Circuit de protection

Un disjoncteur est un organe électromécanique, voire électronique, de protection, dont la fonction est d'interrompre le courant électrique en cas d'incident sur un circuit électrique. Il est capable d'interrompre un courant de surcharge ou un courant de court-circuit dans une installation. Suivant sa conception, il peut surveiller un ou plusieurs paramètres d'une ligne électrique. Sa principale caractéristique par rapport au fusible est qu'il est réarmable (il est prévu pour ne subir aucune avarie lors de son fonctionnement).

Cet article ne traite que des disjoncteurs basse tension, les disjoncteurs haute tension font l'objet d'un article spécifique, intitulé « disjoncteur à haute-tension ».

Sommaire 1 Différentes techniques utilisées par les disjoncteurs 1.1 Thermique 1.2 Magnétique 1.2.1 Courbe de déclenchement 1.3 Différentiel 1.4 Magnéto-thermique 1.5 Électronique 1.5.1 Principe 1.5.2 Composants 1.5.3 Utilisation 1.6 Hydraulique 2 Constantes de temps 3 Pouvoir de coupure 3.1 Aptitude au sectionnement 4 Voir aussi 4.1 Liens externes

Différentes techniques utilisées par les disjoncteurs

Thermique

Le courant traverse le disjoncteur où des spires de fil chauffent par effet Joule un bilame, à une certaine température le bilame se déclenche ouvrant le contact et interrompant ainsi le courant.

• Ce système électromécanique est assez simple et robuste.
• Par contre, il n'est pas très précis et son temps de réaction est relativement lent (c'est le but).

C'est l'une des fonctions classiquement remplies par un fusible gG (anciennement gl - usage général).

La protection thermique a pour principale fonction la protection des conducteurs contre les échauffements dus aux surcharges prolongées de l'installation.

Magnétique

La forte variation d'intensité passe au travers des spires d'une bobine (repère 7 sur la photographie 'Éclaté d'un disjoncteur'). Elle produit, selon les règles de l'électromagnétisme, une forte variation du champ magnétique. Le champ ainsi créé déclenche le déplacement d'un noyau de fer doux qui va mécaniquement ouvrir le circuit et ainsi protéger la source et une partie de l'installation électrique, notamment les conducteurs électriques entre la source et le court-circuit.

L'interruption est « instantanée » dans le cas d'une bobine rapide ou « contrôlée » par un fluide dans la bobine qui permet des déclenchements retardés. Il est généralement associé à un interrupteur de très haute qualité qui autorise des milliers de manœuvres.

• Ce fonctionnement peut remplacer le fusible sur les courts-circuits.
• Suivant le type de disjoncteur, la valeur d'intensité de consigne va de 3 à 15 fois l'intensité nominale (pour les modèles courants).
• De nombreuses autres possibilités existent, déclenchement par bobine tension (consigne provenant de capteurs), interrupteur/disjoncteur pour montage face avant, compatible bitension 100/220 volts, bobine sous voltage (disjoncteur maintenu à partir d'une consigne tension), déclenchement à distance, réarmement à distance.
• Nombreuses courbes de déclenchement pour CC, CA 50/60 Hz et 400 Hz.
• Une option étanche est généralement disponible, soit version face avant étanche, soit entièrement (IP67).

C'est la fonction remplie par un fusible aM (accompagnement moteurs). Pour démarrer, un moteur demande, pendant quelques instants, une brève surintensité pouvant aller jusqu'à dix fois son intensité normale de fonctionnement. Cette surintensité, normale, ne doit toutefois pas déclencher le dispositif de protection. Ainsi, les fusibles de type aM sont conçus pour pouvoir absorber pendant un court instant un pic d'intensité supérieur à la valeur de protection. Par contre, en cas de surintensité (d'une valeur inférieure mais plus longue) : le dispositif coupera logiquement l'alimentation électrique.

La protection magnétique a pour principale fonction la protection des équipements contre les défauts (surcharge de l'équipement, court-circuit, panne...). Il est choisi par l'ingénieur qui a le souci de protéger son équipement avec une très grande précision.

