Licence Appliquée en Génie Électrique Tronc commun L1 Semestre 2 Année Universitaire 2012-2013 Unité d’Enseignement Installation Électrique II ECUE Distribution et Protection Électrique Réalisé par : Khaled Rejeb (Iset de Bizerte) Manel Khaterchi (Iset de Bizerte) Copyright c(cid:13) 2013 ISET BIZERTE
Juin 2013
Unité d’Enseignement Installation Électrique II ECUE Distribution et Protection Électrique Licence Appliquée en Génie Électrique Tronc commun L2 – Semestre 2 Manel KHATERCHI Khaled REJEB Iset de Bizerte Juin 2013 Distribution et Protection Électrique Cet élément constitutif est destiné aux étudiants de l’ISET en Génie Électrique : Parcours : Tronc commun Niveau : L2 – Semestre 2 Objectifs généraux : Cet élément constitutif fait partie de l’Unité d’Enseignement Installation Électrique II qui vise à familiariser les étudiants avec les procédés de distribution et les appareillages associés, plus particulièrement : Étudier les caractéristiques des systèmes triphasés équilibrés. Étudier et dimensionner des installations électriques en Basse Tension. Objectifs spécifiques : A la fin de ce module, l’étudiant doit être capable de : Faire des mesures sur un système de distribution électrique, en particulier de type triphasé, Savoir faire le dimensionnement des installations électriques en BT. Choisir la section d’un conducteur Justifier le choix des caractéristiques d’un disjoncteur Savoir manipuler les normes et les guides des constructeurs. Prés-requis : Les systèmes monophasés Lecture des schémas électriques unifilaires Table des matières
1
1.1
1.2
Les systèmes triphasés équilibrés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Rappel : Les systèmes monophasés
Les systèmes triphasés équilibrés
7
7
1.2.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.2 Avantages par rapport au monophasé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Représentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.3
1.3
1.3.1 1.3.2 1.3.3
1.4
1.4.1 1.4.2 1.4.3
Étude des tensions simples
8
Représentation graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Représentation complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Représentation de Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Étude des tensions composées
10
Représentation de Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Représentation graphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Relation entre U et V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5
Les récepteurs triphasés équilibrés
12
1.5.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.5.2 Couplage étoile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.5.3 Couplage triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6
1.6.1 1.6.2
1.7
1.7.1 1.7.2
2
2.1
2.2
2.2.1 2.2.2 2.2.3
Mesure de la puissance
16
Ligne à quatre fils (neutre accessible) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Ligne à trois fils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Relèvement du facteur de puissance en triphasé
17
Batterie de condensateurs couplé en triangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Batterie de condensateurs couplé en étoile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Distribution basse tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Structure des installations Basse Tension (BT)
Caractéristiques des installations BT
19
19
La puissance d’utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Les facteurs de correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Exemple de calcul de la puissance d’utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3
Choix de la puissance nominale du transformateur
22
2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3
23 Les appareillages dans les installations BT Le sectionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 La commande des circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 La protection électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Le disjoncteur 24 2.5 2.5.1 Les différents types des disjoncteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2 Disjoncteur magnéto-thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.3 Courbe de déclenchement Pouvoir de coupure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5.4 Exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5.5
Sélectivité
29 2.6 2.6.1 Différents types de sélectivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Utilisation des tableaux de sélectivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6.2
3
Dimensionnement d’une installation BT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1
Méthodologie de dimensionnement d’une installation électrique
33
Section des canalisations
34 3.2 3.2.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.2 Détermination pratique de la section minimale d’une canalisation . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Détermination de la chute de tension 38 Limite maximale de la chute de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.1 3.3.2 Calcul de la chute de tension en ligne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3.3
Choix de la protection
39 3.4 3.4.1 Calcul du courant de court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.4.2 Choix de la protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Utilisation de la méthode de composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.3
4
Travaux Dirigés avec correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1 — Les systèmes triphasés équilibrés
1.1 Rappel : Les systèmes monophasés
En monophasé, le récepteur est un dipôle Z (résistif, inductif ou capacitif). Une des bornes est
reliée au neutre (borne -) et l’autre à la phase (borne +) :
FIGURE 1.1 – Système monophasé
La courbe de tension a pour expression : u(t) = Umsin(ωt + ϕ0)
avec :
u(t) : valeur instantan´ee Um : amplitude maximale ωt + ϕ0 : phase instantan´ee(rd) ϕ0 : dephasage par rapport `a l(cid:48)origine ω : pulsation(rd/s)
On définit :
La période du signal T, exprimée en seconde (s) : T =
La fréquence f, exprimée en Hertz (Hz) avec : f =
1 T
1.2 Les systèmes triphasés équilibrés
1.2.1 Définition
2π ω
. ω 2π
=
Definition 1.1 Un système triphasé équilibré est un ensemble de trois grandeurs sinusoïdales,
de même nature, de même fréquence, de même amplitude et déphasées entre elle de
2π 3
.
