Conception et utilisation de fusibles limiteurs MT
Les authors: Bouiellez O., Quesada Juan Carlos Perez
Les caracteristiques assignees
1. Rappel
La norme CEI 60282-1 de finit trois classes de fusibles limiteurs de courant selon la zone dans laquelle ils peuvent e tre utilises :
Fusible associe
Pour les applications dans lesquelles on peut montrer par le calcul ou par experience en service que de faibles valeurs de courant de de faut sont improbables. Mais, il faut s'assurer que le courant minimal de coupure assigne de l'element de remplacement est infe rieur au plus petit courant de court-circuit susceptible d'apparaitre en amont du dispositif de protection a basse tension.
Fusible d'usage general
Lorsque l'experience ou le calcul indiquent qu'il peut y avoir de tre s faibles surintensite s sur le reseau (c'est-a-dire inferieure a environ quatre fois le courant assigne du fusible).
Fusible a coupure integrale
Particulie rement recommande pour les applications ou les surintensite s de courant peuvent e tre aussi faibles que le courant minimal de fusion du fusible et lorsque l’e le ment doit e tre de classe pour e tre utilise dans une enveloppe.
Ce Cahier Technique, principalement applicable aux fusibles associe s, traite de concepts qui sont applicables a toutes les classes de fusibles. Les quelques de finitions de base qui suivent peuvent constituer les bases d'un dictionnaire du fusible et faciliter les e changes sur ce sujet entre les fabricants de fusibles, les concepteurs d’installation et les exploitants.
2. UN tension assignee
C'est la tension de service entre phases (exprime e en kV) la plus eleve e du reseau sur lequel pourra etre installe le fusible.
Les normalisateurs ont fixe une liste de valeurs pre fe rentielles pour les tensions assignees. Les essais normalise s garantissent le bon fonctionnement d'un fusible de tension assignee.
Figure 1: liste de valeurs preferentielles (kV) fixee par les normalisateurs.
Il est, pour des raisons de coupure, impossible d'utiliser un fusible de tension UN sur un reseau dont URes est supe rieure a UN. Le contraire obligatoire, est parfois possible jusqu'a des valeurs de UN bien supe rieures a celle du reseau. Cela est possible gra ce a certaines particularite s de conception qui limitent le niveauå de surtension de coupure Up et permettent au constructeur (et a lui seul) de garantir un comportement sain du fusible.Par exemple, dans le cas d'un re seau dont URes est de 10 kV, il convient de se lectionner un fusible de tension UN = 12 kV. Dans le cas de la gamme Fusarc-CF, il est tout a fait possible, pour d'e ventuelles raisons de standardisation, d'installer un fusible de UN = 17,5 kV ou me me 24 kV.
Cas d'utilisation en monophase
Les fusibles sont normalement concus pour etre utilises sur un re seau triphase. Dans ce cas, la tension de retablissement qui leur est appliquee apres coupure sur court-circuit est egale a :
Le coefficient 1,5 est du au de phasage des zeros de courant, dans un re seau triphase , qui induit un glissement du point neutre lors de la coupure du premier fusible. Un fusible de tension assigne e UN est donc, en monophase (cf. fig. 2), essaye a:
Dans le cas d'utilisation sur un reseau monophase de tension URes, il convient donc de selectionner un fusible tel que:
Figure 2: tension aux bornes d’un coupe-circuit en cas de defaut triphase sur un reseau a neutre isole.
3.IN courant assigne
Le courant assigne , lui aussi choisi dans une liste preferentielle, est celui qui, parcourant l'ele ment de remplacement installe sur un socle donne , provoque des e chauffements n'excedant pas des valeurs normalisees (variable selon la nature des materiaux, environ 65 K pour les contacts). Il faut e galement que l'ensemble du coupe-circuit soit capable de supporter sans dommage ce courant en permanence. Cette seconde contrainte est tre s ge ne ralement moinssevere que la premiere.
Il convient de noter que cette conside ration purement thermique est modifiee des que l'ele ment de remplacement est installe differemment. C'est le cas des fusibles places dans des enveloppes et, dans une moindre mesure, lorsque l'element de remplacement est monte sur un socle different de celui utilise pour l'essai. Selon le montage et l'environnement de l'element de remplacement, le courant assigne , caracteristique ve rifiee par les constructeurs de fusibles, doit etre affecte d'un coefficient correcteur et cela de s que la temperature de son environnement de passe 40 C.
4. I3 courant minimal de coupure
Le courant I3 est une valeur limite a respecter pour que la fusion d'un fusible provoque assurement la coupure d'un circuit electrique.
Contrairement a une opinion tres repandue, il ne suffit pas, pour un court-circuit MT, qu'un fusible fonde pour qu'il interrompe le courant. Pour des valeurs de courant infe rieures a I3, le fusible fond, mais peut ne pas couper: l'arc reste maintenu jusqu'a ce qu'une intervention exterieure interrompe le courant. Il faut donc absolument e viter de solliciter un coupe-circuit dans la zone comprise entre IN et I3. Les valeurs usuelles de I3 sont comprises entre 2 et 6 IN.
5. I2 courant donnant des conditions voisines de l'energie d'arc maximale
Determine e a partir des caracteristiques defusion du coupe-circuit, cette valeur de courant donne un temps de pre arc d'environ 5 ms. Elle permet aux essayeurs et aux constructeurs de garantir la coupure pour toute la zone de courant comprise entre I3 et I1.
