L appareillage électrique A: Généralités sur l'appareillage 1. Clasification des appareils L appareillage électrique doit assurer le contrôle de l énergie électrique transportée par les canalisations depuis la source de production jusqu à l utilisation. L appareillage électrique a pour fonctions essentielles - La réalisation des connections - D établir ou d interrompre l énergie électrique - De protéger les personnes et les biens - De régler, de contrôler, de mesurer les grandeurs électriques Fonction Définition Exemples Appareillage de raccordement Assure la liaison électrique entre Bornes de raccordement, pris deux ou plusieurs systèmes douilles... conducteurs Appareillage de commande Assure, en service normal, la mise Interrupteur, contacteur, rup "en et "hors" tension d une partie disjoncteur commandé de l installation. Appareillage de protection Assure la protection des Fusible, disjoncteur, r installations électrique ainsi que thermique... des biens Appareillage de réglage Rhéostat, potentiomètr Agit sur les grandeurs électriques inductance, condensateu afin de les adapter à l utilisation. dispositif électronique... Appareils de mesure et de contrôle Permettent d effectuer les Ampèremètre, voltmètre mesures et le contrôle des fréquencemètre, oscilloscope. grandeurs électriques Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I.G.E Page 1/32
1.2 Caractéristiques générales Etude des systèmes techniques L appareillage est soumis à des contraintes dues aux effets du courant électrique - L échauffement provoqué par le passage du courant électrique - Les efforts électrodynamiques dus en particulier aux forces qui se développe sur les conducteurs en cas de court circuit. * Loi de Laplace: Le passage du courant dans un conducteur crée un champ magnétique B ( règle du tir bouchon ). Tout conducteur placé dans un champ magnétique et traversé par un courant est soumis à une force F= B I l sin α Donc deux courants parallèles de même sens s attirent, et deux courants de sens opposés se repoussent. Courant de même sens Courant de sens opposé Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I.G.E Page 2/32
- Contraintes diélectriques dues aux surtensions qui peuvent se produire dans un circuit inductif. Pour l appareillage on doit donc préciser: - La tension nominale de fonctionnement - La tension d isolement - L intensité nominale de fonctionnement pour laquelle l échauffement de l appareil est normal - Le pouvoir de coupure * en ampère il exprime le courant maxi que l appareil peut couper sous la tension et dans les conditions d utilisation sans détérioration excessive. * Le pouvoir de coupure en Voltampères est le produit du pouvoir de» coupure en ampères et de la tension d utilisation ( UI en mono UI 3 en tri ). - Le nombre de millions de manoeuvres - L indice de protection 1.3 L indice de protection Tableaux des indices de protection Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I.G.E Page 3/32
L indice de protection est une codification des enveloppes de protection des appareils électriques basée sur trois facteurs. - La protection contre des corps solides - La protection contre les liquides - La protection mécanique ( chocs ). Ces trois facteurs sont précédés des lettres IP. 2. Etablissement et interruption du courant Si pour la fermeture et l ouverture des circuits alimentés par des tensions et des courants faibles ne pose pas de problème il en va tout autrement dés que les tensions dépassent le millier de volt et les courants une centaine d ampères. 2.1 Formation de l arc électrique Lors de la séparation de deux pièce sous tension il y a création d un arc électrique. Cet arc électrique est produit par l ionisation de l air ambiant qui devient conducteur. Cette ionisation est due au fait que la distance entre les contacts est très faible ( début de l ouverture ), il y a création d un champ électrique très intense, supérieur à la tension de claquage de l isolant, le milieu devient ionisé, d où la création d une colonne d air ionisé, contenant des électrons libres et des molécules de métal en fusion arraché aux contacts, c est l arc électrique. On dit également qu il y a claquage de l isolant dû au champ disruptif. L arc électrique est très dangereux pour les matériels et les personnes, sa température est comprise entre 2500 et 5000 C, et il détruit les contacts par fusion du métal. 2.2 Etude expérimentale E1: électrode fixe E2: Electrode mobile - A la mise sous tension les électrodes sont en contact, l ampèremètre mesure l intensité dans le circuit et le voltmètre indique 0V aux bornes du contact. - A la séparation des contacts on constate l apparition d un arc électrique, plus les électrodes s éloignent plus la tension d arc augmente et plus l intensité diminue. Lorsque la tension aux bornes de l arc atteint la tension d alimentation l arc s éteint. Si on effectue plusieurs relevés en écartant doucement les électrodes on relève une courbe de la forme suivante. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I.G.E Page 4/32