Courbe de déclenchement

Courbe B

• Seuil de déclenchement du magnétique entre 3 et 5 ou 3,2 et 4,8 fois l'intensité nominale selon les appareils, et conforme à la norme NF C 61-410, EN 60898 et IEC 947.2
• Déclencheur thermique standard

Courbe C

• Seuil de déclenchement du magnétique entre 5 et 10 ou 7 et 10 fois l'intensité nominale selon les appareils, et conforme à la norme NF C 61-410, EN 60898 et IEC 947.2
• Déclencheur thermique standard

Courbe D

• Seuil de déclenchement du magnétique entre 10 et 14 fois l'intensité nominale conformément à la norme IEC 947.2
• Déclencheur thermique standard

Courbe MA

• Seuil de déclenchement du magnétique à 12 (± 20%) fois l'intensité nominale conformément à la norme IEC 947.2
• Pas de déclencheur thermique

Courbe K

• Seuil de déclenchement du magnétique entre 10 et 14 fois l'intensité nominale conformément à la norme IEC 947.2
• Déclencheur thermique standard

Courbe Z

• Seuil de déclenchement du magnétique entre 2,4 et 3,6 fois l'intensité nominale conformément à la norme IEC 947.2
• Déclencheur thermique standard

Différentiel

Un disjoncteur différentiel est un interrupteur différentiel possédant un pouvoir de coupure (extinction de l'arc) et réalisant également une protection contre le courant de court-circuit (surcharge forte).

Le principe d'un dispositif différentiel à courant résiduel (DDR) est de comparer les intensités sur les différents conducteurs qui le traversent. Par exemple, en monophasé, il compare l'intensité circulant dans le conducteur de phase, et celle du conducteur de neutre. C'est un appareil de protection des personnes qui limite les risques d'électrocution en détectant les fuites de courant à la terre de l'installation électrique.

Le dispositif différentiel est basé sur le principe suivant : dans une installation normale, le courant électrique qui arrive par un conducteur doit ressortir par un autre. Dans une installation monophasée, si le courant dans le conducteur de phase au départ d'un circuit électrique est différent de celui du conducteur neutre, c'est qu'il y a une fuite. La différence d'intensité du courant à laquelle réagit un disjoncteur est appelée la "sensibilité différentielle du disjoncteur" (obligatoirement 30 mA sur les circuits terminaux domestiques), notée IΔn ("i delta n").

Son fonctionnement est très simple : chaque conducteur passe dans un tore magnétique, formant ainsi des champs électromagnétiques de force identique et en opposition qui s'annulent. En cas de différence, d'où son nom de différentiel, le champ électromagnétique résultant actionne un dispositif qui coupe immédiatement le courant.

Il existe plusieurs classes de dispositifs différentiels :

• Les dispositifs de classe AC.
• Les dispositifs de classe A sont prévus pour les circuits dédiés, cuisinières, plaques de cuisson à induction, lave-linge, dont le fonctionnement produit des courants résiduels comportant une composante continue. La sécurité des personnes reste assurée, le risque de déclenchement injustifié reste limité. Les dispositifs différentiels de classe AC ne se déclenchent parfois pas sur ce type de courant de défaut. Dans le tertiaire, ce type de dispositif (interrupteur différentiel ou disjoncteur différentiel) est obligatoire sur les circuits ou les matériels de classe 1 (¹) qui sont susceptibles de produire le type de phénomène décrit ci-dessus.
• Les dispositifs de classe HI (également appelés Hpi ou Si suivant les fabricants). Ce type de dispositif différentiel bénéficie d’une immunisation complémentaire contre les déclenchements intempestifs. Ils sont aussi recommandés pour les circuits nécessitant une continuité du service, tels que des congélateurs ou les circuits informatiques (généralement dans le Secteur tertiaire).

(norme NF C 15-100)

(¹) : Classe_de_protection

Magnéto-thermique

Électronique

Il faut distinguer les disjoncteurs à déclencheur électronique, présentés dans ce paragraphe, des disjoncteurs électroniques qui interrompent le courant de court-circuit à l'aide de composants électroniques puissants et rapides, mais sont incapables d'assurer un sectionnement.

Un déclencheur électronique peut réaliser les fonctions des déclencheurs thermiques et / ou magnétiques, c'est à dire détecter selon le cas les courants de surcharge ou les courants de court-circuit pour provoquer l'ouverture des contacts.

Il se compose toujours d'un dispositif de mesure du courant (shunt, ou le plus souvent transformateur de courant à fer ou à air), d'un dispositif de traitement électronique de la mesure (comparaison du courant mesuré à une valeur définie), et d'un dispositif de déclenchement (un électro-aimant qui libère le mécanisme d'ouverture).

L'intérêt d'un déclencheur électronique est de pouvoir disposer d'une large plage de réglage (du niveau de déclenchement, du délai de déclenchement), d'inclure éventuellement des algorithmes sophistiqués de détection de courant de défaut, par exemple en prenant en compte la dérivée du courant, de permettre la transmission de l'état du disjoncteur, de la mesure du courant, etc.. vers un automatisme de surveillance du réseau.

