Cours schemas et appareillages electriques

Cours Schémas et appareillages électriques

COURS APPAREILLAGES

ET SCHEMAS ELECTRIQUES

Conçu pour faciliter la compréhension, l’apprentissage ainsi que la révision, ce support propose un cours simple pour accompagner les étudiants de la première année Master spécialité : génie électrique, option : Commande des systèmes électriques jusqu’à l’examen.

Ce support de cours rassemble les connaissances essentielles en traitant le fonctionnement, la constitution, la technologie et la mise en œuvre du matériel électrique utilisé dans les réseaux électriques (transport, distribution, réseaux d'usines). Il permet, d’une part, aux étudiants de comprendre la structure du matériel des réseaux électriques tel que, les disjoncteurs, les interrupteurs, les sectionneurs, les contacteurs...; de spécifier les équipements électriques (choix et dimensionnement) et d’autre part, de savoir lire les schémas électriques et de faire la différence entre les représentations, l’identification et la signification du marquage sur un schéma électrique.

GENERALITES

L’appareillage électrique est un élément qui permet d’obtenir la protection et l’exploitation sûre et ininterrompue d’un réseau électrique.

La parfaite maîtrise de l’énergie électrique exige de posséder tous les moyens nécessaires à la commande et au contrôle de la circulation du courant dans les circuits qui vont des centrales de production jusqu’aux consommateurs. Cette délicate mission incombe fondamentalement à l’appareillage électrique. Son rôle est d’assurer en priorité la protection automatique de ces circuits contre tous les incidents susceptibles d’en perturber le fonctionnement, mais aussi d’effectuer sur commande les différentes opérations qui permettent de modifier la configuration du réseau dans les conditions normales de service. L’appareillage électrique permet d’adapter, à chaque instant, la structure du réseau aux besoins de ses utilisateurs, producteurs et consommateurs d’électricité, et de préserver, totalement ou partiellement, cette fonction en cas d’incident. C’est assez dire l’importance du rôle de l’appareillage électrique pour la manœuvre et la protection du réseau. Il faut qu’il soit disponible à tout moment et puisse intervenir sans défaillance, au point de faire oublier qu’il existe.

Pour remplir ses fonctions avec fiabilité et disponibilité, il doit posséder de nombreuses aptitudes :

• supporter des contraintes diélectriques dues à des ondes de chocs (dues à la foudre ou à  la manœuvre d’appareils) ou à des tensions à fréquence industrielle ;
• assurer le passage du courant permanent ou de court-circuit, sans échauffement excessif et sans dégradation des contacts ;
• être capable de fonctionner dans des conditions atmosphériques défavorables : à haute ou à basse température, en altitude où la densité de l’air est plus faible, parfois sous forte pollution (pollution marine, vents de sables...) ;
• supporter des séismes avec une accélération au sol égale à 0,2g ou 0,5g ;
• et surtout, pour les disjoncteurs, être capable d’interrompre tous les courants inférieurs à  son pouvoir de coupure (courants de charge et courants de court-circuit).

On exige de lui une fiabilité presque parfaite, des opérations de maintenance légères et en nombre limité dans la mesure où ces interventions sont à la fois coûteuses et gênantes pour l’exploitation.

1. CHOIX ET CLASSIFICATIONS DE L’APPAREILLAGE

Choisir l'appareillage électrique adapté au récepteur demande une bonne connaissance du comportement du récepteur lors de l'utilisation normale et lors de dysfonctionnement en prenant en considération la cadence de fonctionnement, le risque de surcharge, la résistance aux courts-circuits et la résistance aux surtensions.

Les constituants (appareillages, sous‐ensembles) doivent être conformes aux normes correspondantes et convenir à leur application particulière en ce qui concerne la présentation extérieure de l’ensemble (ouvert ou enveloppé), leurs caractéristiques électriques et mécaniques.

Certaines de ces caractéristiques peuvent être affectées par leur incorporation à un ensemble ; c’est notamment le cas des fusibles, des contacteurs et des interrupteurs, susceptibles de faire l’objet d’un déclassement (diminution de leur courant assigné), compte tenu des conditions de voisinage avec d’autres matériels et de la température intérieure, en fonctionnement, de l’ensemble.

