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Methodes et outils daide au diagnostic et a la

maintenance des tableaux electriques generaux par le

suivi des grandeurs physiques caracteristiques et de leurfonctionnement

Kahan NGuessan

To cite this version:

Kahan NGuessan. Methodes et outils daide au diagnostic et a la maintenance des tableaux

electriques generaux par le suivi des grandeurs physiques caracteristiques et de leur fonction-nement. Sciences de lingenieur [physics]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG,2007. Francais.

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

N attribu par la bibliothque

|__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|

T H E S E

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LINP Grenoble

Spcialit : Gnie Electrique

prpare au laboratoire de Gnie Electrique de Grenoble (UMR 5269 INPG-UJF-CNRS),

dans le cadre de lEcole DoctoraleElectronique, Electrotechnique, Automatique & Traitement du Signal

prsente et soutenue publiquement

par

Kahan NGUESSAN

le 07 dcembre 2007

METHODES ET OUTILS DAIDE AU DIAGNOSTIC ET A LA MAINTENANCE DESTABLEAUX ELECTRIQUES GENERAUX PAR LE SUIVI DES GRANDEURS

PHYSIQUES CARACTERISTIQUES ET DE LEUR FONCTIONNEMENT

DIRECTEUR DE THESE : ROGNON Jean-PierreCO-DIRECTEUR(S): ROSTAING Gilles

JURY

M. Guy CLERC , PrsidentM. Guy CLERC , RapporteurM. Mohamed BENBOUZID , RapporteurM. Jean-Pierre ROGNON , Directeur de thseM. Gilles ROSTAING, Albert FOGGIA, Eric JOUSEAU , Co-encadrants


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RemerciementsJe tiens vivement remercier :Jean-Pierre ROGNON, directeur adjoint de lcole centrale de Lyon, Gilles ROSTAING, maitre

de confrence lINP Grenoble, et Albert FOGGIA, professeur lINP Grenoble, pour lintrtparticulier quils ont port ce travail de thse. Ils ont su me donner les directions scientifiquespertinentes. Jean-Pierre ROGNON et Gilles ROSTAING ont t respectivement directeur etcodirecteur de cette thse. Albert FOGGIA a particip de trs prs au pilotage des travaux. Cedernier a suscit en moi un engouement faire cette thse pendant que jeffectuais mon stage de findtude dingnieur. Je len remercie.

Je remercie tout particulirement le professeur Guy CLERC de luniversit de Lyon 1 et leprofesseur Mohamed El Hachemi BENBOUZID de luniversit de Bretagne occidentale qui ontbien voulu accepter de juger ce travail de thse en tant que rapporteurs. Leurs remarques trspertinentes ont permis damliorer la qualit du manuscrit final. Le professeur Guy CLERC a parailleurs, fait lhonneur de prsider le jury de cette thse. Je le remercie sincrement.

Je tiens galement remercier Eric JOUSEAU docteur ingnieur chez Schneider-Electric, pour sonpragmatisme, son altruisme, et le temps incalculable quil a consacr ce travail de thse. Il a tun support et un soutien prcieux sur tous les plans, du dbut la fin de cette thse.

Jaimerais remercier spcialement deux hommes qui ont eu suffisamment confiance en moi pourme confier ce travail de thse : Frdric DUMAS et Jean-Christophe IANESELLI chezSchneider-Electric, les initiateurs de cette thse, sans qui je ne serais l partager la joie dunetche accomplie. Frdric DUMAS a su guider mes premiers pas durant cette thse, me mettant en

contact avec des personnes cls. Cest un responsable altruiste, plein dides innovantes, avec qui,il est plaisant de travailler et qui a beaucoup particip mon panouissement durant cette thse.Jean-Christophe IANESELLI en tant que responsable du dpartement auquel je fus affect adfendu ce projet de thse et a mis tous les moyens quil fallait pour sa russite. Je leur en suisinfiniment reconnaissant

Je remercie tous les experts de Schneider-Electric avec lesquelles jai eu des discussions techniquestrs constructives. Ces discussions mont permis de runir un certain nombre de donnesncessaires pour le dveloppement des outils mis en place durant cette thse. Je citerais parmi cesexperts, Christophe KILINDJIAN, Pascal LEPRETRE et Didier VANDOOREN, ils ont tousmanifest un intrt particulier travailler sur ce sujet de thse. Milles mercis Christophe

KILINDJIAN qui a bien voulu mettre notre disposition le cur de calcul de son logicielEChaufPc. Je remercie Lehdi KISMOUNE chez Schneider-Electric qui ma prt le matrielpour les essais sur le tableau OKKEN.

Je ne saurais oublier, Florence FRANCOISingnieur au G2ELAB que je remercie pour sa grandedisponibilit et son apport notamment sur la prise en main de la technique des rseaux Baysiens.Cest quelquun de trs sympathique.

Remerciement spcial Daniel ROYEet Pierre GRANJON,professeur et professeur assistant lINP Grenoble, tous deux pour leur sympathie, leur disponibilit et leurs aides notamment surlessai de vibration.


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Je remercie Sdic BACHA et Jean-Louis COULOMBtous deux professeurs lINP Grenoble etresponsables respectifs des quipes MAGE et SYREL du G2ELAB. Les diffrents sminairesauxquels jai t convi dans ces quipes mont beaucoup difi.Je remercie Patrick AUDIFFRET responsable du laboratoire dessai dchauffement chezSchneider-Electric Montmlian qui acceptait chaque fois que besoin tait, de me trouver des

crneaux horaires dans son laboratoire malgr un taux de charge lev.Je dis un grand merci Jean-Yves BATAILLARDchez Schneider-Electric pour sa gentillesse etson ingniosit dans la construction des bancs dessais.Je profite aussi pour dire toute ma reconnaissance aux techniciens de laboratoire chez Schneider-Electric que sont Serge BONENTEaujourdhui retrait, Serge FORTUNA,et Lionel pour laidequils mont apport durant les manipulations.

Une ddicace spciale toutes les personnes grce qui je me suis pleinement panoui durant ces 3annes de thse, Les membres de lquipe des Services et Projets chez Schneider-Electric avecNathalie CADORINen particulier, mes amis et le personnel du G2ELAB, tous et toutes, pour leurconvivialit.

Enfin un grand merci Danielle pour son soutien moral.

Ce travail est un cadeau ma mreAdjoua et mon pre Nguessan


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Aide la maintenance prventive des tableaux lectriques basses tensions 5

SOMMAIRE

INTRODUCTION ............................................................................................. 9

CHAPITRE 1 :CONTEXTE DE LETUDE............................................................ 15

I. PROBLEMATIQUE .................................................................................................................................... 15II. LE TABLEAU ELECTRIQUE BASSE TENSION ET SES CONSTITUANTS ................................................... 151. LENVELOPPE ........................................................................................................................................... 162. LES CLOISONNEMENTS INTERNES ............................................................................................................ 163. LA DISTRIBUTION ..................................................................................................................................... 174. LAPPAREILLAGE ...................................................................................................................................... 175. LES CABLES DE RACCORDEMENTS CLIENTS ............................................................................................. 176. EXEMPLE DE TABLEAUX ELECTRIQUES .................................................................................................... 18

III. ETAT DES LIEUX DES CAUSES DE DEFAILLANCES DES TABLEAUX ELECTRIQUES BT ...................... 181. LES GRANDES FAMILLES DE CAUSES DE DEFAILLANCES DES TABLEAUX ELECTRIQUES ......................... 192. REPARTITION DES GRANDES FAMILLES DE DEFAILLANCES...................................................................... 20IV. DETECTION ET DIAGNOSTIC DES DEFAUTS DES TABLEAUX ELECTRIQUES PAR LA MESURE DE LATEMPERATURE................................................................................................................................................ 211. LA SURVEILLANCE THERMIQUE HIER ET AUJOURDHUI ........................................................................... 212. LA SURVEILLANCE THERMIQUE DE DEMAIN ............................................................................................ 22

CONCLUSION ............................................................................................... 24

CHAPITRE 2 :LE CONTACT ELECTRIQUE ET LES ESSAIS DE MISE EN EVIDENCE

DES PHENOMENES LIES A SA DEGRADATION............................................... 27

INTRODUCTION ........................................................................................... 27

I. GENERALITES SUR LE CONTACT ELECTRIQUE ...................................................................................... 281. LES CONTACTS DANS LE TABLEAU ELECTRIQUE ...................................................................................... 292. UTILISATION DES FORMULES DE RESISTANCES DE CONTACTS DANS LE CAS REEL .................................. 29II. LES ESSAIS DE MISE EN EVIDENCES DES PHENOMENES PHYSIQUES LIES A LA DEGRADATION DESCONTACTS ....................................................................................................................................................... 301. ESSAI DE MISE EN EVIDENCE DU BOUCHON THERMIQUE.......................................................................... 302. ESSAI DE DESSERRAGE PROGRESSIF......................................................................................................... 353. ESSAI DE VIEILLISSEMENT ACCELERE ...................................................................................................... 394. ESSAI VIBRATOIRE.................................................................................................................................... 41

CONCLUSION ............................................................................................... 45

CHAPITRE 3 :LA THERMIQUE DANS LE TABLEAU ELECTRIQUE ET LEPOSITIONNEMENT DES CAPTEURS DE TEMPERATURE.................................. 48

