Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
1
ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE
(Les installations électriques)
1 REALISATION DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES .......................................................... 2
2 LE SECTIONNEMENT .................................................................................................................. 3
2.1 Le sectionnement à coupure visible : ...................................................................................... 3
2.2 Le sectionnement à coupure pleinement apparente : ............................................................... 3
3 LA PROTECTION ELECTRIQUE DES MATERIELS ................................................................ 4
3.1 Les surintensités passagères : .................................................................................................. 4
3.2 Les surintensités anormales : ................................................................................................... 4
3.2.1 Les surcharges : ............................................................................................................... 4
3.2.2 Les courts-circuits : ......................................................................................................... 4
3.3 Protections des conducteurs .................................................................................................... 4
3.3.1 Dimensionnement des câbles électriques ........................................................................ 5
3.3.2 Protection des câbles électriques : le disjoncteur ............................................................ 7
4 LA PROTECTION DES PERSONNES ....................................................................................... 12
4.1 Effets physiologiques du courant électriques (CEI 479-1) .................................................... 12
4.2 Schéma de liaison à la Terre .................................................................................................. 14
4.2.1 Distribution de l’énergie électrique ............................................................................... 14
4.2.2 Identification des régimes de neutre .............................................................................. 15
4.2.3 Le régime TT ................................................................................................................. 15
4.2.4 Le régime TN ................................................................................................................ 17
4.2.5 Le régime IT .................................................................................................................. 20
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
2
1 REALISATION DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES
L'électricité pouvant être dangereuse, la réalisation des installations électriques, en basse tension, est régie par la norme NF C 15-100 établie par l'Union Technique de l'Electricité (U.T.E.).
Au plan général, elle assure :
• Que toutes les réalisations permettent la sécurité des personnes, des animaux et des biens. • Que toutes nouvelles réalisations ne perturbent pas les installations déjà existantes.
• Que chaque environnement spécifique soit pris en compte et pour cela édicte des règles spécifiques en fonction des locaux recevant les installations électriques.
Pour les locaux domestiques, par exemple, elle a permis la réalisation d'un document, bien connu de tous les électriciens, définissant les sections de conducteurs et les calibres des protections à utiliser dans chaque pièce.
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
3
2 LE SECTIONNEMENT
Son but est de séparer et d’isoler un circuit de toute source de courant. La NF C15-100 impose la présence d’un tel dispositif à l’origine de toute installation.
Cette fonction de sectionnement est nécessaire à la sécurité du personnel devant intervenir sur l’installation électrique.
Les appareils de sectionnement doivent être à coupure omnipolaire et simultanée.
2.1 Le sectionnement à coupure visible :
La séparation des contacts doit être visible de l’opérateur.
Sectionneurs sans dispositif contre la marche en monophasé
Sectionneurs avec dispositif contre la marche en monophasé
Le DPMM pour Dispositif de Protection contre la Marche en Monophasé est utilisé dans les sectionneurs porte-fusibles pour empêcher le moteur asynchrone triphasé de fonctionner sur 2 phases. Cette configuration peut se présenter si un fusible fond indépendamment des 2 autres.
2.2 Le sectionnement à coupure pleinement apparente : L’appareil comporte un indicateur de position qui ne peut indiquer la position « hors tension » que lorsque tous les contacts sont effectivement ouverts et séparés d’une distance minimale (2,5 mm en 230 V et 3,5 mm en 400V.).
C'est le cas du disjoncteur-sectionneur ci-contre.
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
4
3 LA PROTECTION ELECTRIQUE DES MATERIELS
Le but est d’éviter ou de limiter les conséquences destructrices des surintensités et de séparer la partie défectueuse du reste de l’installation sans perturber cette dernière.
Toute protection comporte deux aspects liés ou séparés :
• la détection des surintensités ;
• la coupure du circuit.
La détection de la surintensité est généralement installée sur tous les conducteurs de phase. Elle ne provoque pas nécessairement la coupure omnipolaire à l'exception d'une installation électrique régit par un schéma de liaison à la terre de type TI.
