Disjoncteur de protection électrique : tout ce que vous avez toujours voulu savoir sans jamais oser le demander

Nombre d’articles traitent des spécifications du disjoncteur de protection électrique au regard des circuits qu’ils sont censés protéger, et ce dans le respect de la Norme NF C15100 qui elle-même définie des prescriptions en termes d’installation.

Ainsi, la plupart des utilisateurs dans le domaine domestique (vous, vos amis, votre voisin, …) prend généralement en compte le besoin en termes de puissance électrique ou encore de courant consommé (exprimé en ampère) qui est imposé par le récepteur (équipements d’éclairage, de chauffage, électroménager) pour déterminer le calibre d’un disjoncteur situé en tête de circuit.

De plus, une autre façon de faire est de raisonner par « tradition » sur la base de la norme évoquée précédemment (NF C15100) en considérant qu’un disjoncteur de protection électrique de calibre 16A est généralement utilisé pour des circuits prises de courant, qu’un disjoncteur de calibre 10A est, quant à lui, utilisé pour les circuits éclairages.

En dehors de ces considérations, il nous a semblé important d’apporter quelques compléments d’informations sur les caractéristiques propres aux disjoncteurs.

Les paramètres suivants définissent ces caractéristiques :

Tension d’isolement Ui

Elle caractérise la tension d’utilisation maximale de l’appareillage dans des conditions normales du réseau (c’est-à-dire en l’absence de surtension).

Qualité diélectrique à 50hz

La qualité diélectrique est exprimée par la tension alternative 50hz que l’appareil peut supporter pendant 1 minute entre :

  • phases
  • phase et masse
  • les pôles ouverts d’une même phase

Elle caractérise la tenue de l’appareillage aux surtensions du réseau. Celles-ci peuvent résulter, par exemple, d’avaries des enroulements d’un transformateur.

Tension de tenue aux chocs Uimp

Elle caractérise l’utilisation d’un appareil dans des conditions anormales du réseau dues aux surtensions en raison :

  • de l’action de la foudre sur les lignes aériennes
  • des manoeuvres d’appareillages sur les circuits « haute tension »

Protection contre les surtensions

La protection contre les surtensions est assurée :

  1. par le choix de l’appareillage en fonction de Uimp. Les normes NF

C15100 et CEI 60364 définissent 4 catégories d’utilisation :

  1. matériels spécialement protégés : informatique, électronique..
  2. appareils d’utilisation : outillage portatif à programmation mécanique.
  3. appareillage situé dans les circuits de distribution, installations fixes, moteurs.
  4. appareillage situé à l’origine de l’installation.

Schéma courant continu - disjoncteur

Pouvoir de coupure – comportement des disjoncteurs au court-circuit

Cette caractéristique essentielle d’un appareil d’interruption est le courant maximal (en kA efficace) qu’il est capable de couper dans des conditions spécifiques définies par les normes. Ainsi, il s’agit généralement de la valeur efficace de la composante alternative du courant de court-circuit.

Parfois, on spécifie pour certains appareils la valeur efficace de la somme des 2 composantes : alternative et continue ; c’est alors le courant asymétrique.

La valeur instantanée maximale que peut atteindre le courant de court-circuit est la valeur de crête ip de la première demi alternance. Cette valeur de crête peut-être beaucoup plus élevée que Ö2.Icc en raison de la composante continue amortie qui peut se superposer à la composante alternative.

Cette composante continue aléatoire dépend de la valeur instantanée de la tension à l’instant initial du court-circuit, et des caractéristiques du réseau.

Le court-circuit

Un autre paramètre doit également être pris en compte lors de l’apparition d’un court-circuit, c’est le pouvoir de fermeture du disjoncteur de protection électrique sur court-circuit. En effet, cette caractéristique est implicitement définie par le pouvoir de coupure. En considérant qu’un appareil doit être capable de fermer sur un court-circuit qu’il doit normalement couper. Le PdC se définit en kA crête car il s’agit de la première crête asymétrique qui est la plus contraignante au point de vue électrodynamique.