Les systèmes triphasés équilibrés
1.2.2 Avantages par rapport au monophasé
– Les machines triphasées ont des puissances de plus de 50 fois supérieures aux machines monophasées de même masse et donc leurs prix sont moins élevés (le prix est directement proportionnel à la masse de la machine).
– Lors du transport de l’énergie, les pertes sont moindres en triphasé.
1.2.3 Représentation
La distribution se fait a partir de quatre bornes : – Trois bornes de phase repérées par 1, 2, 3 ou A, B, C ou R, S, T ; – Une borne neutre N.
FIGURE 1.2 – Système triphasé
1.3 Étude des tensions simples
Les tensions simples sont les tensions entre phase et neutre.
FIGURE 1.3 – Tensions simples
1.3.1 Représentation graphique
FIGURE 1.4 – Représentation graphique des tensions simples
8
M.Khaterchi-K.Rejeb
1.3 Étude des tensions simples
de
Les trois sinusoïdes peuvent être tracées dans un même repère. Elles sont déphasées entre elle 2π 3 Elles ont la même valeur efficace V. La valeur maximale est donc égale à (Vm = V
, où T est la période du signal) l’une par rapport à l’autre.
(ou
T 3
2).
√
Les équations horaires de chaque système sont données par :
v1(t) = V
v2(t) = V
v3(t) = V
√
√
√
2sin(ωt)
2sin(ωt −
2sin(ωt −
2π 3 4π 3
)
)
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1.3.2 Représentation complexe
Les trois grandeurs sinusoïdales peuvent être associées à des grandeurs complexes, ce qui
donne :
V 1 = V V 2 = V V 3 = V
√ √ √
si on pose a = e−j 2Π
3 donc a3 = 1
alors, on peut écrire :
2 2e−j 2π 2e−j 4π
3
3
√
V 1 = V 2 √ V 2 = a2V 2 √ V 3 = aV 2 =⇒ (cid:126)V1 + (cid:126)V2 + (cid:126)V3 = (cid:126)0
donc pour un système triphasé équilibré, la somme des tensions simples est égale à 0. Si cette somme est différente de zéro, alors le système triphasé n’est pas équilibré.
1.3.3 Représentation de Fresnel
On peut distinguer deux types de systèmes : direct et inverse. Un système triphasé est dit direct si un observateur fixe voit les vecteurs défilés devant lui dans l’ordre 1, 2, 3. Les vecteurs de tensions simples ont les coordonnées suivantes :
FIGURE 1.5 – (a) Système direct (b)Système inverse
M.Khaterchi-K.Rejeb
9
Les systèmes triphasés équilibrés
1.4 Étude des tensions composées
Les tensions composées sont les tenions entre deux phases.
FIGURE 1.6 – Tensions composées (Ph-Ph)
Elles ont la même fréquence que les tensions simples. Elles peuvent être exprimées en fonction
des tensons simples par :
u12 = v1 − v2 u23 = v2 − v3 u31 = v3 − v1
1.4.1 Représentation de Fresnel
Nous avons reporté sur la figure 1.7 le diagramme de Fresnel des tensions simples et composées
délivrées par un système triphasé équilibré direct. Les coordonnées des vecteurs tensions composées sont données comme suit :
FIGURE 1.7 – Diagramme de Fresnel des tenions composées
Les tensions composées constituent un système de tensions triphasées si et uniquement si le par rapport aux
système de tensions simples est un système équilibré. Elles sont en avance de
π 6
tensions simples. La somme des trois tensions composées est toujours nulle.
Dans le cas de distributions équilibrées, on a : U12 = U23 = U31 , avec U : valeur efficace de la
(cid:126)U12 + (cid:126)U23 + (cid:126)U31 = 0
tension composée.