Une coordination doit également être assurée entre les courants maximaux admissibles de certains appareils et les caractéristiques des dispositifs de protection placés en amont. Lorsque les indices de protection IP ont été spécifiés pour l’enveloppe, les matériels encastrés doivent avoir une tenue correspondante, à moins de recevoir une protection complémentaire ; il en est de même des dispositifs de commande...

L’appareillage électrique est classé en plusieurs catégories selon :

a. sa fonction ;

Pour adapter la source d'énergie au comportement du récepteur, il est défini cinq grandes fonctions à remplir par l’appareillage électrique :

• le sectionnement : il est nécessaire d'isoler, en tout ou partie, les circuits, les récepteurs de leur source d'énergie afin de pouvoir intervenir sur les installations en garantissant la sécurité des intervenants (électriciens habilités).
• l'interruption : alors que l'installation est en service, le récepteur remplissant sa fonction, il est parfois nécessaire d'interrompre son alimentation en pleine charge, ceci pouvant faire office d'arrêt d'urgence.
• la protection contre les courts-circuits : les installations et les récepteurs peuvent être le siège d'incidents électriques ou mécaniques se traduisant par une élévation rapide et importante du courant absorbé. Un courant supérieur de 10 à 13 fois le courant nominal est un courant de défaut. Il est assimilé à un courant de court-circuit. Afin d'éviter la détérioration des installations et des appareillages, les perturbations sur le réseau d'alimentation et les risques d'accidents humains, il est indispensable de détecter ces courts-circuits et d'interrompre rapidement le circuit concerné.
• la protection contre les surcharges : les surcharges mécaniques et les défauts des réseaux d'alimentation sont les causes les plus fréquentes de la surcharge supportée par les récepteurs (moteurs). Ils provoquent une augmentation importante du courant absorbé, conduisant à un échauffement excessif du récepteur, ce qui réduit fortement sa durée de vie et peut aller jusqu'à sa destruction.
• la commutation : son rôle est d'établir et de couper le circuit d'alimentation du récepteur.

b. sa tension ;

On distingue les domaines de tension suivants:

• la basse tension BT qui concerne les tensions inférieures à 1 kV ;
• la moyenne tension MT (HTA) qui concerne les tensions entre 1 kV et 50 kV ;
• la haute tension HT (HTB) qui concerne les tensions supérieures à 50 kV.

c.  sa destination ;

L’appareillage électrique est destiné à fonctionner dans les réseaux ou installations principaux suivants:

• installations domestiques BT (< 1 kV)
• installations industrielles BT (< 1 kV)
• installations industrielles HT (3,6 à 24 kV)
• réseaux de distribution (< 52 kV) ;
• réseaux de répartition ou de transport (≥ 52 kV) ;

d. son installation ;

On peut distinguer :

• le matériel pour l’intérieur, qui est destiné à être installé uniquement à l’intérieur d’un bâtiment, à l’abri des intempéries et de la pollution, avec une température ambiante qui n’est pas inférieure à - 5 °C (éventuellement - 15 °C ou - 25 °C) ;

• le matériel pour l’extérieur, qui est prévu pour être installé à l’extérieur des bâtiments, et qui par suite doit être capable de fonctionner dans des conditions climatiques et atmosphériques contraignantes.

e.  le type de matériel ;

Deux types sont distingués :

• le matériel ouvert, dont l’isolation externe est faite dans l’air;
• le matériel sous enveloppe métallique ou blindé, muni d’une enveloppe métallique, reliée à la terre, qui permet d’éviter tout contact accidentel avec les pièces sous tension.

f.la température de service ;

L’appareillage est prévu pour fonctionner avec les températures normales de service suivantes:

• la température maximale de l’air ambiant n’excède pas 40 °C et sa valeur moyenne, mesurée pendant une période de 24 h, n’excède pas 35 °C ;
• la température minimale de l’air ambiant n’est pas inférieure à - 25 °C ou - 40 °C.

g. sa technique de coupure.