On en déduit l équation de la courbe de la tension d arc Uarc = Avec : = chute de tension par unité de longueur en V/mm = Longueur de l arc = Chute de tension à l électrode négative cathode Tout ce passe comme si l arc électrique était un récepteur supplémentaire monté en série dans le circuit. 2.3 Effet de l arc électrique - Rayonnement lumineux intense, aveuglement - Elévation de température très importante, brûlure incendie. - Continuité du courant non voulu, électrocution - Parasites Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I.G.E Page 5/32
2.4 Propriété de l arc électrique - La section de l arc est proportionnelle à l intensité - La longueur est proportionnelle à la tension à couper (plusieurs mètres en haute tension) - Il est très mobile 2.5 Facteurs favorisant l arc électrique - La tension à couper Plus la tension est importante plus la longueur de l arc est élevée. Matériaux I (A) U (V) Argent 0.4 12 Argent-Palladium 0.3 11 Cuivre 0.43 13 Or 0.38 15 Tungstène 1 16 Platine 0.9 17 - La nature des électrodes Le tableau ci-dessus donne les tensions limites Uarc et les courants en dessous desquels il n y a plus d arc. La chute de tension à l électrode est directement liée au matériau et à l état de surface. Le carbone est un matériau qui favorise l arc ( lampes à arc ). - La nature du diélectrique Si la qualité du diélectrique n est pas suffisante il y a conduction de l isolant, c est l ionisation de l air par exemple (claquage). - Longueur de l arc Si la distance entre les électrodes est trop faible l arc ne pourra pas s éteindre est il y aura destruction des contacts par fusion. - Autres facteurs favorisant l arc - Un courant élevé à couper Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I.G.E Page 6/32
- Une vitesse lente de coupure - Le courant continu est plus difficile à couper que le courant alternatif qui passe par zéro toutes les 10ms (50 Hz) - La nature du circuit, un circuit inductif est beaucoup plus difficile à couper qu un circuit résistif. 2.7 Moyens d extinction - Action sur la longueur de l arc (l) ==> allonger l arc électrique Contact en fonctionnement normal Contact au moment de l'ouverture Action sur le nombre de coupure Action sur la nature de l'électrode - Action sur le nombre de chute de tension cathodique ( n a ) ==> Fractionner l arc - Action sur le diélectrique * Le refroidir / renouveler le milieu ionisé. * Utiliser un isolant ayant une meilleure rigidité diélectrique. - L huile minérale - L exaflorure de soufre ( SF6 ) ( gaz deux à trois fois plus isolant que l air ) * Action sur la vitesse de coupure pour établir une coupure plus rapide. 2.8 Exemple de réalisation a) Effet de boucle L air chaud fait monter l arc qui a tendance à s allonger jusqu à son extinction. Ce principe est utilisé avec des intensités moyennes. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I.G.E Page 7/32
b) fractionnement par cheminée Pour accélérer la coupure de l arc on ménage des chambres de coupure avec un cloisonnement qui fractionne l arc et qui le refroidisse. c) Soufflage magnétique Le courant passe dans une bobine en série avec le contact. Le champ magnétique créé à l ouverture du contact agit comme un aimant sur l arc qui se comporte comme un conducteur mobile et le fait monté. D après la loi de Laplace (F= B I l sin a), règle des trois doigts de la main droite ( champ, chemin, courant ), le passage du courant dans la bobine provoque un champ magnétique H, l arc est parcouru par un courant, donc il est soumis à une force F de bas en haut. L arc va s élever d autant plus rapidement que l intensité du courant est élevée. Ce principe est valable aussi bien en courant continu qu en courant alternatif ( H et I sont inversé donc F garde le même sens ). d) Solution industrielle. Pôle de coupure SOLENARC ( Merlin Gerin ) A l ouverture des contacts principaux un arc prend naissance entre les contacts pareétincelles. - Cet arc s élève ( action du tirage naturel de l air chaud ) et s accroche aux cornes d arc (2). - Les bobines (3) sont parcourues par le courant d arc et créent un soufflage magnétique vers le haut. - L arc s accroche sur les cornes métalliques (5) qui sont sous forme de cavaliers entre deux chambres de coupure ( fractionnement de l arc). - La position des cavaliers force l arc à créer une boucle, il se développe en forme de solénoïde et crée son propre champ magnétique qui a tendance à augmenter la taille des spires ( effet magnétique ). Il s allonge très rapidement et se refroidit au contact des plaques réfractaires. - Le bras mobile comprime un soufflet (7) qui souffle de l air frais pour finir de couper l arc. Lycée polyvalent Jean Monnet E.S.T S.T.I.G.E Page 8/32