3.1 Les surintensités passagères : Elles surviennent lors du démarrage :
• des moteurs ;
• de la mise sous tension des transformateurs ;
• de l’allumage des tubes fluorescents ;
• etc. …
Ces surintensités inévitables et liées au comportement du récepteur ne doivent pas provoquer le déclenchement des dispositifs de protection.
3.2 Les surintensités anormales :
3.2.1 Les surcharges : Ces courants de surcharge sont dus généralement à une anomalie de fonctionnement momentanée ou persistante de récepteurs en service (ex : appel anormale de puissance mécanique d'un moteur électrique). Dans ce cas, les circuits électriques sont sains mais les valeurs des courants appelés sont dangereuses, à long terme, pour la préservation des isolants des conducteurs électriques. On désigne par surcharge, des courants électriques de l’ordre de 1,5 à 3 In sans jamais dépasser 10 In.
3.2.2 Les courts-circuits : Ces courants sont consécutifs à un défaut dans un circuit (erreur de connexion, détérioration de l’isolement … ). La destruction de l'isolant peut intervenir dans un temps très bref et être la source d'un début d'incendie.
On désigne par court-circuit, des courants électriques supérieurs à 10 In et qui peuvent atteindre 100 In ou plus.
3.3 Protections des conducteurs Le passage du courant électrique dans un conducteur provoque inévitablement un échauffement de celui-ci. Toutes les méthodes de dimensionnement et de protection des installations électriques cherchent à maîtriser la température de fonctionnement des composants de l'installation et à isoler toutes ou partie de l'installation si cette maîtrise n'est plus assurée.
L’expression classique attribuée à l’élévation de température d’un corps peut s’écrire :
dtSKdCMtw ).(...)( 0θθθ −+=
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
5
Dans le cas d'un conducteur parcouru par un courant l'apport d'énergie est lié à l'effet Joule que l'on
peut exprimer sous la forme simple : dttiRtwdW j ).(.)( 2==
avec R : résistance du conducteur dont l'expression est S
lR
.ρ= en Ω
ρ: résistivité du matériau conducteur en Ω.m2/m
S : section du conducteur en m2
L : longueur du conducteur en m
i(t) : expression du courant traversant le conducteur
Si l'on pose δ : densité de courant en A/mm2 dont l'expression est S
I=δ
L'apport d'énergie calorifique s'exprime SlWc ...2 ρδ= ou par unité de volume ρδ .2/ =volcW
3.3.1 Dimensionnement des câbles électriques Un câble électrique est composé d'une âme conductrice généralement enrobée d'une matière isolante comme l'indique la représentation ci-dessous.
Ame conductrice en cuivre ou aluminium
Enveloppe isolante en PVC (polychlorure de vinyle), PR (polyéthylène réticulé), PRC (caoutchouc butyle vulcanisé)
Gaine de bourrage : les matériaux de gainage sont:
• soit des matériaux isolants (PRC, PVC, Caoutchouc synthétique)
• soit des matériaux métalliques (plomb, aluminium, feuillard d’acier)
La chaleur dégagée par l'âme conductrice est transmise à l'enveloppe isolante, par contact avec la
surface latérale du conducteur lrSlat ...2 π= , qui elle-même la transmet à l'air ambiant par la surface
exprimée lerSext )..(.2 += π .
L'épaisseur ne dépend que de la tension d'isolement du câble. Pour de forte section de câble, la surface latérale de l'isolant a une valeur proche de la surface latérale de l'âme du conducteur.
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
6
Il est facile de constater que si l'on conserve une même densité de courant dans l'âme conductrice, l'isolant aura plus de difficulté à évacuer les calories au fur et à mesure que l'on choisit des sections de câbles de plus en plus importantes.
Le tableau suivant permet de constater que la densité de courant maximale admissible dans un câble décroît avec l'accroissement de section.