INTRODUCTION ........................................................................................... 48

I. LA THERMIQUE DANS LARMOIRE ELECTRIQUE ................................................................................... 491. LA CONDUCTION DANS LARMOIRE ELECTRIQUE..................................................................................... 49


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Sommaire6

2. LA CONVECTION DANS LARMOIRE ELECTRIQUE ..................................................................................... 503. LE RAYONNEMENT DANS LARMOIRE ELECTRIQUE ................................................................................. 50II. LE POSITIONNEMENT DES CAPTEURS DE TEMPERATURES DANS LARMOIRE ELECTRIQUE ............. 501. LES CRITERES DE PRIORITE....................................................................................................................... 512. TABLEAU DES PRIORITES DANS LA POSE DES CAPTEURS.......................................................................... 553. AUTRES PRECAUTIONS A PRENDRE DANS LA POSE DES CAPTEURS .......................................................... 564. LA QUESTION DU NOMBRE DE CAPTEURS ................................................................................................. 57

CONCLUSION ............................................................................................... 58

CHAPITRE 4 :SYSTEME DE DETECTION......................................................... 62

INTRODUCTION : ......................................................................................... 62

I. INDICATEUR DE FRANCHISSEMENT DES SEUILS DE TEMPERATURES ................................................... 63II. INDICATEUR DE VIEILLISSEMENT ......................................................................................................... 651. ALGORITHME DE CALCUL DU FACTEUR DE VIEILLISSEMENT ................................................................... 662. EXEMPLE DE SIMULATION DU CALCUL DE VIEILLISSEMENT .................................................................... 68III. DETECTION DE LECHAUFFEMENT ANORMAL PAR COMPARAISON A UN MODELE PHYSIQUE ........ 701. ETAT DES LIEUX DES LOGICIELS DE SIMULATION A NOTRE DISPOSITION................................................. 702. DETECTION DECHAUFFEMENT ANORMAL A LAIDE DECHAUFPC......................................................... 743. DE ECHAUFPCA ECHAUFWEB ................................................................................................................ 79IV. DETECTION DE LECHAUFFEMENT ANORMAL PAR LES RESEAUX DE NEURONES............................. 811. DES NEURONES BIOLOGIQUES AUX NEURONES ARTIFICIELS.................................................................... 812. LAPPRENTISSAGE DES RESEAUX DE NEURONES...................................................................................... 833. APPLICATION DES RESEAUX DE NEURONES A LA DETECTION AUTOMATIQUE DE CONTACTS DEFAILLANTS 85

CONCLUSION ............................................................................................... 88

CHAPITRE 5 :SYSTEME DE DIAGNOSTIC ...................................................... 92

INTRODUCTION : ......................................................................................... 92

I. LES RESEAUX BAYESIENS....................................................................................................................... 931. UN EXEMPLE SIMPLE DE RESEAU BAYESIEN ............................................................................................ 94II. LA MISE EN UVRE DU RESEAU BAYESIEN POUR LE DIAGNOSTIC DE LARMOIRE ELECTRIQUE..... 97

1. ACQUISITION DINFORMATIONS ET CREATION DE GRAPHE...................................................................... 972. REMPLISSAGE DES TABLES DE PROBABILITES CONDITIONNELLES......................................................... 102III. EVALUATION ET UTILISATION DU RESEAU BAYESIEN ..................................................................... 1051. EVALUATION .......................................................................................................................................... 1052. UTILISATION DU RESEAU BAYESIEN ...................................................................................................... 1073. ADAPTATION AUTOMATIQUE DES PROBABILITES DES RESEAUX BAYESIENSPAR UN PROCESSUSDAPPRENTISSAGE ......................................................................................................................................... 111

CONCLUSION ............................................................................................. 114

CHAPITRE 6 :LE SYSTEME COMPLET : EXEMPLE DAPPLICATION ............... 118

INTRODUCTION ......................................................................................... 118


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I. TABLEAU OKKENEN CONDITION REELLE DUTILISATION............................................................... 119II. POSITIONNEMENT DES CAPTEURS ...................................................................................................... 120III. MODELISATION ET DETECTION ........................................................................................................ 1211. MODELISATION ...................................................................................................................................... 1212. DETECTION............................................................................................................................................. 124IV. DIAGNOSTIC........................................................................................................................................ 127V. ETAT DES LIEUX DU SYSTEME GLOBAL .............................................................................................. 129

CONCLUSION ............................................................................................. 132

CONCLUSION GENERALE............................................................................ 133

ANNEXES ................................................................................................... 137

ANNEXE 1 :RESISTANCES (LECTRIQUE ET THERMIQUE)DUN CONTACT. ........................................... 1391. LE PASSAGE DU COURANT A LINTERFACE DUN CONTACT ELECTRIQUE .............................................. 1392. LE PASSAGE DU FLUX THERMIQUE A LINTERFACE DUN CONTACT ELECTRIQUE ................................. 140ANNEXE 2 :EXEMPLE DE CALCUL DE LA RESISTANCE THERMIQUE........................................................ 143ANNEXE 3 :RESULTATS DE LESSAI DE DESSERRAGE PROGRESSIF SUR LES CONTACTS DE TYPEBOULONNE. ................................................................................................................................................... 145ANNEXE 4 :THEORIE DE TRANSFERT THERMIQUE.................................................................................... 1471. CONDUCTION.......................................................................................................................................... 1472. CONVECTION .......................................................................................................................................... 1483. RAYONNEMENT ...................................................................................................................................... 148ANNEXE 5 :ALGORITHME DE VIEILLISSEMENT......................................................................................... 151ANNEXE 6 :TABLES DE PROBABILITES ASSOCIEES AUX VARIABLES INTERMEDIAIRES ET TERMINALES DURESEAU BAYESIEN ........................................................................................................................................ 153

ANNEXE 7 :TABLES DES PARAMETRES DIMENSIONNELS ECHAUFWEB EN FONCTION DE LA SECTION DESCABLES ISOLES ............................................................................................................................................. 155ANNEXE 8 :ANALYSE DE SENSIBILITE SUR LES TEMPERATURES RESULTANTES DU MODELE THERMIQUEDE DETECTION PAR RAPPORT AUX ERREURS SUR LES DIMENSIONS DE JEUX DE BARRES. ...................... 157

BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................ 159

BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................ 161


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Sommaire8


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INTRODUCTION

Aujourdhui, que ce soit dans lindustrie lourde ou dans le tertiaire, les usagers dlectricit ont deplus en plus le souci de se garantir une continuit de service, compte tenu des pertes souvent

normes engendres par un arrt de fonctionnement de leur installation.

Dans toute installation lectrique, lnergie provenant du distributeur dlectricit, aprs la

transformation MT/BT, est achemine vers les utilisateurs finaux en passant par un ou plusieurs

tableaux lectriques (Figure 1).

Figure 1 : Exemple de rseau lectrique industriel simplifi.

Le tableau lectrique regroupe une grande partie de lappareillage et des lments servant la

rpartition et la mesure de lnergie lectrique ainsi qu la protection des quipements et de leurs


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Introduction10

utilisateurs. Ce regroupement dappareillages et lments, tous dune importance capitale pour le

bon fonctionnement de lapplication en aval, fait du tableau lectrique basse tension un point

critique du rseau lectrique. Cest donc un lment cl de la distribution lectrique. De son bon

fonctionnement, dpend la scurit et la disponibilit de lensemble de linstallation lectrique (en

aval).

Les constructeurs dquipements lectriques tels que Schneider-Electric, possdant la maitrise de la

mise en uvre des tableaux lectriques, ont toujours eu le souci de rpondre ce besoin de scurit

et de disponibilit. Ils prconisent donc une stratgie de maintenance prventive (agir avant le

dysfonctionnement) par opposition la maintenance curative (agir aprs le dysfonctionnement). Par

ailleurs, il existe plusieurs niveaux de maintenance prventive (Figure 2).

Figure 2 : Diffrents types de maintenances prventives.

Schneider-Electric, comme tous les constructeurs dquipements, propose systmatiquement ses

clients un premier niveau de maintenance prventive dite de routine. Il se fait intervalle de temps

rgulier afin de garantir les performances minimales, dans la dure de vie des quipements, cela

condition quils soient utiliss dans les conditions normales.

Dans des cas dinstallations ncessitant un haut niveau de fiabilit, de disponibilit ou de

performances, les constructeurs, dont Schneider-Electric, peuvent prescrire un plan de maintenance

dont lobjectif est dagir aprs avoir dtect lamorce dune dgradation, avant mme que

lquipement ne soit hors service. Contrairement la maintenance de routine, cette dernire est

initie par le constat dun dbut de dtrioration. Dans cette catgorie, nous pouvons distinguer

deux sous niveaux, la maintenance conditionnelle et la maintenance prdictive. Dans le premier cas,

les inspections sont espaces (mois, annes) et permettent de dtecter des tats de dgradation

Performanceminimum requise

Durede vie

DiagnosticPonctuel Photo

Diagnostic: Monitoring Film

Maintenance Prdictive

Nettoyage etgraissage

Maintenance de

routine

Maintenance

conditionnelle


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avance. Dans le deuxime cas, les inspections plus frquentes (minute, heure, jour) permettent de

dtecter un tat de dgradation moins avanc. Toutefois la frontire entre ces deux types de

maintenances reste floue.

