser est de 22 kAcrêtepour un court-circuit présumé de 50 kAeff), cedisjoncteur permet donc une sélectivité de

type « pseudo-chronométrique » avec ledisjoncteur (D).Cette sélectivité est améliorée par l’applicationdu principe « SELLIM » au disjoncteur (D). Cetappareil qui est lui aussi limiteur (avec une tenueélectrodynamique basse pour obtenir une trèsbonne limitation) permet d’avoir une sélectivitétotale entre (F) et (D) car, selon le principe de lasélectivité SELLIM, le déclencheur de (D) nedéclenche pas sur la 1ère onde de courant.Nota : La fonction « SELLIM » estsystématiquement incorporée dans lesdéclencheurs Micrologic - Merlin Gerin, etautomatiquement activée sur les appareilsconcernés.

Sélectivité entre les disjoncteurs (G) et (E) 1’

c en G : In = 330 A ; Icc = 50 kAUn disjoncteur de calibre 400 A convient, parexemple un Compact NS 400 H (PdC 70 kA à415 V)

c en E : In = 750 A ; Icc = 72 kAOn pourrait utiliser le même disjoncteur (limiteur)qu'en (D), mais la limitation du NS 400 H étantmoins forte que celle du NS 250 H, cetteassociation ne serait pas totalement sélective.Pour avoir cette sélectivité il faut choisir undisjoncteur sélectif, par exemple unMasterpact NW 10 H2 (In 1000 A, PdC 100 kAen 415 V, Icw = 85 kAeff /1 s). De plus, le pouvoir


de limitation de l’appareil (G) permet, si besoin,la sélectivité pseudo-chronométrique.

c Mécanisme de sélectivitéL’ Icw (85 kA) étant inférieur au PdC (100 kA), cetappareil possède un déclencheur instantanéd’autoprotection avec un seuil (DIN) à 170 kAcrête.Avec un Icc = 72 kAeff, le courant maximal en (E)est de 72 x 2,3 = 165 kAcrête. Le seuil DIN,n'étant donc jamais atteint, ne provoquera pasde déclenchement contrariant la sélectivité.

En outre, en cas de court-circuit en (G), lecourant maximal, correspondant à un Icc de50 kA, sera limitée pour (G) à 30 kAcrête ! Lasélectivité sera donc totale à conditiontoutefois de munir l’appareil (E) d’un déclencheuravec un seuil instantané supérieur à 30 kAcrête,soit 30 / r = 21 kAeff = 21 In, et de régler latemporisation du déclencheur de court-retard surle cran 0,1 s.

c VarianteOn peut également utiliser en (E) un appareillimiteur ayant une plus forte TED que le (D), parexemple un NW 10 L1 (In 1000 A, PdC 150 kAen 415 V, Icw 30 kA / 1s).Par sa limitation (125 kAcrête à 72 kAeff, contre165 kAcrête sans limitation), le choix d'un teldisjoncteur réduit considérablement lescontraintes électrodynamiques sur les câblesentre (E) et (G). Ce disjoncteur est muni d’undéclencheur instantané d’autoprotection à80 kAcrête qui n’est donc jamais sollicité en casde défaut à l’aval de (G) (Icc limité à 30 kAcrête).On a donc, là aussi, sélectivité totale, de typepseudo-chronométrique car due à la limitation del’appareil aval.Nota : un appareil non limiteur en (G) laisseraitpasser, en cas de court-circuit, une intensitécrête de 50 kA x 2,3 = 115 kAcrête ce quiprovoquerait le déclenchement du disjoncteur (E).

Sélectivité entre les disjoncteurs (E) et (C) 2Cette sélectivité n’est pas indispensable si lesdeux arrivées sont opérationnelles (carl’ouverture du couplage n’interrompt pasl’alimentation par (A) et (B) ). Par contre, elle ledevient si l’arrivée (B) est hors service.

c Valeur du courant nominal In en (C) :Pour offrir le maximum de souplesse, lesappareils de couplage sont dimensionnés defaçon identique aux appareils d’arrivée, soitIn = 2500 A.Comme Icc = 36 kA, un disjoncteur sélectif placéen (C) permet une sélectivité chronométriqueavec (E) et à fortiori avec (D) qui est limiteur, parexemple un Masterpact NW 25 H1 (In 2500 A,PdC 65 kA à 415 V, Icw 65 kA/1 s).

c Explication de ce choix

L’ Icw de l’appareil étant égal au PdC, il necomporte pas de déclencheur instantanéd’autoprotection ; la sélectivité chronométrique

peut donc s’appliquer sans restriction jusqu’auPdC. Le disjoncteur (C) doit donc être muni d’undéclencheur sélectif, avec son déclencheurinstantané sur la position « Off », et satemporisation court-retard sur le cran 0,2 s(puisque la temporisation du déclencheur decourt-retard du disjoncteur (E) est réglée sur lecran 0,1 s).