10
M.Khaterchi-K.Rejeb
1.4.2 Représentation graphique
Les équations horaires des tensions composées s’écrivent :
1.4 Étude des tensions composées
√
√
u12(t) = U
u23(t) = U
u31(t) = U
2sin(ωt −
2sin(ωt −
√
2sin(ωt −
)
π 6 π ) 2 7π 6
)
FIGURE 1.8 – Représentation graphique des tensions composées
1.4.3 Relation entre U et V
On peut exprimer la valeur efficace de la tension composée U en fonction de la valeur efficace
de la tension simple V à travers la relation :
U = 2V cos(30) ⇒ U = 2V Donc
√
3 2
√
3V
U =
FIGURE 1.9 – Relation graphique en tre V et U
Cette relation est toujours vraie quelque soit la charge.
R
Pour décrire un réseau triphasé : – Si deux tensions sont mentionnées, ce sont les valeurs efficaces V et U, de la tension simple
v(t), et de la tension composée u(t). Exemple : Réseau 230/400 V
M.Khaterchi-K.Rejeb
11
Les systèmes triphasés équilibrés
– Si une seule tension est indiquée, il s’agit de la valeur efficace U de la tension composée
u(t).
1.5 Les récepteurs triphasés équilibrés
1.5.1 Définition
Definition 1.2 Un récepteur triphasé est constitué de trois dipôles aussi appelés enroulements ou phases. Si ces trois dipôles ont la même impédance, le récepteur est dit équilibré.
Les courants de ligne ou courants composés sont notés I. Les courants qui traversent les éléments récepteurs sont appelés courants de phase ou courants simples et sont notés J.
FIGURE 1.10 – Lignes et Récepteurs
Les récepteurs peuvent être liés aux lignes de deux façons différentes : par couplage en étoile
ou triangle.
1.5.2 Couplage étoile
Symbole : a - Montage : Dans le couplage étoile, les éléments sont liés selon le montage suivant :
FIGURE 1.11 – Schéma du couplage étoile
b - Relations entre les grandeurs :
Chaque branche est soumise à la tension simple V(t) et parcourue par le courant i(t), courant de ligne. Pour un système équilibré, les impédances sont égales, de ce fait :
Donc le courant dans le fil de neutre est égale à : in = 0. D’où, il n’est pas nécessaire. Dans le montage étoile, les courants de ligne sont égaux aux courants de phase.
i1 + i2 + i3 = 0
12
M.Khaterchi-K.Rejeb
1.5 Les récepteurs triphasés équilibrés
Vu que la charge et le réseau sont équilibrés, donc les valeurs efficaces sont égales.
i1 = j1; i2 = j2; i3 = j3
c - Puissances :
I1 = I2 = I3 = I = J
R
Théorèmes de Boucherot : Les puissances active et réactive absorbées par un groupement de dipôles sont respectivement égales à la somme des puissances actives et réactives absorbées par chaque élément du groupement.
P = P1 + P2 + P3 et Q = Q1 + Q2 + Q3
Pour un récepteur équilibré
P1 = P2 = P3 et Q1 = Q2 = Q3
=⇒ P = 3P1
et Q = 3Q1
* Puissance active dans un couplage étoile : Pour une phase de récepteur : P1 = V Icosϕ avec ϕ est le déphasage d’un courant en ligne par rapport à la tension simple correspondante ϕ((cid:126)I, (cid:126)V ).
Pour le récepteur complet : P = 3P1 = 3V Icosϕ, or V =
donc
√
P =
3U Icosϕ
U √ 3
FIGURE 1.12 – Représentation de Fresnel pour le couplage étoile
* Puissance réactive : De la même façon, on montre que :
* Puissance apparente :
√
Q =
3U Isinϕ
√
3U I
S =
Le facteur de puissance (critère d’évaluation – qualité – d’une transmission électrique) :
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k =
P S
= cos(ϕ)
M.Khaterchi-K.Rejeb
13
Les systèmes triphasés équilibrés
* Pertes par effet joule :
L’effet joule est la dissipation d’énergie électrique sous forme de chaleur dans les parties résistives du récepteur : Pour une phase de récepteur : Pj1 = rI 2 Entre deux bornes, la résistance vue est égale à R = 2r Donc pour un récepteur complet : Pj = 3Pj1
Pj = 3 rI 2 =
RI 2
3 2
1.5.3 Couplage triangle
Symbole : a - Montage :
Dans le couplage triangle, les éléments sont liés selon le montage suivant :
FIGURE 1.13 – Schémas du couplage triangle
b - Relations entre les grandeurs :
Chaque branche est soumise à la tension composée U(t) et parcourue par le courant j(t), courant de phase. Ce courant n’existe que pour ce type de couplage. Pour un système équilibré, les impédances sont égales, de ce fait :
Les courants de phase sont liés aux courants de ligne par les lois des nœuds aux bornes 1, 2, 3 :
i1 + i2 + i3 = 0 et j12 + j23 + j31 = 0
i1(t) = j12(t) − j31(t) i2(t) = j23(t) − j12(t) i3(t) = j31(t) − j23(t)
Le système triphasé est équilibré : I1 = I2 = I3 = I et J12 = J23 = J31 = J Le diagramme de Fresnel montre que les courants de ligne forment un système triphasé équilibré direct, et les courants de phase sont en avance de sur les courant de ligne, la relation entre les I √ 3
intensités efficaces I et J est donnée par : J =
π 6
R
Les déphasages pour les deux montages étoile et triangle sont les mêmes. Il s’agit du déphasage provoqué par le dipôle Z du montage.