Schneider-Electric dveloppe des outils aidant aux diffrents types de maintenances quil propose.Le groupe offre dj ses clients la possibilit de suivre leur parc install travers des informations

concernant la gestion de la maintenance de routine de leur installation. Ces clients peuvent aussi

accder des grandeurs lectriques telles que la puissance consomme, le courant, la tension, et le

taux dharmoniques. Toutes ces informations sont rapatries sur un serveur et traites. Les experts

Schneider-Electric les utilisent pour des recommandations dans le but de mener des actions

prventives, qui vont dans le sens de garantir une nergie beaucoup plus fiable, disponible et moins

chre.

Dans cette dynamique, la division Service de Schneider-Electric, dans sa stratgie de

dveloppement des services prdictifs, a initi cette thse daide la maintenance des tableaux

lectriques par le suivi des grandeurs physiques. Lide est donc de se servir des mesures ralises ,

et ventuellement dautres grandeurs physiques,pour aider la maintenance prdictive des tableaux

lectriques [1]-[2].

Une enqute impliquant des experts Schneider-Electric nous rvle que la principale cause de

dfaillance des tableaux lectriques est le dfaut de raccordement conduisant un chauffement

local de la connexion et pouvant dgnrer en un amorage. La plupart des autres causes de

dfaillance (surcharges, harmoniques, mauvaise ventilation), conduisent galement une lvation

de la temprature. Ds lors, la temprature semble tre une grandeur physique qui pourrait aider

dtecter et diagnostiquer un ensemble important des modes de dfaillances des tableaux lectriques.

Ainsi, le but premier de cette thse est dlaborer un outil de dtection et de diagnostic des tableaux

lectriques, bas principalement sur la mesure de la temprature, mais galement des autres

grandeurs accessibles.

Ce document est le rapport de cette thse. Il est organis de la faon suivante :

o Le chapitre 1 situe le contexte gnral et la problmatique de notre tude.

o Le chapitre 2 prsente des expriences de comprhension des principaux dfauts des

tableaux lectriques.

o Le chapitre 3 donne une aide sur lemplacement des capteurs de temprature dans le tableau

lectrique en se basant sur les rsultats des expriences.


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Introduction12

o Le chapitre 4 dtaille la dtection des dfauts proprement dite. Deux mthodes ont t

testes. La premire est la comparaison du comportement thermique de larmoire par rapport

un modle physique du tableau suppos sain. La deuxime utilise la capacit

dapprentissage des rseaux de neurones pour reconnatre les cas de dfaillances.

o Le chapitre 5 traite du diagnostic pour expliquer les cas de dfaillance. Loutil de diagnostic

permet aussi de faire une analyse du risque de dfaillance. La technique des rseaux

Baysiens est utilise cet effet.

o Le chapitre 6 vise donner une vue densemble, sur un cas pratique, des diffrents outils

dvelopps.


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Chapitre1

CONTEXTE DE LETUDE

________________________________________________________________________________


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Chapitre 1 : Contexte de ltude14


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CONTEXTE DE LETUDE

I. Problmatique

Notre tude sinsre dans un contexte gnral qui est celui de la disponibilit de lnergie lectrique.

En effet ce thme prend de plus en plus dampleur dans le domaine industriel et tertiaire du fait descots occasionns par larrt dun service ou dune chane de production. A titre indicatif, pour

beaucoup dinstallations industrielles le cot horaire darrt est suprieur 10.000$/h. Jusqu ce

jour, pour pallier ce problme, les industriels ont recours de la maintenance prventive

intervalles de temps rguliers. Il est vrai que cette pratique permet dviter un bon nombre de

dfaillances, mais elle reste chre et ncessite souvent des arrts de linstallation lectrique.

Aujourdhui il est de plus en plus question de la maintenance prdictive base sur la connaissance

continue de ltat du systme [3]. Ceci dans le but de rduire encore plus les cots lis lamaintenance, et daugmenter la disponibilit de lquipement lectrique. Aujourdhui la venue de

capteurs et de composants lectriques communicants rend cette pratique dautant plus viable.

Nous nous intressons particulirement au tableau lectrique Basse Tension (BT), point de passage

quasi obligatoire de lnergie lectrique.

Avant de dvelopper notre plan daction pour aider sa maintenance prdictive, prsentons ce

quest un tableau lectrique et faisons ltat des lieux des causes de ses dfaillances.

II. Le tableau lectrique Basse tension et ses

constituants

Le tableau lectrique sert la distribution de lnergie lectrique depuis le point darrive de cette

nergie jusquaux quipements utilisateurs. Il est compos dune enveloppe et dun ensemble

dlments dont le rle est dassurer la rpartition de lnergie, la protection, et le contrle de


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linstallation lectrique en aval. Ces fonctions du tableau sont ralises par un certain nombre de

constituants et une architecture particulire. Roland Auber dans [4] donne une description

exhaustive des tableaux lectriques. Ici nous nous contentons den souligner quelques traits qui

nous semblent importants.

1. Lenveloppe

Lenveloppe dun tableau lectrique assure la protection des personnes contre les chocs lectriques.

Elle protge aussi le matriel contre les influences externes (poussires conductrices,

environnement chimique agressif etc.).

2. Les cloisonnements internes

Des crans et des cloisons contribuent viter les contacts avec des parties actives (jeu de barres

sous tension par exemple), augmentant ainsi la protection des personnes. Ils assurent la protection

contre le passage de corps trangers entre les diffrents compartiments, et permettent de rduire les

risques damorages. Des systmes de ventilation force ou naturelle peuvent tre installs dans le

tableau en vue de rpondre au problme dvacuation de chaleur pouvant tre engendr par cescloisons. La norme IEC-60439.1 dfinit prcisment les degrs de cloisonnement interne travers

la notion de forme.

Forme1 : Absence totale de cloisonnement

Forme 2 : Sparation entre jeux de barres et units fonctionnelles

Forme 3 :En plus de la forme 2, sparation de toutes les units fonctionnelles entre elles.

Forme 4 : En plus des caractristiques de la forme 3, sparation des bornes pour conducteurs

extrieurs associs une unit fonctionnelle de celles de toutes les autres units fonctionnelles et

des jeux de barres.


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Figure 3 : Diffrents types de formes dun tableau lectrique

3. La distribution

La distribution est constitue de jeux de barres de distribution horizontales et verticales et de

connecteurs spcifiques permettant la rpartition de lnergie lectrique vers les diffrents

appareillages. Leurs supports doivent tenir les efforts lectrodynamiques et les contraintes

thermiques.

4. Lappareillage

Lensemble de lappareillage est constitu de dispositifs pour la protection, la commande, le

sectionnement et la signalisation. Cet appareillage peut, selon les cas, tre regroup en units

fonctionnelles lorsquil ralise une fonction spcifique, par exemple la protection dun dpart, la

commande dun moteur.

5. Les cbles de raccordements clients

Les raccordements se font directement depuis les bornes de lappareillage de protection ou par

lintermdiaire de dispositifs de raccordements spars. Les cbles de raccordements clients (ou

dparts clients) assurent lalimentation en nergie de la charge terminale (moteur par exemple).


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6. Exemple de tableaux lectriques

Pour rpondre au besoin du march, Schneider-Electric fournit des armoires et tableaux lectriques

BT darchitectures et de puissances varies. A titre indicatif, nous pouvons citer,

Larmoire Prisma Plus , destine aux btiments du tertiaire, allant jusqu 3200A de

courant assign.

Le tableau Okken destin aux applications de lindustrie lourde, allant jusqu 7300A de

courant assign.

Ci-dessous nous pouvons voir une armoire OKKEN avec les diffrentes parties repres.

Figure 4 : Structure du tableau lectrique OKKEN de Schneider-Electric

III. Etat des lieux des causes de dfaillances

des tableaux lectriques BT

Comme tout systme lectrique, le tableau subit linfluence du milieu extrieur dans lequel il opre.

Il subit aussi linfluence dautres phnomnes lis son utilisation proprement dite. Ces influences

Jeux de barreshorizontales

Cbles deraccordements clients

Appareillage

Units fonctionnelles

Cloisons


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se traduisent par un vieillissement acclr ou par des dgradations pouvant aboutir au

dysfonctionnement voire larrt total du tableau lectrique.

Il est donc vital de recourir une maintenance prdictive. Par ailleurs, le problme de la

maintenance prdictive impose davoir identifi au pralable les diffrentes causes de dgradations.Ainsi, nous avons men une tude didentification et de quantification des causes de dfaillances

des tableaux lectriques. Elle a consist interroger des experts Schneider-Electric. Six entretiens

ont t raliss. Au cours de ces entretiens il tait question, pour les experts, de lister les causes de

dfaillances des armoires lectriques et leur pourcentage dapparition. Cette tude nous a permis

didentifier les grandes familles des causes de dfaillances des tableaux lectriques et les tendances

en termes dapparitions.

Dans le chapitre suivant nous donnons les rsultats de cette enqute.