Sections normalisées :
0.5; 0.75; 1; 1.5; 2.5; 4; 6; 10; 25; 35; 50; 70
Densité
A/mm2
Câble enterré
Section
nominale
(2)
Intensité
Câble enterré
admissible
Câble posé
sur tablettes
Chute
de tension
par ampère
et par km
(cos ϕ = 0,8)
Cu Al mm2 Cu
A
Alu
A
Cu
A
Alu
A
Cu
V
Alu
V
TENSION ASSIGNEE 12/20 (24) kV
7,81
6,6
5,57
4,6
4
3,53
3,21
2,87
2,65
2,33
2,13
1,80
1,62
5
4,29
3,6
3,14
2,74
2,5
2,23
2,05
1,83
1,67
1,42
1,28
16
25
35
50
70
95
120
150
185
240
300
400
500
125
165
195
230
280
335
385
430
490
560
640
720
810
125
150
180
220
260
300
335
380
440
500
570
640
130
170
200
245
305
375
425
485
560
660
750
870
1 000
130
160
190
235
290
330
375
430
510
590
680
790
2,2
1,4
1,1
0,82
0,60
0,46
0,39
0,33
0,29
0,24
0,22
0,19
0,17
2,3
1,7
1,3
0,92
0,69
0,57
0,48
0,40
0,35
0,28
0,24
0,21
Une autre constatation met en évidence l'importance de l'environnement du câble sur la densité de courant admissible. En effet, si celui-ci est confiné dans une goulotte ou est accolé à d'autres câbles sa dissipation thermique s'en trouve perturbée et l'équilibre de température de l'âme conductrice n'est plus
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
7
respectée (ici 90°C). Dans ce cas, il convient d'appliquer des coefficients qui viendront minorer la densité maximale de courant admissible.
Dans un câble électrique, c'est l'isolant qui est le plus fragile. Ses performances se dégradent après une surcharge thermique.
Les câbles sont le siège de chutes de tension qui peuvent amener les récepteurs à ne pas travailler dans les conditions optimales et voir leur rendement se dégrader. La norme NF C 15-100 impose des limites qui obligent, dans le cas de dépassements, à augmenter la section des câbles d'alimentation.
3.3.2 Protection des câbles électriques : le disjoncteur Lors de court-circuit aux extrémités des câbles, la densité de courant croît brutalement et la température s'élève très vite. Il est donc impératif qu'un dispositif de protection interrompe rapidement la circulation du courant dans ce câble. C'est le rôle du dispositif de détection magnétique des surintensités des disjoncteurs.
Celui-ci doit avoir interrompu le courant avant que la charge thermique de l'isolant ne soit suffisante pour commencer à le dégrader. Le terme le plus représentatif de cette charge est la contrainte
thermique notée ∫= dttiCth ).(2
La règle pratique de temps de coupure donnée par la norme NF C 15-100 s'exprime : I
Skt .= avec
• S section des conducteurs à protéger en mm2
• I valeur efficace de l'intensité de court-circuit présumée en A
• k constante définie par le tableau ci-dessous
Nature de l'isolant Nature du métal conducteur Cuivre Aluminium PVC Caoutchouc, PR, EPR, Silicone
115 135
74 87
3.3.2.1 Fonctions et constitution d’un disjoncteur
Un disjoncteur est un appareil mécanique de connexion capable d’établir, de supporter et d’interrompre un courant dans un circuit électrique
Constitution générale (cas d’un disjoncteur bipolaire : 2 pôles protégés) :
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
8
Un disjoncteur protège l’installation :
• Contre les surcharges (action du déclencheur thermique)
• Contre les courts-circuits (action du déclencheur magnétique)
Les déclencheurs sont de deux sortes :
• Les déclencheurs « magnéto-thermiques » : En condition de surcharge, l’échauffement significatif fonction de l’intensité provoque le déclenchement grâce à un élément « thermomécanique » : le bilame. En condition de court-circuit, à partir d’une certaine intensité (supérieure au courant de surcharge), le déclenchement est assuré quasi instantanément par un circuit magnétique qui actionne un noyau.
• Les déclencheurs « électroniques » dont l’intérêt est d’obtenir : - Une plus grande précision des seuils de déclenchement (courbes de déclenchement
réglables selon l’utilisation). - Des possibilités d’information locale ou à distance.