ϕ∆( (cid:126)J, (cid:126)U ) = ϕY ((cid:126)I, (cid:126)V )
c - Puissances :
* Puissance active dans un couplage triangle : Pour une phase de récepteur : P1 = U Jcos(ϕ) avec ϕ est le déphasage d’un courant de phase par
14
M.Khaterchi-K.Rejeb
1.5 Les récepteurs triphasés équilibrés
rapport à la tension composée correspondante ϕ( (cid:126)J, (cid:126)U ).
Pour le récepteur complet : P = 3P1 = 3U Jcos(ϕ), on a J =
donc
I √ 3
√
P =
3U Icosϕ
FIGURE 1.14 – Diagramme de Fresnel pour un couplage triangle
* Puissance réactive : De la même façon, on montre que :
* La puissance apparente :
Le facteur de puissance :
√
Q =
3U Isinϕ
√
3U I
S =
k =
P S
= cos(ϕ)
* Pertes par effet joule : Si on ne considère que les parties résistives du récepteur : Pour une phase de récepteur : Pj1 = rJ 2 Entre deux bornes, la résistance vue est égale à R = 2r Donc pour un récepteur complet : Pj = 3Pj1
Pj = 3 rJ 2 =
RI 2
3 2
(cid:4) Exemple 1.1 Couplage d’un moteur triphasé Pour un réseau STEG de 400V, comment est branché un moteur triphasé 230/400 V ?
M.Khaterchi-K.Rejeb
15
Les systèmes triphasés équilibrés
Réseau 230/400 V, moteur 230/400 V ⇒ Couplage étoile car la plus petites des tensions correspond à la tension maximum supportée par un enroulement.
(cid:4)
1.6 Mesure de la puissance
Le wattmètre permet de mesurer la puissance active P en monophasé ou triphasé. Il possède au moins quatre bornes : deux bornes pour mesurer la tension et deux bornes pour mesurer le courant. Il y a donc deux branchements à réaliser : un branchement en parallèle (comme un voltmètre) pour mesurer la tension et un branchement en série pour mesurer le courant. Le wattmètre tient compte du déphasage.
FIGURE 1.15 – Wattmètre
Quelque soit le couplage du récepteur, il est toujours possible sur un réseau triphasé de mesurer la tension composée U ainsi que le courant en ligne I. (On ne peut mesurer la tension simple V que si le neutre est sorti, de même qu’on ne peut mesurer le courant entre phase J que si on a accès aux éléments du récepteur triphasé).
1.6.1 Ligne à quatre fils (neutre accessible)
En régime équilibré, un seul wattmètre suffit pour mesurer la puissance active, il se place entre
n’importe quelle phase et le neutre. Pour connaître la puissance totale P consommée par le récepteur, il suffit de multiplier par 3 la valeur indiquée par le wattmètre. Donc, P = 3.P1 où P1 est la puissance mesurée par le wattmètre.
1.6.2 Ligne à trois fils
Dans les cas les plus fréquents, lorsque le fil du neutre n’est pas sorti, une méthode plus performante est utilisée, elle nécessite deux wattmètres d’où son nom, méthode des deux wattmètres. Elle permet de calculer facilement la puissance active, ainsi que la puissance réactive consommée par une charge équilibrée, et ceci quelque soit son couplage.