Deux normes sont prises en référence pour définir le pouvoir de coupure d’un disjoncteur du domaine domestique ou tertiaire et industriel. En effet, il s’agit des normes EN 60898 et EN 60947-2. Pour répondre à cette composante, il est important de connaître l’Icc maximal au niveau de l’installation ou du tableau électrique de distribution. Pour des réseaux électriques tétraphasé, on trouve parfois les valeurs Ik3, Ik2, Ik1. (Ik3 :

  • valeur de l’Icc maxi lors d’un défaut entre les 3 phases ; Ik2
  • valeur de l’Icc maxi lors d’un défaut entre 2 phases ; Ik1
  • valeur de l’Icc maxi lors d’un défaut phase-neutre)

Concernant les réseaux domestiques, c’est la Norme NF C14-100 qui définit les courants de court-circuit au niveau des PDL (points de livraison).

Dans le cas d’un branchement à puissance limitée, compte tenu des protections en amont (présence de fusibles AD), un pouvoir de coupure de 3 kA est suffisant pour les dispositifs de protection contre les court-circuits en aval du point de livraison.

Courbes de déclenchement du disjoncteur de protection électrique

Chaque disjoncteur de protection électrique répond à un usage spécifique en termes de protection des circuits. Aussi, les constructeurs ont défini des courbes de déclenchement pour s’adapter au mieux au type de circuit et ainsi augmenter la sélectivité entre les protections.

Le descriptif des diverses courbes de protection sera abordé lors d’un prochain article.

Examen des caractéristiques spécifiques aux disjoncteurs de type D’CLIC de Schneider Electric

Disjoncteur DuoLine de Schneider electric

Nous retrouvons dans ces tableaux, les données caractéristiques des disjoncteurs de type D’CLIC (disjoncteurs adaptés aux réseaux domestiques, c’est-à-dire pour des Icc maxi de 3000A).Disjoncteur Schneider DuoLine

Les caractéristiques issues de la Norme EN 60898 sont généralement apposées sur le coté des disjoncteurs.

Conclusion de cette première partie de l’article

Pour conclure, diverses catégories de disjoncteurs répondent chacun à des spécificités particulières. Il peut s’agir de réseaux domestiques ou de réseaux tertiaires et industriels. Ainsi, parmi les paramètres à prendre en compte, la valeur du pouvoir de coupure communiqué par les fabricants qui doit être supérieure à l’Icc max du réseau considéré. La valeur Icu (pouvoir de coupure ultime) est donnée pour une tension d’emploi Ue définie à 50Hz.

Disjoncteurs de protection électrique et mode de fonctionnement

Le disjoncteur de protection électriqueNous allons maintenant voir la distinction qui peut être faite au niveau des disjoncteurs selon leur courbe déclenchement.

On formule généralement le choix d’utiliser tel ou tel disjoncteur par rapport au fait qu’ils sont en mesure de protéger divers circuits tant au niveau de la surcharge (c’est ce qu’on appelle la zone thermique) que des risques de court-circuit (zone magnétique).

Nous voyons ici que les disjoncteurs de protection électrique ont un mode de fonctionnement qui décrit deux zones :

  • D’une part, la première est structurellement liée à la déformation d’une lamelle ou bilame en cuivre (élément de couleur verte en partie inférieure de la coupe du disjoncteur – donnée Legrand dans son Guide technique de 2003),
  • D’autre part, la seconde zone est structurellement liée à la réaction d’une bobine électro-magnétique amenant à l’ouverture physique du disjoncteur ainsi qu’à la création d’un champ magnétique conduisant l’arc électrique au niveau de la chambre de coupure (élément en violet et marron clair sur la coupe du disjoncteur).

Comment fonctionne un disjoncteur ?

Courbes de déclenchement d’un disjoncteur de protection électrique 

Sur le diagramme suivant, nous trouvons l’explication des deux zones. « A » correspond à la surcharge thermique et noté « B » pour les court-circuits.

schema-courbe-declenchement

Zone A de surcharge thermique :

Au niveau du bilame traduisant le fonctionnement thermique du disjoncteur, les relations suivantes :

W = R.I2.t

W : énergie (en joules) ; R : résistance électrique (en ohms) ; I : courant électrique (en Ampères) ; t : temps (en secondes)

Ainsi que la relation :

R= r.L/S

 R : résistance en W ; r : résistivité en Wm ; L : longueur en m ; S : section en m2

La résistivité d’un matériau est une grandeur intrinsèque qui dépend de la température th selon la relation :

r(t) = ro (1+ath)

A est appelé coefficient de température (valeur spécifique au type de matériau considéré, par exemple pour le cuivre a= 0,00427 ).