3.3.2.2 Caractéristiques d’un disjoncteur :
Un disjoncteur est caractérisé essentiellement par son intensité nominale, sa tension nominale, son nombre de pôles, son pouvoir de coupure, le type de déclencheur utilisé et sa courbe de déclenchement.
Exemple de schéma unifilaire d’une installation protégée par disjoncteurs
Généralement, on ne représente pas les déclencheurs.
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
9
Disj A :Disjoncteur tétrapolaire (3 phases +neutre) ; calibre fonction de l’intensité nominale du réseau amont.
Disj. B : Disjoncteur bipolaire (phase + neutre) ; calibre fonction de l’intensité nominale du récepteur 1.
Disj. C : Disjoncteur tripolaire (3 phases) ; calibre fonction de l’intensité nominale du récepteur 2.
* La tension nominale de chaque disjoncteur correspond à la tension entre 2 phases du réseau amont.
* La courbe de déclenchement d’un disjoncteur est fonction de la nature de la charge vue en aval de celui-ci.
* Le pouvoir de coupure d’un disjoncteur doit être supérieur à l’intensité le traversant lors d’un court-circuit apparaissant à ses bornes.
3.3.2.3 Courbes de déclenchement
Rappel : la principale fonction d’un disjoncteur est d’assurer la protection des circuits qu’il alimente. La protection des circuits doit être assurée contre :
• Les surcharges (déclencheur thermique à bilame)
• Les courts-circuits (déclencheur magnétique instantané ou à retard).
Courbe typique de déclenchement : elle représente la variation du temps de déclenchement du disjoncteur en fonction du rapport I/In
• I= intensité réelle traversant le disjoncteur
• In = calibre du disjoncteur
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
10
Un courant supérieur à In (I/In > 1) entraine le déclenchement du disjoncteur.
Exemples : • I/In = 3 : la protection est assurée par le déclencheur thermique (temps de déclenchement = t1)
• I/In = 15 : la protection est assurée par le déclencheur magnétique (temps de déclenchement = t2)
3.3.2.4 Réglage des disjoncteurs
Il existe au moins deux valeurs de courant à régler :
• Ir (réglage du seuil de déclenchement du thermique) réglable de 0,4 à 1 fois I nominale du disjoncteur.
• Im (réglage du seuil de déclenchement du magnétique) réglable de 2,5 à 15 fois In selon le type de déclencheur.
1 Courbe de déclenchement thermique
2 Courbe de déclenchement magnétique
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
11
Voici la caractéristique d'un disjoncteur d'usage général (Courbe C protection des câbles alimentant des récepteurs classiques)
La protection des câbles est efficace pour un courant de court-circuit dans le rapport 10≥n
cc
I
I
Pour des valeurs inférieures du rapport de surintensité, on considère que l'on a affaire à une surcharge du récepteur et dans ce cas c'est le dispositif "image thermique" du récepteur qui prend le relais.
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
12
4 LA PROTECTION DES PERSONNES
Il faut assurer la protection des personnes et des animaux contre tout risque de contact, même accidentel, avec le courant électrique.
On distingue deux types de choc électrique (électrisation) :
CHOC PAR CONTACT DIRECT CHOC PAR CONTACT INDIRECT
C'est le contact direct avec un ou plusieurs conducteurs nus sous tension.
C'est la mise accidentelle sous potentiel d'une masse métallique
4.1 Effets physiologiques du courant électriques (CEI 479-1) La caractéristiques Ih=f(t) qui concourt à déterminer les moyens de protection de la personne est la suivante :
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
13
C'est la courbe S qui détermine le seuil de dangerosité du courant électrique traversant le corps humain.
La résistance du corps humain varie en fonction de la tension appliquée à ses bornes mais aussi en fonction de l'état de la peau. Les caractéristiques retenues sont souvent celles représentées ci-dessous :
L'effet varie aussi en fonction de la fréquence du courant :
La résistance du corps humain
Elle varie avec: la surface de contact la pression de contact l’épaisseur de la peau la présence d’humidité le poids, la taille, la fatigue...