1. Les Grandes familles de causes de

dfaillances des tableaux lectriques

1.1. Environnement /Pollution

Cette famille regroupe les causes de dfaillances lies lenvironnement dans lequel baignent lescomposants du tableau lectrique.

Les environnements humides favorisent loxydation des parties mtalliques du tableau.

Les environnements poussireux ou corrosifs, comme ceux rencontrs dans les papeteries par

exemple, attaquent les contacts lectriques. Cela entrane une augmentation de la rsistance

lectrique du contact pollu.

1.2. Dfauts de raccordements

Ces dfauts de raccordements regroupent le mauvais serrage des connexions des cbles et jeux de

barres. Ils regroupent aussi les mauvaises connexions dues une visserie qui nest pas adapte. Un

dfaut de raccordement contribue augmenter la rsistance lectrique de la connexion.

1.3. Dfauts appareillages et ventilations

Cette famille regroupe les dfaillances du systme de ventilation ou des appareils installs dans le

tableau lectrique. Selon les experts, une mauvaise ventilation ou un dfaut au niveau de

lappareillage peut se traduire par des dclenchements intempestifs des appareils, dus unelvation de la temprature ambiante du tableau lectrique.


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1.4. Surcharges

Dans la famille des surcharges, nous considrons uniquement les surcharges de courant. Ces

surcharges peuvent tre dues un mauvais dimensionnement des jeux de barres et autres

appareillages. Elles peuvent tre aussi dues un ajout de charges supplmentaires par rapport cepour quoi le tableau a t dimensionn au dpart. Nous intgrons dans cette famille les surcharges

du neutre due la prsence dharmoniques de rang 3.

1.5. Objets oublis ou intrusions extrieures

Lintrusion danimaux dans les tableaux (souris, insectes, oiseaux) est une des causes de court-

circuit. Loubli de cls et autres objets conducteurs dans les tableaux, par exemple aprs une

opration de maintenance, peut aussi tre la cause dun court circuit.

2. Rpartition des grandes familles de

dfaillances

Les entretiens raliss auprs des six experts rvlent que parmi les familles de causes de

dfaillances des tableaux, viennent dabord les dfauts de raccordements, puis les surcharges. Sans

quil faille attacher une signification statistique ces chiffres, la part de ces causes dans lensembledes causes de dfaillances est respectivement de 34% pour les dfauts de raccordements et de 21 %

pour celles dues aux surcharges. Par ailleurs, nous pouvons remarquer que la plupart des causes de

dfaillances conduisent une lvation en temprature.

Erreur ! Liaison incorrecte.

Figure 5 : Rpartition des causes de dfauts des tableaux lectriques

En effet, les environnements agressifs ou les dfauts de raccordements, se traduisent par une

dgradation des contacts lectriques. Il sen suit une augmentation de la rsistance de contact qui

entrane un chauffement local par effet joule au passage du courant. Les dfauts de ventilation sont

galement susceptibles doccasionner une lvation de la temprature ambiante du tableau. Les

surcharges surchauffent les cbles, les jeux de barres et les appareillages.

La temprature semble donc tre une grandeur physique permettant de superviser une part

importante des causes de dfaillances.


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IV. Dtection et Diagnostic des dfauts des

tableaux lectriques par la mesure de la

temprature

1. La surveillance thermique hier et

aujourdhui

Les deux pratiques encore largement utilises jusqu ce jour, pour prdire les risques de dfaillancede larmoire lectrique crs par un chauffement excessif, sont :

Linspection rgulire avec utilisation des 5 sens de lHomme.

Linspection rgulire avec utilisation de la thermographie infrarouge

En ce qui concerne la premire pratique qui est lutilisation des sens, il est commun de voir

lutilisateur de tableau lectrique faire le tour des armoires, les ouvrir et les inspecter, la recherche

dun cble qui fond, dun jeu de barre qui change de couleur, ou pour dtecter lodeur dun

composant qui brle ou qui surchauffe. Ainsi les sens les plus utiliss sont, la vue, lodorat, et le

toucher. De nos jours cette pratique laisse la place linspection thermographique infrarouge.

La thermographie infrarouge permet de localiser les points chauds partir dune photo thermique

[5]-(Figure 6). Tout objet temprature normale (suprieure au zro absolu) met un rayonnement

dans le domaine infrarouge dpendant de sa temprature. Cest cette proprit qui est utilise par

llectronique des dtecteurs infrarouges pour donner la temprature dun objet en captant lnergie

infrarouge quil met.

La premire difficult rencontre par cette technique dans le cas du tableau lectrique est laccs

certains endroits du tableau et lobligation de dmonter tous les caches et plastrons afin de viser

llment dont on veut connaitre la temprature. Aussi, certains ont recourt des hublots spciaux

qui laissent passer les rayons infrarouges. Mais cette solution demeure trs chre et nest pas

forcment efficace car les tableaux sont de plus en plus cloisonns, rduisant ainsi la porte du

hublot sur les lments internes susceptibles de surchauffer.

Par ailleurs, la mesure par camra infrarouge exige la matrise de certains fondamentaux de

phnomnes thermiques. Il est trs facile de sen servir pour faire de belles images dont les valeurs


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de tempratures sont fausses. Cest pourquoi, ces mesures doivent tre faites et interprtes par des

professionnels qualifis.

Enfin, il faut noter, le caractre ponctuel de cette inspection, c'est--dire quelle ne donne quune

photo de ltat du systme un instant donn.

Figure 6 : Exemple de mesure infrarouge sur des cbles.

2. La surveillance thermique de demain

Nous voulons avoir une surveillance continue du tableau lectrique. Elle nous permettra danalyser

plus efficacement les ventuelles drives et de planifier des actions de maintenances prdictives le

plus tt possible. Les outils daide la dtection et au diagnostic raliss devront sappuyer sur la

chane logistique dacquisition des donnes via le Web dj existante Schneider-Electric (Figure

7). Cette chane se compose dlments communicants :

Les Micrologics communicants : lments intgrs au disjoncteur pour la mesure du

courant.

Les PowerMeters pour la mesure des courants, des tensions et des taux dharmoniques.

Les capteurs de temprature sans fil.

Un serveur de stockage de donnes.

Lutilisation des capteurs de temprature sans fil a plusieurs avantages : en plus dtre une solution

moins chre, ils se posent facilement dans des endroits difficiles daccs [6]. Toutes les mesures

faites in situ devront tre rapatries sur le serveur de traitement de donnes. Dans notre tude nous

considrons donc que nous disposons de ces donnes. Nous nous attarderons donc sur leur

exploitation. Une fois les donnes exploites, les courbes et les conclusions rsultantes seraientconsultables sur les postes autoriss dans le monde entier au travers dinternet.


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Serveur de traitementdes donnes

Capteurs detemprature

Courbes

@@Serveur de traitement

des donnes

Capteurs detemprature

Courbes

@@

Figure 7 : Chane de monitoring du tableau lectrique


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CONCLUSION

Il ressort de lanalyse des entretiens avec les experts que lune des principales causes de dfaillance

des tableaux est le mauvais raccordement. Il faut noter que certaines des causes mises en vidence

ne pourront pas tre traites dans ltude que nous voulons mener. Il sagit des intrusions danimaux

et de corps trangers, qui conduisent souvent un court-circuit, un phnomne instantan

difficilement prvisible par le suivi dune grandeur physique, encore moins de la temprature.

Outre le mauvais raccordement qui conduit un chauffement local des connexions, nous

constatons que la plupart des causes de dfaillances se manifestent aussi par un chauffement local

ou global du tableau lectrique. Ainsi ce constat justifie lide de se servir de la temprature comme

paramtre principal de suivi de ltat des tableaux lectriques.

Le systme daide la maintenance prventive par la dtection prcoce et le diagnostic des dfauts

du tableau lectrique que nous voulons mettre en place, se basera sur le systme dacquisition dedonnes dj existant dans la division des Services de Schneider-Electric. Ce systme comprend les

capteurs de temprature sans fil et les lments communicants de mesure du courant. Nous

considrons dans notre tude que ces donnes sont disponibles car rapatries sur un serveur pour le

traitement. Dans la suite de ce document nous nous concentrerons plutt sur lexploitation de ces

donnes dans le but daider la maintenance prdictive.

La mise en uvre de cet outil de surveillance thermique implique :

o la comprhension des phnomnes de dgradation (Chapitre 2),o un bon positionnement des capteurs (Chapitre 3),

o lanalyse des donnes issues des capteurs pour en dgager des informations utiles la

dtection prdictive et au diagnostic (Chapitres 4 et 5).


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Chapitre2

LE CONTACT ELECTRIQUE ET LES ESSAISDE MISE EN EVIDENCE DES PHENOMENES

LIES A SA DEGRADATION


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Chapitre 2 : Le contact lectrique-Essais de mise en vidence des phnomnes de dgradation26


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Aide la maintenance prventive des tableaux lectriques 27

LE CONTACT ELECTRIQUE ET LES

ESSAIS DE MISE EN EVIDENCE DES

PHENOMENES LIES A SA

DEGRADATION

Introduction

Nous nous intressons aux contacts lectriques, compte tenu du fait quils reprsentent, selon notre

enqute, la partie du tableau la plus susceptible dtre lorigine dun dfaut. Ainsi dans cette

partie, nous prsenterons, dabord, dans un cadre thorique, ce quest un contact lectrique, avec les

principaux paramtres qui le caractrisent. Ensuite, nous nous attarderons sur une srie dessais

raliss pour comprendre les phnomnes de dgradation de ces contacts lectriques.