Le temps de réaction du bilame est inversement proportionnel au courant électrique qui traverse le disjoncteur. La première relation montre qu’à énergie constante, plus le courant s’élève et plus le temps va être petit.C’est même le carré du courant qui est à prendre en compte.

En cas de faible surcharge, le bilame s’échauffe lentement et proportionnellement à l’énergie qu’il doit assimiler, avec un temps de réaction plus long.

La seconde relation montre qu’un matériau en cuivre (bilame du disjoncteur) possède une certaine résistance électrique qui est fonction de la température. Cela explique pourquoi il est important de considérer l’environnement dans le lequel va être installé le disjoncteur. Par ailleurs, les spécifications des disjoncteurs selon la Norme EN 60898 définissent toujours un fonctionnement des disjoncteurs à une température ambiante. Cette température est de l’ordre de 27 à 30°C.

Si l’environnement est tel que la température ambiante devient excessive, il sera alors nécessaire de déclasser les disjoncteurs.

Zone B de protection magnétique :

Le marquage d'un disjoncteurLe principe de fonctionnement du disjoncteur vis-à-vis de la « bobine » magnétique interne s’explique à partir des lois propres à l’électro-magnétisme ; et notamment grâce aux Lois de LAPLACE et de LORENTZ. Le champ magnétique est proportionnel au courant électrique circulant dans la bobine, donc plus le courant sera élevé et plus important sera le champ magnétique, donc plus vite le disjoncteur réagira.

Diverses courbes de déclenchement ont été définies par les fabricants pour répondre à des besoins bien spécifiques en termes de protection des circuits.

Disjoncteur de courbe Z :

Le déclenchement magnétique, en cas de défaut électrique (type court-circuit) interviendra pour des courants compris entre 2,4 et 3,6 In (In étant le courant nominal correspondant au calibre du disjoncteur).Ces types de disjoncteurs de protection électrique sont généralement utilisés pour protéger des appareils ou équipements comportant des circuits électroniques sensibles.

Disjoncteur de courbe B :

Le déclenchement magnétique, en cas de défaut électrique (type court-circuit) interviendra pour des courants compris entre 3 et 5 In (In étant le courant nominal correspondant au calibre du disjoncteur). Ce type de disjoncteur est fréquemment utilisé pour la protection de circuit de grande longueur, tel que des câbles d’éclairage public.

Disjoncteur de courbe C :

Le déclenchement magnétique, en cas de défaut électrique (type court-circuit) interviendra pour des courants compris entre 5 et 10 In. (In étant le courant nominal correspondant au calibre du disjoncteur). Ce type de disjoncteur est généralement utilisé pour la protection de circuit standard comportant des câbles de faibles longueurs.

Disjoncteur de courbe D ou MA :

Le déclenchement magnétique, en cas de défaut électrique (type court-circuit) interviendra pour des courants compris entre 10 et 12 voire 15 In (In étant le courant nominal correspondant au calibre du disjoncteur). Ces types de disjoncteurs de protection électrique s’utilisent généralement pour la protection de circuit magnétique (transformateur et/ou moteur). Ils génèrent des courants d’appels à la mise sous tension pouvant atteindre 10 à 12xIn moteur.

 

Le « pouvoir de coupe » du disjoncteur de protection électrique

Comme nous l’avons vu lors d’un précédemment, la résistivité d’un matériau, comme du cuivre, dépend de la température. Aussi, il est facile de comprendre que la température évoluant affecte le calibre d’un disjoncteur.

Les caractéristiques des disjoncteurs répondant à la norme EN 60898 sont établies pour une température ambiante de l’ordre de 30°C.

Déclasser les disjoncteurs

Une température plus élevée impacte le fonctionnement du bilame, correspondant à la zone de surcharge thermique. Eventuellement, des déclenchements intempestifs se produisent car le courant permanent que supporte un disjoncteur sera réduit par rapport à son intensité assignée (calibre du disjoncteur). Dans de tels cas, il est nécessaire de déclasser les disjoncteurs.

Exemple : Le disjoncteur DX de LEGRAND 32A est normalisé et réglé pour fonctionner sous une température de 30°C selon la norme EN60898. Si la température ambiante est de 40°C, son courant d’emploi se réduit de 20% et ne pas dépasser 28A.