25 50 250 400 (V)
Peau sèche
Peau humide
Peau mouillée
Peau immergée
5000
2000
1000
3000
4000
Rh Ω
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
14
Pour des fréquences supérieures à 50 Hz, les courants deviennent moins dangereux. Ceci ne veut pas dire que le danger disparait mais qu’il y a moins de risque de fibrillation avec plus de brulures profondes
Toutes ces constatations ont amenées à définir un seuil de tension de contact à partir duquel il faut interrompre la source d'énergie très rapidement sous peine de choc électrique grave.
La tension de seuil retenue pour des locaux secs est de 50 V avec un temps de coupure < 150 ms (courant industriel).
Trois schémas de liaison de Terre existent pour assurer la protection des personnes contre les risques liés à une mise accidentelle sous tension des masses métalliques.
4.2 Schéma de liaison à la Terre
4.2.1 Distribution de l’énergie électrique La distribution de l’énergie électrique est souvent assurée en triphasé à partir de transformateurs :
Terre
Ligne haute tension
Centrale :
Production de l’énergie électrique
Transformateur
élévateur
Installation
Triphasé
3ph+N
Transformateur abaisseur
Exemple 20kV/400V
Charges
(Moteurs, chauffage,
éclairage,…)
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
15
4.2.2 Identification des régimes de neutre Il existe 3 régimes de neutres caractérisés par 2 lettres
1ère lettre : représentation de la position du neutre de l’alimentation par rapport à la terre.
2ème lettre : représentation de la position des masses de l’installation par rapport à la terre.
4.2.3 Le régime TT Dans ce SLT, le neutre de la source de l’alimentation est mis à la terre, les masses sont reliées entre elles et mises à la terre.
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
16
Le neutre de l’alimentation est relié à la terre. Les masses de l’installation sont aussi reliées à la terre. Cette solution simple à l’étude et à l’installation est celle qui est employée par E.D.F. pour les réseaux de distribution basse tension. Aussitôt qu’un défaut d’isolement survient, il doit y avoir coupure: c’est la coupure au premier défaut.
Lors d’un défaut (par exemple une phase de l’appareil touche la masse), il s’établit un courant de défaut Id (en rouge)
RT : résistance de la prise des masses= 20Ω
RN : résistance de la prise terre neutre = 10Ω
Rd : résistance du défaut (court circuit) =0Ω
Ud : tension de défaut
Id : courant de défaut
Id = VnRn + Rt + Rd =
23020 + 10 + 0 = 7,67A
Tension de défaut :
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
17
Ud=RT.Id= 20X7,67=153V
Cette tension pouvant être dangereuse pour les personnes, il faut prévoir un appareillage de déclenchement différentiel au premier défaut, on utilise généralement le DDR (Dispositif à courant différentiel résiduel ou les disjoncteurs différentiels)
Règles de protection:
• Coupure automatique de l’alimentation par DDR au premier défaut. • Masses interconnectées entre elles et reliées à une même prise de terre.
• Satisfaire cette relation : Rt x Id ≤ UL ( UL = 50 V en milieu sec )
La sensibilité d’un disjoncteur différentiel est indiquée par le symbole I∆n, qui indique le système de protection qui peut être un interrupteur ou un disjoncteur. Le temps de déclenchement doit être inférieur à celui donné par les courbes de sécurité.
Lorsque In ≠ Iph un champ magnétique est créé dans le Torre ce qui provoque l’ouverture de l’interrupteur
4.2.4 Le régime TN Dans ce régime le neutre est mis à la terre et les masses sont reliées au neutre par un conducteur de protection. Deux cas qui se présentent :
4.2.4.1 Le régime TNC
Le conducteur de protection de PE et le conducteur N de l’alimentation peuvent être confondus en un seul conducteur PEN. Le régime TNC (Conducteur Terre et Neutre Confondus) est choisi lorsque les conducteurs sont supérieurs à 10 mm2 en cuivre et 16 mm2 en aluminium.
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
18
4.2.4.2 Le régime TNS
Le conducteur de protection PE et le conducteur N du côté de l’alimentation peuvent être séparés. Le régime TNS est choisi lorsque les conducteurs sont inférieurs à 10mm2.