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I. Gnralits sur le contact lectrique

Les contacts lectriques permettent de lier lectriquement deux lments conducteurs. Ces lments

peuvent tre des jeux de barres, des cbles o des appareillages. Un contact lectrique dans sa

forme la plus simple est la mise en contact de deux surfaces mtalliques conductrices de courant

lectrique.

Lorsquon met en contact deux surfaces mtalliques, le contact entre ces deux surfaces nest jamais

parfait. C'est--dire que linterface du contact nest pas une zone lisse constitue dun nombre infini

de points, o tous les points en regard se toucheraient. En ralit la surface linterface dun contact

est constitue dun nombre fini de points de contacts appels contacts lmentaires (Figure 8).

Le nombre et la taille des contacts lmentaires sont fonction de nombreux paramtres dont les plus

significatifs sont :

la duret du matriau,

la force de pression au contact,

la planit de la surface de contact.

Des impurets comme la poussire, les copeaux de tous genres, peuvent sinsrer linterface du

contact, et sont de nature crer une discontinuit linterface du contact. Cette discontinuit estnon seulement, lorigine dune rsistance supplmentaire au passage du courant (rsistance

lectrique) [7]-[8]-[9] mais aussi dune rsistance au passage du flux thermique (rsistance

thermique) [10]-[11]. Lannexe 1 donne une explication dtaille sur ces diffrentes rsistances.

Figure 8 : Apparence relle de linterface dun contact lectrique agrandi au

microscope.

Interface du contact

Contacts lmentaires

Couche doxyde


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1. Les contacts dans le tableau lectrique

Pour rpondre aux contraintes lies larchitecture, laccessibilit ou la facilit du montage et du

dmontage, plusieurs technologies de contacts lectriques sont utilises dans les tableauxlectriques. Nous nous bornerons en citer quelques unes reprsentatives des grandes familles de

technologies.

Les plus utiliss sont les connexions de type boulonn, c'est--dire le contact boulonn plat , le

contact boulonn pinc et le contact sur chant (Figure 9).

Le contact boulonn pinc se distingue du boulonn plat par le fait quil se fait sans taraudage des

deux jeux de barres lier. Le contact sur chant, beaucoup plus complexe, sert crer une

drivation entre un jeu de barres horizontal un jeu de barres vertical.

Il existe une autre technologie de contact : Les pinces dembrochage visible sur la Figure 9.Les

pinces dembrochage sont des connexions sans boulonnage qui sont ralises partir de la force

dappui des pinces. Ce type de connexion permet aux appareillages et aux units fonctionnelles

dtre dbrochs du rseau et remplacs le plus rapidement possible pour des oprations de

maintenance par exemple.

Boulonn pinc Boulonn plat Contact Sur chant Pince dembrochage

Figure 9 : Diffrentes technologies de contacts utiliss dans les tableaux

lectriques

2. Utilisation des formules de rsistances de

contacts dans le cas rel

Les formules pour valuer les rsistances de contact (voques dans lannexe 1), relvent encore du

domaine thorique. Mme si elles ont lavantage de nous clairer sur linfluence relative desdiffrents paramtres physiques intervenant dans le calcul des rsistances de contact, elles ne sont


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que difficilement applicables dans la ralit. En effet, comme nous venons de le voir dans la section

prcdente, les formes des contacts sont souvent trs complexes (Figure 9). La difficult

dapplication de ces formules rside surtout dans lvaluation par le calcul de la surface effective de

contact [12]-[13].

Etant dans lincapacit de prdire avec prcision la valeur des diffrentes rsistances de contacts

(thermiques et lectriques) laide de formules, nous procdons dans le paragraphe II des essais

pour valuer, de manire macroscopique, linfluence des dgradations sur des contacts.

II. Les essais de mise en vidences des

phnomnes physiques lis ladgradation des contacts

Dans ce paragraphe nous prsentons des essais ayant t raliss pour mettre en vidence les effets

des dfauts des contacts lectriques.

Quatre types dessais ont t raliss, il sagit de :

Lessai de mise en vidence du phnomne de bouchon thermique sur les pinces

dembrochage.

Lessai de desserrage progressif sur les contacts boulonns plat , boulonns pincs ,

et boulonns sur chant .

Lessai de vieillissement acclr sur les contacts boulonns pincs .

Lessai de mesure de vibrations sur un contact boulonn plat .

1. Essai de mise en vidence du bouchon

thermique

1.1. Le but de lessai

Dans certaines conditions, le flux thermique vhicul travers un contact peut trouver des

difficults circuler normalement, provoquant ainsi une augmentation de la diffrence detemprature de part et dautre du contact. De mme quun rtrcissement de la section locale sur un


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tuyau dcoulement peut causer une perte de charge (diffrence de pression), la pression tant

analogue la temprature et le flux thermique analogue au dbit. Le blocage du flux thermique est

le fait de la rsistance thermique de contact qui est leve. Nous imaginons que ce phnomne peut

se produire dans le cas de contact mal dimensionn ou ayant vieilli par exemple.

Le but de cette exprience est donc de :

Mettre en vidence le phnomne de bouchon thermique sur les pinces dembrochages et le

contact boulonn plat.

Etudier la rsistance thermique de contact indpendamment de la rsistance lectrique, pour

les pinces dembrochage et les contacts boulonns plat.

1.2. Le droulement de lessai

Figure 10 : Banc dessai de mise en vidence du bouchon thermique

Lexprience consiste mettre une moiti de barre dans un four (repre 1 sur la Figure 10) et

lautre moiti lextrieur (repre 2 sur la Figure 10). Ces deux moitis de barre sont relies par un

contact qui sera soit une pince dembrochage ou un contact boulonn plat. La suite de

lexprience consiste donc imposer une temprature de lair dans le four et mesurer lcart de

temprature de part et dautre du contact. Lexprience a t ralise successivement avec

lextrieur du four une barre longue de 40 cm puis une barre courte de 11 cm. En effet la barre

longue est cense faire plus dappel de flux de chaleur (Figure 11).


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Figure 11 : Configuration barre courte et barre longue pour lessai du bouchon

thermique

Six cas de figures ont donc t tests :

o Pince dembrochage avec 1 pince & barre extrieure longue.

o Pince dembrochage avec 1 pince & barre extrieure courte.

o Pince dembrochage avec 3 pinces& barre extrieure longue.

o Pince dembrochage avec 3 pinces& barre extrieure courte.

o Contact boulonn plat & barre extrieure longue.

o Contact boulonn plat & barre extrieure courte.

1.3. Rsultat de lessai

Mise en vidence du phnomne de bouchon thermique.

Le phnomne de bouchon thermique est bien mis en vidence sur lexemple avec une pince

dembrochage compose dune seule pince. La temprature impose dans le four est de 200C.


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Figure 12 : Mise en vidence du bouchon thermique

Sur limage thermographique de la Figure 12, nous remarquons une grande diffrence de

temprature entre lamont et laval du contact. En effet, en amont du contact nous avons 101C

tandis que juste en aval nous nen avons plus que 58C, soit environ 40C dcart. Cette diffrence

serait seulement denviron 10C dans le cas dun contact boulonn plat dans les mmes conditions

dessai. Ceci nous permet de bien mettre en vidence leffet de la rsistance thermique. Avec une

pince dembrochage compose dune seule pince, le flux thermique a du mal scouler. Il en

rsulte une temprature aval du contact trs leve et une temprature amont qui est beaucoup plus

basse. Ce bouchon thermique contribue creuser lcart entre lamont et laval du contact. Dune

certaine manire ce phnomne rend le capteur de temprature qui serait plac en aval du contact

aveugle llvation de temprature anormale qui se passe en amont.

Synthse des rsultats de lessai.

Pour chaque configuration, nous imposons diffrentes tempratures dans le four et nous mesuronsles tempratures de part et dautre du contact. Deux types de comparaisons peuvent tre faites :

La comparaison de la diffrence de temprature selon la longueur de la barre extrieure

(barre longue/barre courte).

La comparaison de la diffrence de temprature selon le type de contact (boulonn, pinces

dembrochage avec 1 pince, pinces dembrochage avec 3 pinces).


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boulonn plat

3pinces

1 pince

0C

5C

10C

15C

20C

25C

30C

35C

40C

0C 50C 100C 150C 200C 250C

1 pince-ba rrelongue

1 pince-barreco urte

3 pinces-ba rrelongue

3 pinces-barreco urte

boulonn_barrelongue

boulonn_barrecourte

Figure 13 : Test de bouchon thermique sur les diffrents types de contacts et

dans diffrentes configurations.

La Figure 13 prsente plusieurs droites qui reprsentent la diffrence de temprature entre lamont

et laval du contact pour diffrentes tempratures imposes dans le four (en abscisse) et dans les

diffrents cas de figures prcits.