L’histoire de l’appareillage électrique est riche d’inventions diverses, de principes de coupure performants, de technologies très variées utilisant des milieux aussi différents pour l’isolement et la coupure que l’air à pression atmosphérique, l’huile, l’air comprimé, l’hexafluorure de soufre et le vide. Des points communs subsistent pendant toute son évolution :

• l’amorçage d’un arc entre deux contacts, comme principe de base pour la coupure d’un courant alternatif ;
• l’interruption du courant ;
• la recherche permanente de la réduction des énergies de manœuvre, afin de réaliser des appareils plus fiables et plus économiques ;
• la réduction des surtensions, générées pendant leur fonctionnement, grâce à l’insertion de résistances de fermeture ou par la synchronisation des manœuvres par rapport à la tension.

Il est intéressant de noter que la technique de coupure par auto-soufflage, qui vient de s’imposer pour les disjoncteurs SF6 à haute tension, avait déjà été envisagée dès les années 1960. C’est grâce aux progrès importants réalisés dans le domaine de la modélisation d’arc et de la simulation des écoulements gazeux que l’énergie d’arc a pu être domestiquée et utilisée efficacement pour définir des chambres de coupure à hautes performances.

Historiquement, on peut résumer les milieux suivants qui ont été choisis pour la coupure :

• air ;
• huile ;
• air comprimé ;
• SF6;
• vide.

III.   CONTACT ELECTRIQUE

1. Définition

Un contact électrique est un système permettant le passage d'un courant électrique à travers deux éléments de circuit mécaniquement dissociables. C'est un des éléments principaux des composants électromécaniques : contacteur, relais, interrupteur, disjoncteur. Il est aussi la clé de tous les systèmes de connectique.

2. Caractéristiques et catégories

Le contact électrique est caractérisé par sa résistance de contact, sa résistance à l'érosion, sa résistance à l'oxydation. Afin d'optimiser ses caractéristiques, les surfaces destinées à assurer la fonction de contact sont recouvertes par plaquage, ou comportent une partie massive ajoutée, d'un matériau particulier tel que l’Or, le platine (Palladium) et le Tungstène.

Le contact électrique a deux états par défaut: NO : Normalement Ouvert (Open)

NF : Normalement Fermé (NC : Close)

Les contacts sont aussi divisés en 2 catégories : Les contacts secs ou contacts hors tension,

Les contacts mouillés ; leurs définitions n'expriment pas un degré d'humidité mais l'origine du basculement d'état (relais à contact mouillé au mercure).

Les contacts contiennent des matériaux plus ou moins oxydables selon le choix de fabrication. La classe de protection des personnes choisie lors de la conception oblige à garantir le maintien de ce niveau de sécurité tout au long de la vie du contact. La conception et fabrication doivent donc être pensées pour éviter au maximum l'entretien préventif et conserver les caractéristiques de basculement et de conductivité.

La technique la plus simple pour l’entretien hors tension des contacts électriques est le brossage des surfaces de contact grâce à une brosse métallique ou du papier abrasif jusqu'à disparition des oxydes.

IV.PHENOMENES LIES AU COURANT ET A LA TENSION ELECTRIQUES

L’installation électrique permet de fournir l'énergie électrique nécessaire au bon fonctionnement des récepteurs. Ceux-ci consomment une puissance électrique dont l'expression est fonction de l'intensité du courant qui traverse le récepteur et de la tension à ses bornes.

Ces deux grandeurs électriques ont une influence directe sur la conception des appareillages ;

• Le courant électrique va conditionner la notion de pouvoir de coupure et de fermeture. En effet, la problématique essentielle de l'appareillage électromécanique est la coupure de l'arc électrique qui se forme systématiquement à l'ouverture d'un circuit électrique.
• La tension d'alimentation va définir les distances d'isolement entre les bornes et les contacts. Dans ce qui suit nous allons voir les phénomènes liés au courant et à la tension électriques

1. Les surintensités

Dans un circuit électrique, la surintensité est atteinte lorsque l'intensité du courant dépasse une limite jugée supérieure à la normale.

Les causes et les valeurs des surintensités sont multiples. On distingue habituellement dans les surintensités, les surcharges et les courts-circuits.

a.  La surcharge

Le courant de surcharge est en général une faible surintensité se produisant dans un circuit électrique sain. L’exemple type en est le circuit alimentant des prises de courant sur lesquelles on a raccorder un trop grand nombre d’appareil.