4.2.4.3 Défaut d’isolement
Lors d’un défaut (par exemple une phase de l’appareil touche la masse), il s’établit un courant de défaut Id (en rouge) :
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
19
Si l'on ne tient compte que des résistances des conducteurs mises en jeu dans le circuit de circulation du courant de défaut, on peut modéliser le circuit de la façon suivante :
La tension d’alimentation est estimée à 0,8 fois la tension simple (chute de tension dans les enroulements du transformateur)
Rd et RB sont faibles devant les autres résistances.
Le courant de défaut s'exprime :
= , . + =
, . +
La tension de contact s'exprime :
=, . . + "
Conditions de déclenchement :
En cas de défaut franc (phase masse) dans le régime de neutre TN, il faut couper immédiatement le circuit en défaut. Le disjoncteur doit être calibré tel que Im <Id
Soit
Im < 0,8. Vρ LS)* + ρ
LS)+
On peut donc donner la longueur maximale des câbles :
Lmax = 0,8. V. ρS)* +
ρS)+/ . Im
Exemple:
N PE
Rd
Ud
Id
Id
0.8 V
RphRPE
RB
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
20
Transformateur U=400V soit V=230V
Câbles en cuivre ρ=22,5 mΩ.mm2/m de longueur 40m et de section 50mm2
Id = 0,8. VR)* + R01 =
0,8.2302.22,5. 1034. 4050
= 5111A
Comme Rpe=Rph
Ud = 0,8V/2= 92V
Ce qui est une tension dangereuse
4.2.5 Le régime IT Une entreprise souhaite obtenir une continuité de service prioritaire. Elle désire que la coupure de l’installation ait lieu non pas au premier défaut mais au second défaut. Cette entreprise possède bien sûr un service d’entretien compétent.
Dans ce régime, le neutre de la source de tension est isolé ou relié à la terre par une forte impédance, les masses d’installation sont reliées à la terre.
4.2.5.1 Premier défaut
Lors d’un défaut (par exemple une phase de l’appareil touche la masse), il s’établit un courant de défaut Id (en rouge) :
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
21
On constate que le courant de défaut Id est faible, en effet ;
Id = VRt + Rn + Z + Rd
Rt : résistance de prise des masses ;
Rn : résistance de la prise de terre neutre ;
Rd : résistance de défaut (cas le plus défavorable Rd = 0Ω) ;
Z : Impédance d'isolement ;
Id : courant de défaut ;
V : tension de défaut.
Notons que, Rd peut être nulle, Rt est très faible ; Rn << Z , avec Z (impédance du câble + impédance de la sortie du transformateur et la capacité de ceux entre phase et terre).
Exemple :
V=220V, Rd=0Ω, Rt=0Ω, Rn=0Ω et Z =10KΩ ;
Id=220/10000= 22mA
Conclusion : dans ce cas, il se présente un courant de défaut très faible. Ce dernier n'est pas dangereux pour l'utilisateur, mais il faut être vigilant devant un deuxième défaut.
4.2.5.2 Second défaut
Lorsqu’un deuxième appareil est en défaut, le principe est le suivant:
Ivan FRANCOIS Électricité industrielle
22
Premier appareil :défaut sur ph3
Second appareil : défaut sur ph1
Le courant de défaut est ABCDEFGHJK
UBJ : tension entre phases. On prendra 0,8. UBJ pour prendre en compte la chute de tension dans le transformateur.
La résistance de la ligne est RBC + RHJ
Si les 2 appareils ont la même section S et même longueur de câble L
9:; + 9ℎ= = 2. > ?@
La partie DEFG passe par la terre donc la résistance est très faible
Id = U2. > ?@
Exemple
U=400V
Câbles en cuivre ρ=22,5 mΩ.mm2/m de longueur 40m et de section 50mm2
Id = 0,8.4002.22,5. 1034 4050
Id=8888 A
La tension de contact est 0,8.UBJ/2 = 160V qui est une tension de contact dangereuse.