Ainsi ces courbes nous permettent de faire plusieurs remarques :

La diffrence de temprature de part et dautre du contact est une fonction linaire de la temprature

impose dans le four. Cette diffrence de temprature est moins importante dans le cas du contact

boulonn plat. Selon les experts, ce contact quand il est serr au couple et bien dimensionn, peut

tre considr comme la rfrence en terme de rsistance thermique de contact vers laquelle les

autres types de contacts devraient tendre.

La diffrence de temprature dans le cas dune barre longue est suprieure celle avec une barre

courte. En effet avec la barre longue il y a plus dappel de flux. La rsistance thermique a pour unit

C/W, ce qui signifie que : Plus il passe de flux thermique plus lcart de temprature sagrandit.

Ainsi une rsistance thermique de 1C/W engendrerait une diffrence de temprature de 1C sil

passe un flux thermique de 1W. Comme avec la barre longue il passe plus de flux, la diffrence de

temprature entre lamont et laval du contact est plus leve.


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Cette exprience peut servir estimer la rsistance thermique de contact de sorte avoir un ordre

de grandeur de cette rsistance. La mthode de calcul est base sur la conservation du flux

thermique de conduction. Elle nous donne une rsistance thermique du contact boulonn environ 3

fois moins importante que celle de la pince dembrochage compose de trois pinces (Cf. Annexe 2).

Conclusion de lessai

Dans la ralit, lappareil qui est prs dune connexion impose un flux de chaleur et non une

temprature comme nous lavons fait dans cet essai. Toutefois il nous permet de faire des

observations intressantes. A travers cet essai nous avons pu faire les observations suivantes :

Le bouchon thermique est bien mis en vidence avec une pince dembrochage composedune seule pince. Il se caractrise par une diffrence de temprature trs leve entre

lamont et laval de la pince (+40C).

La diffrence de temprature entre lamont et laval dun contact est une fonction linaire de

la temprature impose dans lenceinte.

Le bouchon thermique est dautant plus mis en vidence que le jeu de barre aval est long ce

qui occasionne plus dappel de flux de chaleur.

Le contact boulonn plat a une rsistance thermique faible par rapport la pincedembrochage et peut tre considr comme la rfrence en terme de rsistance thermique,

quand il est bien dimensionn et bien serr au couple.

Cet essai nous donne une mthode de mesure de la rsistance thermique condition que le

systme soit adiabatique ce qui nest rigoureusement pas le cas dans lexprience prsente

ci-dessus (Cf. Annexe3).

2. Essai de desserrage progressif

2.1. Le but

Nous savons que le desserrement dun contact entrane une lvation de sa rsistance de contact, ce

qui a pour effet un chauffement supplmentaire au passage du courant. Lessai de desserrage

permet de se rendre compte de ce phnomne. Il rpond deux objectifs qui sont :

Avoir lordre de grandeur de lchauffement rsultant du desserrage dune connexion selonle niveau de desserrage de cette connexion.


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Avoir une ide de la distance partir de laquelle lchauffement d un desserrage est

visible.

2.2. Le droulement de lessai : Exemple ducontact pinc

Cet essai consiste faire passer dans deux bouts de jeu de barre en cuivre lis par une connexion,

environ le courant nominal. Aprs la stabilisation en temprature on effectue des desserrages

progressifs. Par exemple dans le cas du contact boulonn pinc, ces desserrages ont eu lieu la

moiti, au quart, au huitime du couple nominal puis la main. Des thermocouples placs tout au

long des barres et sur le contact permettent de faire la mesure de la temprature. La temprature

ambiante de la pice est aussi mesure de faon pouvoir calculer lchauffement. La Figure 14donne la description de lessai relatif au contact boulonn pinc.

Figure 14 : Essai de desserrage progressif : exemple du contact boulonn

pinc.

Figure 15 : Rsultats de lessai de desserrage progressif relatif au contact

boulonn pinc.


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Les courbes de la Figure 15 donnent lvolution de la temprature au fil des desserrages sur les

diffrents points de mesures. Plusieurs remarques peuvent tre faites :

Nous remarquons sur la Figure 15 que lchauffement est de moins en moins visible quand on

sloigne du point chaud. Cela sexplique par les dperditions thermiques. Ainsi au fil des

desserrages, lchauffement au point 1 qui est 60 cm du point chaud nvolue presque pas.

Nous nous rendons compte quil faut desserrer beaucoup (


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Le Tableau 1 donne la synthse des rsultats de cet essai. Pour plus de dtails sur les courbes

dchauffement, voir lannexe 3. A la lumire de ce tableau, plusieurs remarques peuvent tre faites.

Pinc A plat Sur chant

Couple nom ina l (Cn) 28Nm 50Nm 28Nm

Jd b 80*10 60*10 60*10

Courant 1800A 1500A 1500A

Cons tante de tem ps 45mn 40mn 42mn

Tem ps de s tabil isat ion 2h 2h 2h

Echauffem ent 1/4 Cn 4C 3C 12C

Echauffement s ens ible part ir de 1/8 de Cn 1/8 de Cn 1/4 de Cn

Attnua tion 2 0cm 47% 53% 55%

Tableau 1 :Synthse des rsultats de lessai de desserrage sur les trois

technologies de contacts boulonns

En ce qui concerne le contact boulonn plat , nous obtenons un rsultat trs proche de celui du

boulonn pinc . Lchauffement 1/4 du couple nominal est de +4 C pour le pinc et +3C

pour le boulonn plat. Le sur chant se dmarque quelque peu de ces deux contacts par une

grande rsistance de contact donc engendre plus dchauffement. Ainsi lchauffement 1/4 du

couple nominal est de 12C pour le sur chant .

Pour les trois technologies de contacts boulonns, on calcule le pourcentage dattnuation de la

temprature stabilise. Cette attnuation est calcule par rapport la rfrence qui est le

thermocouple sur la connexion (point 5 de la Figure 14). A 20 cm du point chaud, nous avons en

moyenne 52% dattnuation. Ainsi cette distance du point chaud nous ne voyons plus que la

moiti de lchauffement gnr au point chaud. A 60 cm, loin du point chaud, lchauffement ne se

voit pratiquement plus.

Le temps de stabilisation est en moyenne de deux heures pour une consigne autour du courant

nominal. La constante de temps est en moyenne de 43 mn. Elle dpend de plusieurs paramtres dont

les paramtres physiques du matriau du jeu de barre et le courant. En effet elle est inversement

proportionnelle au carr du courant [14]. Cette exprience nous permet surtout de nous rendre


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compte que la monte de temprature aprs un desserrage est un phnomne de lordre de quelques

minutes.


Nous pouvons tirer un certain nombre de conclusions travers les observations faites durant cetessai :

Au-del de 20cm le dfaut est difficilement visible. A 20cm du point chaud nous avons en

moyenne 52% dattnuation de lchauffement supplmentaire gnr.

Dune manire gnrale, lchauffement au point de contact est significatif partir dun

couple de serrage trs faible (


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Figure 17 : Essai de vieillissement : exemple du contact boulonn pinc.

Le cycle tant dcrit comme suit : Le jeu de barre est aliment en courant pendant 2 heures, le

temps de la stabilisation. Entre deux cycles, le courant est coup pour laisser refroidir le jeu de barre

jusqu sa stabilisation la temprature ambiante. Ce refroidissement dure aussi environ deuxheures.

Le contact pinc mis lessai a t pralablement desserr 1/8ime de son couple nominal soit 3,5

Nm, dans le but dacclrer le vieillissement. Lessai a eu lieu en deux temps :

Dans un premier temps nous faisons passer un courant de 1800 A (1,2 In). Cette premire

phase dure 12 cycles.

Dans un deuxime temps, nous faisons passer un courant de 2200A (1,5In). Cette phase dure

du cycle 13 au cycle 32.

Nous surveillons la diffrence de temprature entre le point 2 et le point 5. Les rsultats sont

prsents ci-dessous.

3.3. Rsultat de lessai

La courbe de la Figure18 nous montre que le nombre de cycles affecte le contact. Celui-ci vieillit

dans le temps. Ce vieillissement se manifeste par un chauffement local qui augmente au fil des

cycles.

Evolution de l'chauffement (T5-T 2)

10C

15C

20C

25C

30C

35C

40C

cycle2

cycle4

cycle6

cycle8

cycle10

cycle12

cycle14

cycle16

cycle18

cycle20

cycle22

cycle25

cycle28

cycle30

cycle32

deltaT(C)

1800A 2200A

Figure18 : Evolution de la temprature en fonction du nombre de cycle de

vieillissement.

Nous distinguons deux parties dans cette courbe :


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La premire partie, relativement plate, du cycle 1 au cycle 12, se fait sans augmentation

notable de lchauffement. Autrement dit le contact na presque pas vieilli durant ces cycles.

En effet le courant dalimentation tait de 1800 A, soit 1,2 fois le courant nominal.

Du cycle 12 au cycle 32 nous notons une augmentation notable de lchauffement, le contacta donc vieilli. Ces cycles correspondent un courant dalimentation plus important savoir

2200A soit un peu moins de 1,5 fois le courant nominal.


Nous constatons travers cet essai que :

Le contact lectrique vieillit dans le temps.

Le vieillissement est acclr par les surcharges.