Le wattmètre WA mesure la puissance P1, le wattmètre WB mesure la puissance P2. La puissance active P absorbée par le récepteur se calcule à partir des informations indiquées par les wattmètres, en utilisant la relation suivante :
P = P1 + P2
[W ]
16
M.Khaterchi-K.Rejeb
1.7 Relèvement du facteur de puissance en triphasé
FIGURE 1.16 – Mesure de la puissance
FIGURE 1.17 – Méthode de deux wattmètres
La puissance réactive Q absorbée par le moteur se calcule à partir des informations des wattmètres, en utilisant la relation suivante :
√
Q =
3(P1 − P2)
[V AR]
1.7 Relèvement du facteur de puissance en triphasé
Lorsque le facteur de puissance k est inférieur à 0.93, ce facteur sera considéré comme mauvais facteur de puissance (il faut payer des taxes). Pour relever le facteur de puissance de k à k’ (il doit s’approcher de 1), il faut placer une batterie de condensateurs C en tête de l’installation.
1.7.1 Batterie de condensateurs couplé en triangle
Chaque condensateur est soumis à la tension composée : U
Sa puissance active est nulle et il absorbe une puissance réactive : QC1 = −CωU 2 Puissance réactive absorbée par les trois condensateurs : Qc = 3QC1 = −3CωU 2 Et celle absorbée par l’ensemble charge + batterie : Q(cid:48) = Q + Qc = P.tg(ϕ(cid:48)) On détermine la capacité C d’un condensateur en utilisant la relation ci-dessous :
Qc = Q(cid:48) − Q = P.tg(ϕ(cid:48)) − P.tg(ϕ)
d’où :
M.Khaterchi-K.Rejeb
17
Les systèmes triphasés équilibrés
FIGURE 1.18 – Couplage triangle des condensateurs
C =
P.tg(ϕ) − P.tg(ϕ(cid:48)) 3ωU 2
1.7.2 Batterie de condensateurs couplé en étoile
FIGURE 1.19 – Couplage étoile des condensateurs
En utilisant le même raisonnement que précédemment, on montre que la capacité du conden-
sateur est donnée par la relation :
C =
P.tg(ϕ) − P.tg(ϕ(cid:48)) ωU 2
Le couplage en étoile est moins intéressant puisque la capacité des condensateurs nécessaires est trois fois plus grande que pour le couplage en triangle. Plus la capacité est grande, plus le condensateur est volumineux et onéreux.
18
M.Khaterchi-K.Rejeb
2 — Distribution basse tension
Une installation électrique Basse Tension (B.T) est régie par des textes classés en deux catégo-
ries :
– les textes réglementaires (décrets ou arrêtés) relatifs à la protection des travailleurs dans les
établissements qui mettent en œuvre des courants électriques. – les textes normatifs (règles de conception) : norme NFC-15-100.
Pour concevoir une installation, il faut avoir toutes les informations sur les récepteurs à alimenter :
– leur mode de fonctionnement (normal, démarrages fréquents), – leur localisation dans le plan, – leurs puissances installées, utilisées et à prévoir.
2.1 Structure des installations Basse Tension (BT)
Les installations sont présentées sous la forme d’un schéma unifilaire, un schéma électrique général permettant de représenter les principaux équipements électriques et leurs interconnexions. L’architecture BT est composée de trois niveaux, Figure 2.1 :
Distribution principale :
Niveau amont de l’architecture, depuis le raccordement au réseau public jusqu’aux équipements
de répartition de la BT sur le site (Tableau Général Basse Tension – TGBT).
Distribution secondaire :
Niveau intermédiaire de l’architecture, en aval du niveau principal jusqu’aux tableaux division-
naires (répartition spatiale et fonctionnelle de l’énergie électrique dans les circuits).
Distribution terminale :
Niveau aval de l’architecture, en aval des tableaux divisionnaires, jusqu’aux charges.
2.2 Caractéristiques des installations BT
Afin de concevoir une installation, il est nécessaire d’estimer le plus justement possible la puissance maximale que devra fournir le distributeur d’énergie. L’estimation de cette puissance nécessite d’évaluer quelques facteurs prenant en compte :
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– la diversité : les récepteurs ne fonctionnent pas tous simultanément pour un groupe donné, – le niveau d’utilisation réel des récepteurs installés : un récepteur n’est pas utilisé généralement
à sa pleine charge,
– les extensions de charges possibles.
Distribution basse tension
FIGURE 2.1 – Structure d’une distribution BT
2.2.1 La puissance d’utilisation
Pour caractériser une installation électrique, on définit les puissances suivantes :
Definition 2.1 — Puissance installée (kW). La puissance installée est la somme des puissances nominales de tous les récepteurs de l’installation. L’indication de la puissance nominale (Pn) est marquée sur la plupart des appareils et équipements électriques.