Caractéristiques

Le terme “surcharge” est utilisé pour un courant excessif circulant dans un circuit en bon état électriquement. Les surcharges sont en général inférieures à 10 fois le courant nominal du circuit.

Les surcharges de courant ne sont pas beaucoup plus élevées que le courant maximum permanent d’une installation, mais si elles se maintiennent trop longtemps elles peuvent faire des dégâts. Les dégâts, plus particulièrement aux matières isolantes en contact avec les conducteurs de courant, sont la conséquence de l’effet thermique du courant. La durée de cet effet thermique est relativement longue(de quelques secondes à quelques heures), et la surcharge peut donc être caractérisée par la valeur efficace du  courant. 
Causes habituelles des surcharges

b.  Le court-circuit

Le courant de court-circuit est en général une forte intensité produite par un défaut de résistance négligeable entre des points présentant une différence de potentiel en service normal.

Caractéristiques

Le court circuit est souvent dû à une défaillance électrique importante comme la rupture d’un isolant, la chute d’un objet métallique sur des barres ou la défaillance d’un semi conducteur. Il en résulte un courant de défaut dont la valeur efficace est très élevée (typiquement supérieure à 10 fois la valeur du courant nominal de l’installation).

L’effet thermique est tellement rapide que les dégâts dans l’installation se produisent en quelques millisecondes. Cet effet thermique extrêmement rapide ne peut pas être caractérisé par la valeur efficace du courant présumé de défaut comme c’est le cas dans les surcharges, car il dépend de la forme de l’onde de courant.

Dans ce cas la protection doit limiter l’énergie associée au défaut ; cette énergie est liée à la grandeur suivante I²t. Cette grandeur est une mesure de l’énergie thermique fournie à chaque ohm du circuit par le courant de court circuit pendant le temps t.

Cependant la protection contre les court-circuits impose souvent une condition supplémentaire qui est la limitation de la valeur crête du courant autorisé dans l’installation. En effet les forces électromagnétiques sont proportionnelles au carré de la valeur instantanée du courant et peuvent produire des dégâts mécaniques aux équipements si les courants de court circuit ne sont pas « limités » très rapidement.

Les contacts de sectionneurs, contacteurs et même de disjoncteurs peuvent se souder si la valeur crête du courant passant dans le circuit de défaut n’est pas limitée à une valeur suffisamment basse.

Si la fusion de certains conducteurs et de certaines parties de composants se produit, un arc entre  les  particules  fondues peut s’amorcer,  déclencher  des  incendies  et créer des situations dangereuses pour le personnel. Une installation électrique peut même être complètement détruite.

Les fusibles ultra-rapides pour la protection des semi conducteurs fournissent une excellente protection en cas de court circuit.

2. Les surtensions

Ce sont des perturbations qui se superposent à la tension nominale d’un circuit. Elles peuvent apparaître :

• entre phases ou entre circuits différents, et sont dites de mode différentiel,
• entre les conducteurs actifs et la masse ou la terre.

Une surtension est une impulsion ou une onde de tension qui se superpose à la tension nominale du réseau (voir fig.1)

Fig.1 : Exemple de surtensions

Elle désigne le fait pour un élément particulier d'un dipôle électrique d'avoir à ses bornes une tension supérieure à celle aux bornes du dipôle complet. C'est le cas par exemple de la tension aux bornes d'un condensateur dans un dipôle RLC série en résonances.

D'autre part, un réseau électrique possède en générale une tension normale : on parle aussi de tension nominale. En basse tension, cette tension nominale peut être par exemple de 230V entre phase et neutre. En moyenne tension, celle-ci est normalisée à 20kV (entre phase) et 11.5kV (entre phase et terre). Le réseau peut se trouver accidentellement porté à une tension supérieure de sa tension nominale : on parle alors de surtension. Les surtensions sont une des causes possibles de défaillances d'équipements électriques ou électroniques, bien que ceux-ci soient de mieux en mieux protégés contre ce type d'incident.

Une surtension perturbe les équipements et produit un rayonnement électromagnétique. En plus, la durée de la surtension (T) cause un pic énergétique dans les circuits électriques qui est susceptible de détruire des équipements.