La valeur de I2, de pendant de la conception des ele ments fusibles, se situe environ entre 50 et 100 IN.
6. I1 ou pouvoir de coupure maximal
Il s'agit du courant presume de de faut le plus eleve que le fusible peut interrompre. Cette valeur est la valeur maximale a laquelle l'element de remplacement a ete essaye . Il est donc necessaire de s'assurer que le courant de court-circuit du reseau est au plus egal au courant I1 du fusible se lectionne. Le courant I1 est tre s eleve: de 20 kA a 50 kA, voire plus.
Lorsqu'un courant de court-circuit apparait, l'ele ment fusible fond en quelques millisecondes. Immediatement, une tension d'arc apparait qui, opposee a celle du generateur et superieure a cette derniere, tend a reduire la valeur du courant. Le fusible se comporte comme une resistance variable qui, de quasi nulle avant la fusion, augmenterait jusqu'au zero du courant, provoquant une modification simultanee de la valeur du courant et du dephasage entre ce dernier et la tension du generateur (cf. fig. 3).
Deux notions decoulent de ce processus:
la tension d'arc maximale Up ou tension de coupure, qu'il importe de minimiser,
le courant Ip qui est la valeur instantanee du courant de court-circuit qui traverse reellement le coupe-circuit.
Ip, appele courant coupe limite , est souvent plus faible que I1, qui est appele courant presume car n'e tant jamais observe a l'aval du fusible. Up et Ip sont deux parame tres associes, car un Ip petit sera facilement obtenu avec un Up grand.
Figure 3: diagrammes d’une coupure a I1
La coexistence d'un Ip petit (limitation des contraintes a l'aval des fusibles) et d'un Up bas (gage d'utilisation a une tension URes faible devant UN) sont donc des signes d'une maitrise dans la conception des fusibles MT.
7. Caracteristique temps–courant
A une valeur efficace de courant correspond, pour chaque type d'ele ment de remplacement,une duree de fusion ou de prearc. Une courbe trace e sur une e chelle logarithmique normalisee, permet de retrouver la duree de prearc pour chaque valeur du courant (cf. fig. 4).
Cette courbe ne concerne que le prearc. Il convient donc de rajouter le temps d'arc (5 a 50 ms typiquement) pour obtenir un fonctionnement total. Par ailleurs, les durees de prearc pour des courants inferieurs a I3 peuvent etre mentionnees. Dans ce cas, la courbe est trace e en pointille s. Il est ainsi possible de retrouver la valeur de I3 (limite du trait plein) sur ce diagramme.
Cette courbe, qui se prolonge jusqu'a atteindre une duree de prearc de 600 s, est donnee avec une tolerance de 10 % sur la valeur du courant.
Figure 4: duree de prearc fonction de la valeur efficace du courant.
De facon conventionnelle, cette courbe represente une duree virtuelle de prearc, donnee par la valeur de l'integrale de joule divisee par le carre de la valeur efficace du courant presume
Cette duree est proche de la duree de pre arc qui serait obtenue avec un courant continu de valeur Ip de courant Ieff (cf. fig. 5 ).
Figure 5: courbe representant la duree virtuelle de prearc
En courant alternatif, ces courbes sont a utiliser avec precautions. Dans une zone comprise entre 0 et 0,1 s, pour un courant donne, les durees de prearc peuvent varier d'un rapport 1 a 3 selon la frequence, le cos? du circuit et l'instant.
A titre d'exemple, la figure 6 represente les durees reelle (a) et virtuelle (b) de pre arc d'un Fusarc-CF - 25 A sur un circuit de cos ? = 0,1 t (ms) pour divers angles d'e tablissement d'un court- circuit de 500 A.
Figure 6: durees reelle (a) et virtuelle (b) de prearc d'un Fusarc-CF - 25 A (Merlin Gerin).
8. Le courant coupe limite
Complement indispensable a la caracteristique de court-circuit est limite , de determiner la valeur temps– courant, cette courbe permet, pour les Ip du courant limite en fonction du courant valeurs de courant proches de I1 ou le courant presume (cf. fig. 7).
Figure 7: valeur Ip du courant limite en fonction du courant presume.
9. L’energie dissipee
Dans le cas d’un court-circuit, l'amplitude du courant limite de pend des caracteristiques constructives du coupe-circuit, et la valeur de l'integrale I2dt, permet de determiner l'energie dissipe e dans le circuit aval, et ainsi de calculer son dimensionnement.
10. La puissance dissipee
Lorsqu'il est parcouru par son courant assigne, un element de remplacement dissipe une certaine puissance.
Cette donnee est souvent utile pour le dimensionnement des enveloppes destine es a contenir l'appareillage. Elle est, helas, tres de pendante de l'enveloppe elle-me me, ainsi que de sa ventilation. En effet, la puissance dissipee par le fusible est fonction de la resistance des elements fusibles qui est elle-me me dependante de leur temperature qui depend des conditions de refroidissement dans l'enveloppe.
Ainsi que son courant assigne IN, la puissance dissipee par un coupe-circuit est donnee dans une certaine configuration thermique.
A titre d'exemple, la puissance dissipee dans les conditions normalise es (element de remplacement vertical a l'air libre) par les Fusarc-CF est de l'ordre de 1,7 x R x IN2 avec:
R = resistance a froid.
1,7 = coefficient lie au refroidissement, il peut atteindre 2 ou 3, voire plus pour un fusible installe dans une enceinte fermee.