En pratique, la puissance nominale n’est pas toujours la puissance réellement consommée par le récepteur. Par exemple, dans le cas d’un moteur électrique, la puissance nominale correspond à la puissance de sortie sur son arbre, ou puissance utile Pu. La puissance absorbée est évidemment plus importante.
Definition 2.2 — Puissance absorbée Sa (kVA). La puissance apparente absorbée par une charge est obtenue à partir de sa puissance nominale Pn.
Elle est donnée par la formule suivante :
Sa =
Pn η × cos(ϕ)
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2.2 Caractéristiques des installations BT
: rendement
où :
η =
P sortie P entr´ee
cos(ϕ) : facteur de puissance
De fait que les récepteurs ne fonctionnent pas tous ni en même temps ni à pleine charge : des facteurs de correction permettant de pondérer la puissance apparente maximale réellement absorbée par chaque récepteur et groupes de récepteurs.
Definition 2.3 — Puissance d’utilisation Su (kVA). La puissance d’utilisation Su est la somme arithmétique de ces puissances apparentes valorisées. Elle représente une donnée significative pour la souscription d’un contrat de fourniture en énergie électrique à partir d’un réseau publique BT ou HTA et pour le dimensionnement du transformateur HTA/BT).
2.2.2 Les facteurs de correction
Facteur d’utilisation maximale (ku)
Le régime de fonctionnement normal d’un récepteur peut être tel que sa puissance utilisée soit
inférieure à sa puissance nominale installée, d’où la notion de facteur d’utilisation. Le facteur d’utilisation s’applique individuellement à chaque récepteur. Ceci se vérifie pour des équipements comportant des moteurs susceptibles de fonctionner en dessous de leur pleine charge. Dans une installation industrielle, ce facteur peut être estimé en moyenne à 0.75 pour les moteurs. Pour l’éclairage et le chauffage, il sera toujours égal à 1.
Facteur de simultanéité (ks)
Tous les récepteurs installés ne fonctionnent pas simultanément. C’est pourquoi il est permis d’appliquer aux différents ensembles de récepteurs (ou de circuits) des facteurs de simultanéité. Le facteur de simultanéité s’applique à chaque regroupement de récepteurs (exemple au niveau d’un tableau terminal, d’un tableau divisionnaire, d’une armoire...). La détermination de ces facteurs de simultanéité implique la connaissance détaillée de l’installation et de ses conditions d’exploitation. Des valeurs précises applicables à tous les cas ne peuvent donc pas être précisées.
2.2.3 Exemple de calcul de la puissance d’utilisation
(cid:4) Exemple 2.1 On considère l’installation suivante. Cette installation est constituée de deux ateliers : - Le 1er atelier contient deux fours de 15 kVA chacun, leur facteur de simultanéité est de 0.8, et 20 tubes fluos qui absorbent 2 kVA. - Le 2`eme atelier contient deux moteurs de 5 kVA chacun, utilisés à 80% de leur pleine charge, leur facteur de simultanéité est de 0.75, 10 tubes fluos absorbent 1 kVA et 5 prises de courant alimentant des charges diverses de puissance totale 18 kVA, de facteur de simultanéité égale à 0.2.
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Distribution basse tension
Le tableau suivant résume l’estimation de la valeur de la puissance d’utilisation à tous les niveaux de l’installation, à partir des charges jusqu’au point d’alimentation :
Dans cet exemple, pour une somme de puissances absorbées de 61 kVA correspond une puissance d’utilisation aux bornes du transformateur de 26.35 kVA seulement. (cid:4)
2.3 Choix de la puissance nominale du transformateur
Quand une installation doit être alimentée par un transformateur HTA/BT et que la puissance d’utilisation de l’installation a été déterminée, un dimensionnement approprié du transformateur peut être déterminé en tenant compte :
– des possibilités d’amélioration du facteur de puissance de l’installation, – des extensions prévisibles de l’installation, – des contraintes d’installation (température...), – et des puissances nominales existantes.
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2.4 Les appareillages dans les installations BT
Le transformateur est choisi de sorte que sa puissance nominale soit supérieure à la puissance
d’utilisation
Sn ≥ Su
Le tableau de la figure 2.2 présente les différentes puissances apparentes normalisées des transfor- mateurs HTA/BT triphasés et les intensités nominales correspondantes :
FIGURE 2.2 – Puissances normalisées des transformateurs HTA/BT
2.4 Les appareillages dans les installations BT
Le rôle de l’appareillage électrique est d’assurer la protection électrique, le sectionnement et la
commande des circuits.