Elle est caractérisée (voir fig.2) par:

• le temps de montée tf (en μs),
• la pente S (en kV/μs).

Fig.2 : Principales caractéristiques d’une surtension

2.1 Types de surtension dans les réseaux électriques

Quatre types de surtension peuvent perturber les installations électriques et les récepteurs :

1. Surtensions de manœuvre :

Surtensions à haute fréquence ou oscillatoire amortie causées par une modification du régime établi dans un réseau électrique (lors d’une manœuvre d’appareillage) elles sont d'une durée de quelques dizaines microsecondes à quelques millisecondes. La manœuvre d'un sectionneur dans un poste électrique à isolation gazeuse engendre en particulier des surtensions à fronts très raides.

1. Surtensions à fréquence industrielle :

Surtensions à la même fréquence que le réseau (50, 60 ou 400 Hz) causées par un changement d’état permanent du réseau (suite à un défaut : défaut d’isolement, rupture conducteur neutre,..). Parmi ces surtensions, on peut citer : surtension provoquée par un défaut d’isolement, surtension sur une longue ligne à vide (effet Ferranti), et surtension par ferrorésonance

Surtensions causées par des décharges électrostatiques.

Surtensions à très haute fréquence très courtes (quelques nanosecondes) causées par la décharge de charges électriques accumulées (Par exemple, une personne marchant sur une moquette avec des semelles isolantes se charge électriquement à une tension de plusieurs kilovolts).

1. Surtensions d’origine atmosphérique.

L’orage est un phénomène naturel connu de tous, spectaculaire et dangereux. Mille orages éclatent en moyenne chaque jour dans le monde. Les surtensions d’origine atmosphérique sont causées par le coup de foudre direct ou indirect sur les lignes électriques.

3. Les efforts électrodynamiques

Nous savons que la circulation de courants dans des conducteurs parallèles induit dans ces conducteurs des forces électromagnétiques proportionnelles au produit des courants circulant dans les deux conducteurs.

En cas de court-circuit dans une configuration de ligne ou de poste en conducteurs souples, on mesure alors des surtensions mécaniques (traction et flexion) appelées efforts électrodynamiques au niveau des supports et des isolateurs d’ancrage. On observe également des mouvements de conducteurs très importants. Ces efforts pouvant être considérables, il est indispensable de les prendre en compte dès la conception d’un nouvel ouvrage.

4. Rigidité diélectrique

La rigidité diélectrique d’un milieu isolant représente la valeur maximum du champ électrique que le milieu peut supporter avant le déclenchement d’un arc électrique (donc d’un court-circuit). On utilise aussi l'expression champ disruptif qui est synonyme mais plus fréquemment  utilisée pour qualifier la tenue d'une installation, alors que le terme rigidité diélectrique est plus utilisé pour qualifier un matériau. Pour un condensateur quand cette valeur  est dépassée, l’élément est détruit.

La  valeur maximale de la   tension électrique appliquée aux  bornes, est appelée tension  de  claquage du condensateur.

Dans le cas d'un disjoncteur à haute tension, c'est la valeur maximum du champ qui peut être supportée après l'extinction de l'arc (l'interruption du courant). Si la rigidité diélectrique est inférieure au champ imposé par le rétablissement de la tension, un réamorçage de l'arc se produit d'où l'échec de la tentative d'interruption du courant.

…

6. Claquage électrique

Le claquage est un phénomène qui se produit dans un isolant quand le champ électrique est plus important que ce que peut supporter cet isolant. Il se forme alors un arc électrique.

Dans un condensateur, lorsque la tension atteint une valeur suffisante pour qu'un courant s'établisse au travers de l'isolant (ou diélectrique), cette tension critique est appelée tension de claquage. Elle est liée à la géométrie de la pièce et à une propriété des matériaux appelée rigidité diélectrique qui est généralement exprimée en (kV/mm). La décharge électrique à travers l'isolant est en général destructrice. Cette destruction peut-être irrémédiable, mais ceci dépend de la nature et de l'épaisseur de l'isolant entrant dans la constitution du composant : certains isolants sont ainsi dits auto-régénérateurs, comme l'air ou l'hexafluorure de soufre.