En effet plusieurs phnomnes en relation avec les surcharges peuvent expliquer ce

vieillissement acclr :

La surcharge entrane une lvation de temprature locale qui conduit, selon la loi dArrhenius [15]

une acclration des ractions chimiques de corrosion et doxydation qui rongent les contacts.

Ce vieillissement peut sexpliquer aussi par les possibles phnomnes de relaxation du jeu de barre

qui subit des variations de tempratures. La variation des dimensions qui sen suit provoque une

diminution de la force de pression au fil des cycles et donc une augmentation de la rsistance de

contact. Les vibrations dues au courant alternatif (50 Hz), dont lamplitude augmente avec le niveau

du courant, sont de nature acclrer les micros dplacements. Ces micros dplacements peuvent

entraner une diminution de la force de pression, ou bien crer une autre distribution des points de

contacts lmentaires qui irait dans le sens de la diminution de la surface effective de contact et

donc entranerait laugmentation des rsistances de contact.

4. Essai vibratoire

4.1. Le but

Le but de cet essai est danalyser dans quelle mesure le desserrage dun contact modifie son mode

vibratoire.


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4.2. Droulement de lessai

Le banc dessai est une armoire lectrique type OKKEN de Schneider-Electric. Le test consiste

mesurer le signal vibratoire (acclration) dune connexion de larmoire.

Figure 19 : Mesures vibratoires sur un contact boulonn dans un tableau

lectrique.

La connexion choisie relie un jeu de barre du tableau un cble destin alimenter une charge

externe. Ce type de connexion est appel connexion client car il relie gnralement larmoire

lapplication client. Lacclromtre est plac sur la connexion dont on mesure la vibration (Figure

19). Larmoire est alimente en courant alternatif de 1200A. Lacclromtre est fix sur un ergot

en acier comme le montre la Figure 19. Lessai consiste faire des desserrages 1/2, 1/4, 1/8 puis

1/16 du couple nominal qui est de 50 Nm. A chaque desserrage nous enregistrons une squence de

quelques minutes du signal vibratoire. La frquence dchantillonnage est de 250 Hz. Elle a t

choisie pour pouvoir suivre la raie de 100Hz. En effet les vibrations dans larmoire lectrique ont

pour origine les forces de Laplace exerces sur les conducteurs chaque alternance. Cette force fait

intervenir le produit des courants dphass et de mme frquence. Ainsi si nous prenons deux jeux

de barres parcourues respectivement par des courants )sin(Cte1i1 wt= et )sin(Cte2i2 += wt ,

alors la force F de Laplace rsultant de linteraction entre ces deux courants sera de la

forme : )2sin( += wtCteF . Par consquent, sachant que le courant pulse 50Hz, les vibrations

rsultantes ont une frquence double, cest--dire 100Hz.


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4.3. Rsultats de lessai

Analyse temporelle

A la lecture du signal temporel, nous pouvons conclure que lamplitude du signal vibratoire est

dautant plus leve que le couple de serrage est bas. Toutefois, si la diffrence damplitude est trs

nette entre le signal associ au serrage au couple nominal (Cn) et celui associ au serrage

1/8 imedu couple nominal , elle ne lest pas toujours pour les autres couples de serrages. Ainsi le

passage de Cn/8 Cn/16 ne se voit pratiquement pas sur lamplitude des vibrations associes ces

cas.

Analyse frquentielle

99 99.5 100 100.5 101

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

Frequences(Hz)

Puissan

ce

du

signal

1/8 ime du couple nominal

Serrage 1/16 du couple nominal



Serrage au couple nominal

Figure 20 : Amplitude de la raie 100hz selon le niveau de desserrage.

En rgle gnrale, lamplitude de la raie 100Hz crot avec la dgradation du contact (desserrage), la

diffrence est nette entre un contact serr au couple et un contact totalement dgrad (serr Cn/8)

mais on peut arriver des contradictions car lamplitude du Cn/8 est plus leve que celle du Cn/16

(Figure 20).

Une comparaison en valeur relative (par rapport leur valeur au couple nominal) de la vibration et

de lchauffement est donne la Figure 21 pour diffrents couples de serrage. Nous pouvons

constater que pour les petits desserrages jusqu 1/8imedu couple de serrage la variation relative de


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lamplitude des vibrations est plus importante que celle des chauffements mais la tendance

sinverse partir de 1/8imedu couple nominal.

Figure 21 : Comparaison de la variation relative damplitude de la temprature

et celle de la vibration.


Lessai de mesure de la vibration nous montre que :

Quel que soit le type danalyse qui est faite (temporelle ou frquentielle), un contact trs dgrad se

distingue nettement dun contact serr au couple par une amplitude des vibrations (pour lanalyse

temporelle) ou une amplitude de la raie de 100Hz (pour lanalyse frquentielle) plus leve.

Cependant nous remarquons que cette diffrence nest pas trs marque pour des desserrages

intermdiaires. Nous arrivons mme avoir une amplitude de la raie de 100Hz correspondante au

desserrage au 1/16ime du couple nominal qui est infrieure celle correspondante au 1/8ime du

couple nominal. Ceci rend difficile linterprtation du signal vibratoire en tant que moyen de

dtecter et surtout dvaluer le desserrage dun contact lectrique.

Dans ce travail de thse nous avons travaill, surtout la dtection du desserrage par la mesure de la

temprature. Cependant, les rsultats de cet essai ouvrent la voie une possible complmentarit

entre la vibration et lchauffement, pour la dtection et lvaluation du desserrage. La premire

pouvant permettre de dtecter les petits desserrages et la seconde les desserrages plus importants.

Cest le mme principe que dans la coupure lectrique, le courant est utilis pour la coupure rapide

et la temprature pour la coupure lente.


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CONCLUSION

Une vision thorique du contact lectrique a t prsente dans cette partie. Cette vision met

laccent sur deux paramtres influents dans lchauffement du contact et permettant dexpliquer sa

dgradation. Ce sont : la rsistance lectrique de contact et la rsistance thermique de contact.

Les observations faites au cours des expriences montrent bien que le desserrage du contact

lectrique conduit une augmentation de la rsistance de contact qui schauffe par effet Joule au

passage du courant. Cependant, en gnral, il faut desserrer le contact un couple infrieur auhuitime de son couple nominal pour voir un chauffement significatif. Par ailleurs, lchauffement

rsultant reste un phnomne local.

Lessai de vieillissement du contact boulonn pinc prouve que le contact vieillit dans le temps.

Il vieillit dautant plus quil subit des surcharges, qui sont lorigine de fortes vibrations et de

phnomnes de relaxations qui diminuent la force de pression et augmentent ainsi la rsistance de

contact [16]. Par ailleurs, la mesure de la vibration comme moyen de dtecter un desserrage se

heurte des difficults dinterprtations.Une forte rsistance thermique empche le flux de chaleur de circuler travers le contact. Ce

phnomne mis en vidence dans lessai de bouchon thermique entrane une lvation anormale de

la temprature en amont du contact.

Il est important de souligner que toutes ces expriences permettent de se rendre compte quun

contact lectrique dfaillant qui est laiss sans intervention ne retrouve pas son tat normal. Au

contraire il peut se dgrader encore plus sous certaines conditions de vieillissement acclr

(surcharges par exemples).Ainsi, les essais raliss pour comprendre les phnomnes physiques lis aux dgradations des

contacts lectriques nous ont donn un certain nombre de rsultats nous permettant daborder la

phase de pose des capteurs.


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Chapitre3

LA THERMIQUE DANS LE TABLEAUELECTRIQUE ET LE POSITIONNEMENT

DES CAPTEURS DE TEMPERATURE________________________________________________________________________________


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Chapitre 3 : Thermique du tableau lectrique et positionnement des capteurs de temprature48

LA THERMIQUE DANS LE TABLEAU

ELECTRIQUE ET LE POSITIONNEMENT

DES CAPTEURS DE TEMPERATURE

Introduction

Un bon emplacement des capteurs est une condition ncessaire pour esprer une dtection prcoce

des dfaillances du tableau lectrique. Avant daborder la pose de capteur proprement dite, il nous

semble important de rappeler les conditions dchanges thermiques dans le tableau lectrique.


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I. La thermique dans larmoire lectrique

Du point de vue de la thermique, larmoire lectrique est un systme constitu dun fluide, lair, et

de plusieurs lments solides actifs ou inactifs. Les lments inactifs sont les cloisons, lenveloppe

et toutes les parties dans lesquelles, normalement il ne circule pas de courant lectrique. Les

lments actifs sont les jeux de barres, les cbles, les disjoncteurs et autres appareils dans lesquels

circule le courant lectrique. Ces lments actifs sont relis par des connexions qui tout comme ces

derniers sont de vritables sources de chaleur (surtout quand elles se desserrent).

Au passage du courant lectrique, la temprature des lments actifs slve par effet Joule

entranant ainsi un dsquilibre de ltat thermique. Pour atteindre lquilibre thermique, toutes les

parties y compris lair, changent thermiquement selon les trois phnomnes classiques

dchanges thermiques que sont : la conduction, la convection, le rayonnement, dont la thorie est

rappele en annexe (Cf. annexe 4). Tous ces phnomnes dchanges thermiques se retrouvent au

sein de larmoire lectrique. La Figure 22 nous donne une vision synthtique des constituants du

tableau lectrique et des diffrents changes thermiques qui se passent entre ces lments.