2.4.1 Le sectionnement
Les équipements de sectionnement ont pour but de séparer et d’isoler un circuit ou un appareil du reste de l’installation électrique afin de garantir la sécurité des personnes ayant à intervenir sur l’installation électrique pour entretien ou réparation. La norme NF C 15-100 § 462-1 impose que tout circuit électrique d’une installation puisse être sectionné. Dans la pratique, afin d’assurer une continuité de service optimale, on installe généralement un dispositif de sectionnement à l’origine de chaque circuit. Exemple : sectionneur, interrupteur, ...
2.4.2 La commande des circuits
On regroupe généralement sous le terme ’commande’ toutes les fonctions qui permettent à l’exploitant d’intervenir volontairement à des niveaux différents de l’installation sur des circuits en charge. Leur but est d’assurer en service normal la mise en et hors tension de toute ou partie de l’installation, elle est située au minimum à l’origine de toute installation ou au niveau des récepteurs. Exemple : interrupteur, télérupteur, arrêt d’urgence, ...
2.4.3 La protection électrique
C’est la protection :
– des biens contre les surintensités dues aux surcharges ou aux courants de court-circuit consécutifs. Ces protections, en général assurées par des disjoncteurs, fusibles ou relais thermiques, qui doivent être installées à l’origine de chaque circuit.
– des personnes contre les défauts d’isolement. Selon le schéma de liaison à la terre, la protection sera réalisée par disjoncteurs, dispositifs différentiels ou contrôleur d’isolement.
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Distribution basse tension
2.5 Le disjoncteur
Un disjoncteur est un appareil mécanique de connexion capable d’établir, de supporter et
d’interrompre un courant dans un circuit électrique. Son rôle est d’assurer une coupure automatique réarmable en effectuant deux fonctions :
– la protection contre les surcharges et les court-circuits (fonctionnement disjoncteur), – la commande (fonctionnement sectionnement).
Les disjoncteurs sont aujourd’hui reconnus dans le monde entier comme le moyen le plus efficace pour assurer la protection des personnes et des biens contre les risques électriques en basse tension (BT). Leur choix et leur utilisation optimale nécessitent une bonne connaissance des règles d’installation électrique, notamment des schémas des liaisons à la terre, des technologies existantes et de leurs performances. Les disjoncteurs sont essentiellement destinés à la protection des circuits, des transformateurs, des sources d’énergie, des couplages entre circuits différents, etc.
2.5.1 Les différents types des disjoncteurs
Les types des disjoncteurs dépendent de la nature du déclencheur utilisé. Les déclencheurs
sont d’une très grande diversité. On distingue :
Les déclencheurs magnéto-thermiques
En condition de surcharge, c’est l’atteinte d’un échauffement significatif d’un courant déterminé, (ou d’une température pour beaucoup d’entre eux) qui provoque le déclenchement grâce à un élément thermo-mécaniques, généralement un bilame. En condition de court-circuit, à partir d’un certain seuil de courant, les déclenchements seront assurés en instantané par un circuit magnétique qui actionne une palette ou un noyau.
Les déclencheurs électroniques
Leur objectif consiste à évaluer le courant qui traverse les pôles du disjoncteur pour agir en
conséquence sur un dispositif de déclenchement. Leurs intérêts résident dans la grande précision des seuils recherchés, les courbes de déclenchement réglables selon l’emploi et les possibilités d’information locale ou à distance.
2.5.2 Disjoncteur magnéto-thermique
Les disjoncteurs modulaires magnéto-thermiques possèdent une détection contre : – les surcharges, détection thermique, – les courts-circuits, détection magnétique. La figure 2.3 présente la structure interne du disjoncteur magnéto-thermique : Ces dispositifs peuvent être unipolaires, bipolaires, tripolaires ou tétrapolaires. La norme NF C 15-100 impose que, dans toute installation électrique, tous les conducteurs actifs (phase et neutre) soient protégés, commandés et sectionnés.
Principe de fonctionnement Thermique :
Une lame bimétallique (bilame) est parcourue par le courant. Le bilame est calibré de telle
manière qu’avec un courant nominal In, elle ne subisse aucune déformation. Par contre si des surcharges sont provoquées par les récepteurs, en fonction du temps, la lame va se déformer et entraîner l’ouverture du contact en 0.1 sec au minimum. Une surcharge de courant crée l’échauffement et la déformation du bilame.