7. Ionisation des gaz

L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - perdant ou gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors appelé ion.

Un plasma est une phase de la matière constituée de particules chargées, d'ions et d'électrons. La transformation d'un gaz en plasma (gaz ionisé) ne s'effectue pas à température constante pour une pression donnée, avec une chaleur latente de changement d'état, comme pour les autres états, mais il s'agit d'une transformation progressive. Lorsqu'un gaz est suffisamment chauffé, les électrons des couches extérieures peuvent être arrachés lors des collisions entre particules, ce qui forme le plasma. Globalement neutre, la présence de particules chargées donne naissance à des comportements inexistants dans les fluides, en présence d'un champ électromagnétique par exemple.

PHENOMENES D’INTERRUPTION DU COURANT ELECTRIQUE

a. Définition de l’arc électrique

L'arc électrique correspond à une décharge lumineuse qui accompagne le passage de l'électricité entre deux conducteurs présentant une différence de potentiel convenable. Ce phénomène fut découvert en 1813 par le physicien et chimiste anglais Davy qui en étudia les effets à travers différents gaz.

b. Naissance d'un arc électrique à la coupure d'un circuit

A la coupure d'un circuit d'impédance Zc, naît généralement un arc électrique entre les contacts de l'organe de manœuvre (interrupteur, disjoncteur). Ce fait marquant, qui intervient principalement sur forte surcharge (ou court-circuit) lorsque la séparation des pôles est dépendante des éléments de contrôle de la surintensité, se produit également sur ouverture non spontanée et -à un degré moindre- sur fermeture.

SOMMAIRE

I. GENERALITES..................... 02

II. CHOIX ET CLASSIFICATIONS DE L’APPAREILLAGE ...... 02

III. CONTACT ELECTRIQUE.............. 05

IV. PHENOMENES LIES AU COURANT ET A LA TENSION ELECTRIQUES.......... 06

1. Les surintensités.................. 06

 a. La surcharge..................... 06

b. Le court-circuit.................. 07

2. Les surtensions ................... 08

2.1 Types de surtension dans les réseaux électriques...... 09

3. Les efforts électrodynamiques................... 10

 4. Rigidité diélectrique.............. 10

 5. Isolant électrique................... 10

 6. Claquage électrique............... 11

 7. Ionisation des gaz................. 11

V. PHENOMENES D’INTERRUPTION DU COURANT ELECTRIQUE........... 12

 1. Définition de l’arc électrique ..................... 12

 2. Naissance d'un arc électrique à la coupure d'un circuit .............. 12

 3. Etude temporelle de la tension d'arc en courant alternatif ......... 13

 4. Coupure avec l’arc électrique .................... 14

 5. Inconvénients, dangers de l'arc électrique ............ 14

 6. Processus de coupure avec l’arc électrique .......... 14

 7. Les milieux de coupure ................... 15

 8. Différentes techniques de coupure de l’arc .......... 16

VI. FONCTIONS DE L’APPAREILLAGE ELECTRIQUE ............ 18

A. APPAREILLAGES DE CONNEXION ET DE SEPARATION .......... 18

 1. Contacts permanents ..................... 18

 2. Bornes de connexion ..................... 18

 3. Prises de courant (basse tension) ............. 18

 4. Les sectionneurs ................ 19

B. APPAREILLAGES D’INTERRUPTION .............. 22

 1. Les interrupteurs ............. 22

2. Les interrupteurs-sectionneurs .............. 22

 3. Les contacteurs ............... 23

C. APPAREILLAGES DE PROTECTION ................ 29

 1. Fusible ............................ 29

 2. Relais thermique ............ 35

 3. Relais magnétique (électromagnétique) .......... 40

 4. Relais magnétothermique .......... 41

 5. Discontacteurs ................ 41

 6. Le Disjoncteur magnétothermique .................. 42

VII ELABORATION DES SCHEMAS ELECTRIQUES ................ 51

 1. Normalisation ................. 51

 2. Schéma électrique. ..................... 51

 3. Classification des schémas ................... 51

 4. Identification des éléments .................. 55

 5. Repérage des conducteurs sur les schémas ................ 61

VIII TRAVAUX PRATIQUES ........................ 63