Sélectivité entre les disjoncteurs (D) et (C) 2’La solution retenue pour la sélectivité entre (E)et (C) convient également entre (D) et (C)puisque (C) est totalement sélectif jusqu’à sonPdC.

Sélectivité entre les disjoncteurs (C) et (B) ou(C) et (A) 3 3’

(A) et (B) sont des appareils sélectifs, sansdéclencheur instantané d’autoprotection. Làaussi, la sélectivité chronométrique s’appliquejusqu’au PdC, avec pour (A) et (B) : leurdéclencheur instantané réglé sur la position« Off » et leur temporisation de court-retardréglée sur le cran 0,3 s (puisque la temporisationdu déclencheur de court-retard du disjoncteur(C) est réglée sur le cran 0,2 s).

Sélectivité entre les disjoncteurs (A) ou (B) etles fusibles MT 4 4’

Pour analyser cette sélectivité, il faut comparerles courbes de déclenchement des disjoncteursBT et des fusibles MT.Pour cela, il faut transposer la courbe du fusibleMT en BT en multipliant l’échelle de courant parle rapport du transformateur, soit ici20 000 / 410 = 48,8 (cf. fig. 21 ).

La sélectivité est étudiée avec 2 types dedéclencheurs : cas d’un déclencheur sélectifstandard et cas d’un déclencheur à courbesIDMTL.

c Réglage dans le cas de déclencheurs sélectifsstandards

v Seuil du long retardPas de problème, le courant limite de nondéclenchement du fusible est largementsupérieur au courant limite de déclenchement dudisjoncteur ; on peut donc régler le seuil du long-retard à son maximum (soit Ir = In).

v Temporisation du long-retard et seuil du court-retardLa caractéristique de fusion des fusibles MT aune pente plus forte que celle du déclenchementdu déclencheur long-retard (LR) de pente I2t(cf. fig 21 ). Il est donc nécessaire, pour éviterl’intersection des courbes, de régler latemporisation du long-retard (tr) ou le seuil ducourt-retard (Isd) à des valeurs suffisammentbasses.Un bon compromis dans le cas présentéconsiste à régler tr = 12 s (à 6 Ir, sur une plage


Fig. 21 : analyse de la sélectivité entre un disjoncteur BT et des fusibles MT - application au cas de l'installationétudiée.

allant généralement de 1 à 24 s), et Isd = 4 Ir(sur une plage de 1,5 à 10 Ir).Ces valeurs permettent de laisser passer sansdéclenchement intempestif les pointesd’enclenchement ou courants de démarrage desrécepteurs situés à l’aval ; l’étude détaillée est àfaire en fonction de ces récepteurs.Avec un seuil court-retard plus élevé, 5 Ir parexemple, il faudrait diminuer tr à 4 s.

v Temporisation court-retardLa temporisation du court-retard étant réglée surle cran 0,3 s, pour garantir la sélectivité avec lesappareils aval comme indiqué ci-dessus, lescourbes fusible et disjoncteur se croisent vers10 In (cf. fig. 21 ). La sélectivité entredisjoncteur et fusible MT est donc limitée à

25 kAeff environ pour un courant de court-circuitmaximal Icc de 36 kAeff.

c Réglage dans le cas de déclencheurs à courbeIDMTL (cf. § Les déclencheurs à courbe «IDMTL»)Avec ces déclencheurs, il est possible dechoisir la pente de la courbe long-retard. Dansce cas on peut opter pour la pente « HVF »(High Voltage Fuse) qui se rapproche le plus decelle du fusible (pente en I4t). Avec unetemporisation à 6 Ir de 2 s, une meilleureinsensibilité aux courants transitoires de fortevaleur (pointes d'enclenchement ou dedémarrage) est alors possible dans la zone descourants entre 5 et 10 Ir, puisque le seuil court-retard peut être réglé à toute valeur souhaitéejusqu’à 10 Ir (cf. fig. 21 ).

0.1 1 10 100 I/In

Fusible MT 80 A ramené en BT

Courbe HVF tr = 2 s

Courbe I2ttr = 12 s

Seuil court retard = 4 Ir

Icc maxi 36 kA

Court retard cran 0,3 s

10000

1000

100

10

1

0.1

0.01

Td (s)


Le câblage direct entre (E) et (B) d’une part, (D)et (A) d’autre part, permet d’assurer la sélectivitéentre ces appareils lorsque le couplage (C) estouvert. Dans ce cas les diodes garantissentl’indépendance des 2 moitiés de l’installation : ellesévitent à (D) d’agir sur (B) et à (E) d’agir sur (A).