Magnétique :
En service normal, le courant nominal circulant dans la bobine, n’a pas assez d’influence magnétique (induction magnétique) pour pouvoir attirer l’armature mobile fixée sur le contact mobile. Le circuit est fermé. Si un défaut apparaît dans le circuit aval du disjoncteur de canalisation, l’impédance du circuit
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2.5 Le disjoncteur
FIGURE 2.3 – Structure interne du disjoncteur magnéto-thermique
diminue et le courant augmente jusqu’à atteindre la valeur du courant de court-circuit. Dès cet instant, le courant de court-circuit provoque une violente aimantation de l’armature mobile. Cela a comme conséquence d’ouvrir le circuit aval du disjoncteur en 0.1 sec au maximum.
Symbole
La figure 2.4 présente le symbole d’un disjoncteur magnéto-thermique. Généralement, on ne
représente pas les déclencheurs.
FIGURE 2.4 – Symbole du disjoncteur magnéto-thermique
Marquage 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.
– Intensité assignée : c’est la valeur de courant que le disjoncteur peut supporter indéfiniment
sans déclencher dans certaines conditions.
– Polarité : Unipolaire, bipolaire, tripolaire ou tétrapolaire. – Type de courbe : les normes internationales et françaises définissent différentes plages de
déclenchement magnétique. Voir § 2.5.3
– Pouvoir de coupure :voir § 2.5.4
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Distribution basse tension
– Tension assignée : tension sous laquelle le disjoncteur peut être utilisé. – Classe de limitation : c’est l’aptitude d’un disjoncteur à ne laisser passer sur court-circuit,
qu’une faible partie du courant de défaut présumé.
FIGURE 2.5 – Exemple de marquage d’un disjoncteur unipolaire 1Ph + N
2.5.3 Courbe de déclenchement
La courbe de fonctionnement du disjoncteur, ou courbe de déclenchement, est située dans une zone définie par la norme. En effet, la réaction du disjoncteur vis-à-vis des défauts est classée en deux zones :
– Zone A : zone du fonctionnement du déclencheur thermique – Zone B : zone du fonctionnement du déclencheur magnétique
FIGURE 2.6 – courbe de déclenchement
Les courbes temps-courant des déclencheurs magnéto-thermiques sont tracées en fonction des
multiples du courant nominal In du déclencheur, portés en abscisse. on distingue sur la courbe la valeur de l’intensité de déclenchement magnétique, c’est l’intensité minimale qui provoque le déclenchement du disjoncteur par le dispositif électromagnétique dans un temps inférieur à 10 ms.
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2.5 Le disjoncteur
FIGURE 2.7 – courbes normalisées de déclenchement
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Distribution basse tension
Selon le domaine d’application du disjoncteur, il existe différentes courbes de déclenchement : – Courbe B : son magnétique très bas permet d’éliminer les courts-circuits de très faible valeur. (Exemple : lorsque la ligne qu’il protège est très longue, limitant alors le court-circuit en bout de ligne à une valeur faible). Son courant de déclenchement magnétique varie de 3 à 5 fois In
– Courbe C : c’est la courbe de fonctionnement la plus usuelle, elle correspond aux installations
normales. Elle couvre une très grande majorité des besoins. Son courant de déclenchement magnétique varie de 5 à 10 fois In.
– Courbe D : il est à utiliser pour la protection des circuits où il y a de très fortes pointes de courant à la mise sous tension. (Exemple : transformateurs dont les points d’intensité peuvent atteindre 20 In, ballast électronique...). Son courant de déclenchement magnétique varie de 10 à 14 fois In.
– Courbe Z : application spécifique sur circuits sensibles ayant un microprocesseur. – Courbe MA : Déclenchement à 12 fois In sans dispositif thermique, le déclenchement est
uniquement magnétique (protection des démarreurs des moteurs).
2.5.4 Pouvoir de coupure
C’est la plus grande intensité de court-circuit que peut interrompre le disjoncteur dans les
conditions déterminées par les normes (tension, cos(ϕ), court-circuit présumé...). Il doit être capable, après ces coupures, de fonctionner normalement et de répondre encore aux exigences des normes. Donc, un disjoncteur doit avoir un pouvoir de coupure au moins égal au courant de court-circuit présumé au po