Figure 22 : Echanges thermiques au niveau dune armoire lectrique.

1. La conduction dans larmoire lectrique

La conduction dans le tableau lectrique est ralise au sein des conducteurs, des cbles et des jeux

de barres qui sont aussi des sources dnergie. Il sagit donc dune conduction vive. Au niveau des

appareils, la chaleur cre par effet joule est vacue par conduction vers les jeux de barres et les

cbles travers les contacts lectriques. Selon les experts, la conduction est le phnomne

dchange thermique prpondrant au sein de larmoire lectrique. Elle reprsente 60 70% deschanges thermiques dans le tableau.

RayonnementConvectionConduction

cbles,

Jeu de barresAppareils

Air interne

Air Ambiant


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2. La convection dans larmoire lectrique

Lair interne de larmoire lectrique change par convection avec les surfaces des constituants

solides de larmoire lectrique que sont les appareils, les conducteurs et les diffrentes parois(enveloppes et cloisons). Il faut aussi noter quun transport de la chaleur est fait du bas du tableau

vers le haut par les mouvements convectifs de lair interne. Ainsi il peut arriver que lair du haut de

larmoire lectrique soit plus chaud de plus de 20C par rapport lair du bas de larmoire

lectrique.

3. Le rayonnement dans larmoire lectrique

Dans larmoire lectrique, la chaleur est change par rayonnement, entre les jeux de barres des

diffrentes phases, entre les jeux de barres et les diffrentes parois des cloisons ou de lenveloppe.

La chaleur apparaissant par effet joule au niveau des appareils est aussi change par rayonnement

avec les parois de lenveloppe et les surfaces des autres appareils les plus proches.

Toutefois au niveau du tableau lectrique ce mode dchange thermique reste moins important que

la conduction et la convection.

II. Le positionnement des capteurs de

tempratures dans larmoire lectrique

Compte tenu des essais et tudes qui ont fait lobjet des paragraphes prcdents, un certain nombre

de rsultats et remarques peuvent nous guider dans lemplacement des capteurs. Ce sontprincipalement les suivants :

La premire cause de dfaut des tableaux lectriques est la dgradation des contacts

lectriques, qui se manifeste par un chauffement. Cet chauffement est localis.

Dans certaines conditions, le phnomne de bouchon thermique peut empcher la circulation

du flux thermique gnr par un appareil, contribuant ainsi chauffer encore plus lappareil.

La conduction est le phnomne dchange prpondrant dans larmoire lectrique

reprsentant 60 70% des changes thermiques.


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Le mouvement convectif de lair entrane des tempratures dans la partie suprieure du

tableau plus leve que celles de la partie infrieure.

Le caractre local de lchauffement rsultant dun dfaut de contact lectrique nous emmne

instrumenter au plus prs du contact pour esprer voir le dfaut le plus tt. Linstrumentation detous les contacts rsoudrait videmment le problme. Cependant, ceci nest pas une solution viable

dans le tableau lectrique, compte tenu du nombre trs important de contacts lectriques.

Ainsi, nous prsentons dans ce chapitre une matrice de priorit des points de larmoire

instrumenter pour aider placer les capteurs prioritairement dans les zones critiques.

Les critres de priorit sont dans lordre dimportance, le contexte de raccordement , la

technologie de contact , et la hauteur laquelle se situe le contact . Dans le paragraphe suivant,

pour chacun de ces critres, nous donnons ses sous-lments par ordre de criticit.

1. Les critres de priorit

1.1. Critre 1 : Le contexte

Le principal danger pour les connexions, nest pas la temprature intrinsque du point chaud, mais

le fait que les isolants atteigne leur temprature limite (


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Figure 23 : Illustration du phnomne de bouchon thermique lors dun essai.

Figure 24 : Exemple de positionnement de capteur autour dun appareillage

dbrochable.

Contexte 2 : Les connexions des raccordements clients

Les expertises attestent que cest dans la zone installateur et plus particulirement celle des

raccordements clients quil y a le plus de problmes.

En effet les connexions clients sont susceptibles dtre manipules par linstallateur en cas

dextension par exemple. Cest la partie la plus susceptible dtre soumise des modifications, donc

la plus susceptible de voir des dfaillances dues aux fautes dattention ou la non-expertise de

linstallateur (non respect du couple de serrage par exemple).

Contexte 3 : Les connexions des jeux de barres isoles ou

prs des parties isoles

En cas de surchauffe de la barre, les isolants risquent de perdre leurs proprits disolation,

entranant ainsi des dfauts sur la tenue des distances disolement. En effet si par conception on

isole les jeux de barres, on rduit par la mme occasion les distances disolement. Ainsi un jeu de

101C 58C


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barre isole qui perd son isolant la suite dun dfaut ne tiendrait certainement plus les distances

disolement. Lexemple le plus frappant est celui des canalisations (Figure 25) o les barres sont

presque accoles parce quelles sont isoles.

Il peut arriver quune limaille de mtal vienne gratter lisolant. La tenue dilectrique est rompue : ilsensuit un court-circuit.

Figure 25 : Illustration de la diminution de la distance entre jeux de barres

isoles.

Contexte 4 : Les connexions des jeux de barres nues loin

disolants et loin des appareillages

Les connexions des jeux de barres nues loin disolants et loin des appareillages contribuent

seulement lchauffement global de lair autour du jeu de barre sans forcement tre dangereux de

prime abord. Car, comme nous le disions plus haut, le danger nest pas tant la temprature absolue

du jeu de barre mais latteinte des tempratures limites des isolants autour du jeu de barre.

Cependant une lvation globale de la temprature du tableau peut tre source de dclenchements

intempestifs de lappareillage. Le tableau de dcroissance de lchauffement du point chaud issu de

lexprience de desserrage progressif sur plusieurs technologies de contacts (chapitre 2) montre que

le point chaud na pratiquement plus deffet 60 cm plus loin. Les jeux de barres nues peuvent tre

considres comme tant loin de toute partie isolante si les barres ne rencontrent pas disolant dans

leur voisinage jusqu 60 cm de distance.

Distance au point chaud (cm) 0 20 60Dcroissance de lchauffement (%) 0 50 80

Tableau 2 : Tableau de dcroissance de lchauffement du point chaud issu de

lexprience sur plusieurs technologies de contacts.

Lisolant permet de diminuerla distance entre barres de lacanalisation.


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1.2. Critre 2 : Technologie de

raccordements

Le bouchon thermique est plus susceptible de se produire avec la pince dembrochage car nos

expriences montrent que la rsistance thermique des pinces est globalement plus leve que celle

des contacts boulonns. Dautre part, les pinces servent raccorder les units fonctionnelles

dbrochables, do leur possible manipulation au cours de la dure de vie du produit, ce qui pourrait

tre une source potentielle de dfaut.

Il est important de souligner quil ny a pas de risque lorsque les raccordements se font dans les

rgles de lart selon les guides Schneider-Electric. La pince a t dimensionne en fonction de

lutilisation qui devrait en tre faite. Les risques apparaissent seulement en cas de mauvaise

utilisation entranant la dfaillance ou le vieillissement acclr du contact (par exemple

l'installateur met une pince au lieu de deux ou la pince est mise de travers).

Dans le critre technologie de raccordement nous distinguons donc deux catgories :

Technologie 1 : Les Pinces dembrochage

Utilises de plus en plus pour assurer la fonction de dbrochabilit des units fonctionnelles,

elles sont susceptibles de se dgrader plus rapidement entrainant ainsi des risques de bouchon

thermique.

Technologie 2 : Les Contacts de type Boulonn

Les contacts de type boulonn sont moins sujets au phnomne de bouchon thermique.

1.3. Critre 3 : La Hauteur

Nous pouvons observer dans un tableau faiblement cloisonn (cest dire qui facilite la convection

naturelle), que le haut du tableau est en gnral plus chaud que le bas du tableau. La diffrence de

temprature ambiante entre le haut du tableau et le bas peut alors atteindre 20C. Ainsi un contact

plac dans la zone haute du tableau subit un stress supplmentaire d sa position.

La hauteur nous semble donc tre un critre pertinent prendre en compte dans linstallation des

capteurs. Nous pouvons subdiviser ce critre en 3 catgories (ranges de la plus contraignante la

moins contraignante) : Emplacement Haut , Emplacement Bas , Emplacement Milieu

rang .


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2. Tableau des priorits dans la pose des

capteurs

Les diffrents critres cits plus haut nous permettent de crer une matrice de priorits des zones

instrumenter, en rangeant les diffrents sous-critres par ordre de criticit. Ainsi chaque point de

contacts lectriques instrumenter pourra tre situ dans la matrice en fonction des trois critres

que sont le contexte dans lequel le contact est install, la technologie du contact, et son

emplacement dans larmoire lectrique.

3-Connexions prs de gros

appareillages

2-Connexions clients 2-Haut

1-Connexions de barres isoles ouprs de parties isoles.

1-Pince dembrochage 1-Milieu

0-Connexions barres non isoles etloin des parties isoles

0-Contact boulonn 0-Bas

Critre 1: Contexte Critre 2:Technologie de

contact

Cri

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