Fonctionnementc En cas de défaut en aval de (G), (cf.fig. 20) :v (G) déclenche instantanément,v (E) est temporisé de 100 ms, il ne déclenchedonc pas et envoie un signal à (C),v (C) est alors temporisé de 200 ms, il nedéclenche donc pas et retransmet le signal à (A)et (B) alors temporisés comme (C),v d'où seul (G) déclenche.

c En cas de défaut entre (G) et (E) :v (E) déclenche au bout de 100 ms et envoieun signal à (B) et (C) qui sont alors temporisésde 200 ms et ne déclenchent donc pas,v (C) retransmet le signal à (A) alors temporisécomme (C).Si (C) est ouvert, il n’envoie pas de signal à (A),ce qui est sans conséquence car le court-circuitalimenté par (B) ne concerne pas (A).

c En cas de défaut entre (E) et (C) :v si (C) est fermé, le défaut est alimenté par les2 arrivées en parallèle,

Fig. 22 : mise en œuvre de la sélectivité logique - illustration du réglage des temporisations et câblage desdéclencheurs.

4.4 Variante avec la sélectivité logique

Cette variante nécessite, au niveau desdisjoncteurs concernés, l’emploi dedéclencheurs possédant cette fonction (typeMicrologic 5.0 A - Merlin Gerin).

DescriptionLe principe et le fonctionnement de la sélectivitélogique sont détaillés dans un Cahier Techniquedédié à ce type de sélectivité.Rappelons que chaque déclencheur possèdequatre bornes :c 2 d’entrée, à relier aux appareils aval,c 2 de sortie, à relier aux appareils amont.

Lorsqu’un déclencheur détecte un défautsupérieur à son seuil court-retard, il court-circuiteses 2 bornes de sortie.Lorsqu’un déclencheur a ses 2 bornes d’entréecourt-circuitées, il active la temporisation ducourt-retard. Sinon, il déclenche instantanément.

Mise en œuvre dans l’exemple présent

c Les premiers appareils (D) et (E) ont leursentrées court-circuitées en permanence, afin queleur temporisation court-retard soit activée. Cecigarantit la sélectivité avec l’étage inférieur(disjoncteurs Compact NS).

c Ensuite on réalise le câblage et le réglage destemporisations court-retard selon la figure 22.

OUT

ACR cran 2

IN

OUT

CCR cran 2

IN

OUT

BCR cran 2

IN

OUT

DCR cran 1

IN

OUT

ECR cran 1

IN

Autresdéparts

Autresdéparts


20 kV

NW40H1

TGBT

Disjoncteur MT Disjoncteur MT

20 kV / 410 V2500 kVAIn 3520 AIcc 54 kA

Icc 78 kA

Icc 108 kA Icc 108 kA

A

4

3

1

NT08L1

NW40H1

NS250H

700 A

185 A

D

C

F

Câble

NW40H1

20 kV / 410 V2500 kVAIn 3520 AIcc 54 kA

Icc 95 kA

B

2

4'

3'

1'

2' NW25H3

NS400H

2200 A

330 A

E

G

Câble

- (C) déclenche instantanément et envoie unsignal à (A) et (B) qui sont alors temporisés de200 ms et ne déclenchent donc pas,- (C) interrompt alors le courant fourni parl’arrivée (A),- (A) reste fermé et alimente toujours la partied’installation en aval de son JdB,- (B) interrompt le courant de défaut au bout de200 ms.v si (C) est ouvert, il n’envoie pas de signal et(B) déclenche instantanément.

c En cas de défaut entre (C) et (B) :(B) déclenche instantanément.Nota : un défaut entre (E) et (C) ou entre (C) et(B) est très peu probable, ces appareils étantgénéralement situés dans le même tableau.

Ainsi la sélectivité logique, par la réduction voirela suppression des retards de temporisationtoujours importants en tête d’installation, permetde limiter d’autant plus fortement les contraintessur l’installation que les départs sont proches dela source du réseau. Ainsi, dans cetteinstallation, grâce à cette technique, un défaut àl’aval immédiat de (A) ou (B) est éliminé enquelques dizaines de millisecondes au lieu deplus de 300 ms.

En outre, le déclenchement des appareils étantinstantané dans la quasi-totalité des cas, lasélectivité avec les fusibles MT est totale,alors qu’en sélectivité chronométrique elle étaitlimitée à 25 kAeff du fait de la temporisation à300 ms du court-retard des appareils (A) et (B).

4.5 Variante avec deux arrivées plus puissantes

Soit le même schéma que précédemment, maisavec :

c la puissance des transformateurs portée à2500 kVA et l'intensité sur le circuit de départ en(E) portée à 2200 A

c la protection MT assurée par des disjoncteursMT (cf. fig. 23 ).