En dehors de l’analyse de température ambiante, il faut parfois prendre en compte l’évolution de la température au sein même d’une armoire ou d’un TGBT. En effet, l’augmentation du nombre de disjoncteurs et autres matériels va également amener une augmentation de la température locale. Le facteur de déclassement des disjoncteurs se définit avec le fabricant. Par ailleurs, les paramètres de pression d’air liés à l’altitude une pris en compte supplémentaire de la température est possible).

Coordination entre les disjoncteurs

Chaque disjoncteur de protection électrique possède une caractéristique spécifique en termes de « pouvoir de coupure ». En effet, cette caractéristique définit le fait qu’un disjoncteur a la capacité de résister à tous les courants de court-circuits jusqu’à une limite haute. Sur certains réseaux ou installations électriques, il n’est pas rare de trouver des valeurs de courant de court-circuit (Icc3ou Ik3) plus importantes que le pouvoir de coupure de tel ou tel disjoncteur.

Par dérogation (art. 434 de la Norme NF C15100), il est admis que le pouvoir de coupure d’un disjoncteur soit inférieur au courant de court-circuit maximum présumé de l’installation, à condition :

  • Il peut être en amont, associé à un appareil ayant le pouvoir de coupure nécessaire en son point d’installation propre,
  • L’appareil aval ainsi que par les canalisations protégées supportent l’énergie limitée par l’association des appareils.

Les fabricants mettent en avant la coordination entre leurs disjoncteurs permettant de renforcer le pouvoir de coupure du « plus faible » par « le plus fort », généralement celui qui est en amont. Des essais réalisés par ces fabricants permettent de mettre en avant ces caractéristiques conformément à la CEI 947-2.

 Extrait des caractéristiques LEGRAND pour ses disjoncteurs DPX et DX 

Legrand : Tableau des caracteristiques

On voit ici qu’un disjoncteur DX de calibre 40A possède seul un pouvoir de coupure de 10kA. Associé à un disjoncteur Amont de type DPX calibre 250A ayant un pouvoir de coupure de 25kA, le disjoncteur DX aura un pouvoir de coupure de 25kA.

Niveaux de sélectivité entre les disjoncteurs de protection électrique

La sélectivité est une technique qui consiste à coordonner les protections de manière à ce qu’un défaut sur un circuit ne fasse déclencher que la protection électrique placée tout de suite en amont de ce défaut, évitant ainsi la mise hors service du reste de l’installation. La sélectivité améliore la continuité de service et la sécurité de l’installation.

Sélectivité ampèremétrique

Cette technique repose sur le décalage en intensité des courbes de déclenchement des disjoncteurs amont et aval.

Ainsi, elle se vérifie par comparaison de ces courbes en s’assurant qu’elles ne se chevauchent pas.

Sélectivité ampèremètrique

Elle s’applique pour la zone des surcharges et la zone des court-circuits et est d’autant meilleure que les calibres des appareils sont distants.

Sélectivité chronométrique

Cette technique repose sur le décalage en temps des courbes de déclenchement des disjoncteurs amont et aval.

En effet, elle se vérifie par comparaison des courbes et s’applique pour la sélectivité dans la zone des court-circuits.

Sélectivité chronometrique

Elle s’utilise en complément de la sélectivité ampèremétrique. En effet, cela permet d’obtenir une sélectivité au-delà du courant de réglage magnétique du disjoncteur amont (Img).

Sélectivité logique

Elle se fait entre deux appareils qui communiquent via une liaison spécifique. Lorsque le disjoncteur de protection électrique aval détecte un défaut, il envoie un signal vers l’appareil amont qui temporisera. Si l’appareil aval n’a pas pu éliminer ce défaut durant la temporisation, il y aura intervention de l’appareil amont.

Concernant les disjoncteurs, les fabricants de matériel électrique communiquent sous forme de tableaux les valeurs de courant de court-circuit maximales. Elles permettent ainsi de définir une sélectivité dite totale entre deux disjoncteurs. Dans certains cas, on définit une sélectivité dite partielle. Cela garantit le déclenchement du disjoncteur aval avant celui situé en amont tant que le courant de court-circuit ne dépasse cette valeur maxi.

Conclusion

Le choix d’un disjoncteur de protection électrique dépend donc de plusieurs paramètres telles que les caractéristiques propres au disjoncteur. Ainsi, les caractéristiques du réseau ou de l’installation sur lequel se trouve ce disjoncteur de protection électrique, la disponibilité et la fiabilité de réseau constitué amène à définir des niveaux de sélectivité.

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