Le courant nominal en (A) et (B) devient 3520 Aet le Icc 54 kA. Sur le jeu de barres principal,l’Icc devient 108 kA.

Fig. 23 : 2nd exemple d'installation (puissance des transformateurs MT/BT 2500 kVA).


Courbe I2ttr = 12 s

Seuil court retard = 5 Ir

10000

1000

100

10

1

0,1

0,010,1 1 10 100

Td (s)

I/In

Icc BT maxi 54 kA

Icc MT maxi

Disjoncteur MTSeuil haut 1400 Aramené en BT = 68 kA

Disjoncteur MTSeuil bas 600 Aramené en BT= 29 kA

Choix du disjoncteur MTPour une tension MT de 20 kV, on peut utiliserun disjoncteur type « MC-Set » de marqueMerlin Gerin, avec un relais de protection Sepamde type « transformateur ».Ce relais comporte deux seuils dedéclenchement (cf. fig. 24 ) :c Le premier sert à la protection en cas de court-circuit entre le transformateur et le disjoncteurBT, ou en cas de défaillance de la protection BT.c Le second sert à la protection en cas de court-circuit à l’amont du transformateur.

Choix des disjoncteurs BT

c Disjoncteur (E)L’Icc étant supérieur à 100 kA, on ne peut pasutiliser un NW 25H2 (PdC = 100 kA). On ne peutpas plus utiliser un disjoncteur limiteur, dont lecourant nominal n’excède pas 2000 A(NW 20L1).La solution consiste à utiliser un disjoncteursélectif à haut pouvoir de coupure, tel leNW 25H3, qui offre un PdC de 150 kA, avec unIcw de 65 kA/3 s.

c Disjoncteurs (A), (B) et (C)Pour In = 3520 A, on choisit des disjoncteurs detype NW 40H1 (In = 4000 A, PdC = 65 kA,Icw = 65 kA/1 s).

Réglage des appareils pour assurer lasélectivité

A partir des réglages définis dans le s/chapitre 4.3,les seules modifications à réaliser sont pour :

1’ l’appareil (E) à temporiser sur le cran 0,1 s,

2’ l’appareil (C) sur le cran 0,2 s,

3 3’ les appareils (A) et (B) sur le cran 0,3 s.En cas d’utilisation de la sélectivité logique, leschéma de la figure 22 reste valable.

Réglage du relais de protection dudisjoncteur MT 4 4’

Le premier seuil doit être inférieur au courant decourt-circuit en aval du transformateur, soit54 kA côté BT, équivalent à 1100 A côté MT.Il doit être sélectif avec le seuil court-retard desdisjoncteurs (A) ou (B). Si celui-ci est réglé à 5 Ir,

Fig. 24 : analyse de la sélectivité entre les disjoncteurs BT et la protection MT du transformateur.


la valeur correspondante maximale sera égale àIr x seuil x tolérance, soit 4000 x 5 x 1,1 = 22 kAcorrespondant à 450 A pour l’arrivée MT. Lepremier seuil MT peut donc être réglé à 600 A.

Pour éviter l’interférence avec la temporisationcourt-retard de 0,3 s, la temporisation liée à cepremier seuil est réglée par exemple à 0,6 s.

Le deuxième seuil doit être supérieur au courantde court-circuit ci-dessus (1100 A), et inférieurau courant de court-circuit à l’amont dutransformateur. En supposant que le réseaupossède une puissance de court-circuit de150 MVA, le courant correspondant est de 4 kAcôté MT. Le deuxième seuil peut donc être régléà 1400 A.


Bibliographie

Normes

c CEI 60255-3Relais électriques - Troisième partie: Relais demesure et dispositifs de protection à une seulegrandeur d'alimentation d'entrée à tempsdépendant ou indépendant.

Cahiers Techniques Schneider Electric

c Protection des réseaux par le système desélectivité logiqueCahier Technique n° 2 -R. CALVAS - F. SAUTRIAU

c Disjoncteurs au SF6 Fluarc et protection desmoteurs MTCahier Technique n° 143 -D. GIBBS - J. HENNEBERTc Evolution des disjoncteurs BT avec la normeCEI 60947-2.Cahier Technique n° 150 -E. BLANC

c Les efforts électrodynamiques sur les jeux debarres en BTCahier Technique n° 162 -JP. THIERRY - C. KILINDJIAN

c La sélectivité énergétique en BTCahier Technique n° 167 -R. MOREL - M. SERPINET

Schneider Electric Direction Scientifique et Technique,Service Communication TechniqueF-38050 Grenoble cedex 9Télécopie : (33) 04 76 57 98 60

Réalisation : Schneider Electric.Edition : Schneider Electric.Impression :- 100 FF- ©

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sélectivité avec les disjoncteurs de puissance basse tension

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