Son inconvénient est de nécessiter une alimentation en prélevant l'énergie nécessaire :

• sur le courant (appareil dit à « propre courant ») : un délai est nécessaire après la mise sous tension pour que l'alimentation ait accumulé une énergie suffisante pour être capable de déclencher l'ouverture. Ces déclencheurs ne peuvent réagir aussi rapidement qu'un magnétique.
• Sur le réseau : un dispositif doit empêcher la fermeture du disjoncteur tant que l'alimentation par la tension du réseau n'est pas assurée.
• Sur un réseau séparé qui doit être sécurisé.

En effet, un disjoncteur doit pouvoir déclencher dès l'apparition d'un court-circuit, y compris celui résultant de sa propre fermeture !

Il est aussi coûteux, ce qui le réserve aux appareils puissants ou haut de gamme.

Principe

Deux des techniques précédemment décrites sont associées afin de veiller sur plusieurs paramètres :

• surcharge, effet thermique, la réponse au dysfonctionnement est alors lente (la coupure du circuit peut prendre de quelques dixièmes de seconde à plusieurs minutes, en fonction de l'importance de la surcharge).
• Court-circuit (intensité pouvant monter à plusieurs milliers d'ampères), effet magnétique, la réponse est alors très rapide (de l'ordre de la milliseconde).

Composants

1. Manette servant à couper ou à réarmer le disjoncteur manuellement. Elle indique également l'état du disjoncteur (ouvert ou fermé). La plupart des disjoncteurs sont conçus pour pouvoir disjoncter même si la manette est maintenue manuellement en position fermée.
2. Mécanisme lié à la manette, sépare ou approche les contacts.
3. Contacts permettant au courant de passer lorsqu'ils se touchent.
4. Connecteurs
5. Bilame (2 lames soudées à coefficients de dilatation différents) : relais thermique (protection contre les surcharges)
6. Vis de calibration, permet au fabricant d'ajuster la consigne de courant avec précision après assemblage.
7. Bobine ou solénoïde : relais magnétique (protection contre les courts-circuits)
8. Chambre de coupure de l'arc électrique

Utilisation

Ces modèles sont destinés à remplacer les fusibles gG (notamment utilisés en domestique), en offrant l'avantage d'être réarmables (une manette à actionner, aucune cartouche à remplacer) et en cumulant dans un même boîtier une détection thermique contre les surcharges prolongées et magnétique contre les augmentations rapides de courant.

Hydraulique

Le mécanisme de déclenchement utilisé dans le cas d'un disjoncteur Magnéto-hydraulique ou Hydro-magnétique est double. D'une part la partie magnétique déjà expliquée ci dessus, et d'autre part, le dispositif hydraulique. Celui-ci remplace la partie "thermique". Il va donc permettre de détecter les surintensités légères mais de longue durée.

Ses avantages sont les suivants :

- Pas d'inertie thermique : Après un déclenchement, le réeclenchement est immédiatement possible

- Pas décalage de la protection avec la température ambiante : Les disjoncteurs thermique voient leur calibre varier en fonction de la température ambiante, contrairement à la technologie hydraulique.

Son principal inconvénient reste son prix vis à vis de la technologie thermique.

Constantes de temps

Certains disjoncteurs sont équipés de systèmes mécaniques, électriques ou électroniques, réglables en durée, en intensité ou en sensibilité, permettant d'interdire le fonctionnement de l'une des 3 fonctions ci-dessus (thermique, magnétique, différentielle) durant un certain laps de temps. Ce retard au déclenchement permet d'autoriser certains phénomènes transitoires négligeables du point de vue de la protection des personnes, des circuits et des équipements, mais qui pourraient autrement déclencher l'ouverture de la protection (mise sous tension de transformateurs ou d'alimentation à découpage par exemple). Ils peuvent également être réglés afin de laisser la possibilité à une autre protection située en aval de remplir son rôle, permettant ainsi la sélectivité des protections.

Pouvoir de coupure

Le pouvoir de coupure d'un disjoncteur correspond à son aptitude à interrompre un courant de court-circuit (« couper un circuit ») sans destruction et à coup sûr. Il se caractérise par l'intensité maximale du courant (appelé « courant présumé ») qui passerait si aucun disjoncteur ne l'interrompait. Les normes CEI 60947-2 (ou NF-EN 60947-2) pour les disjoncteurs basse tension de puissance, et CEI 60898 (ou NF EN 60898) pour les disjoncteurs à usage domestique, précisent ces caractéristiques.

La coupure d'un circuit en charge implique la formation systématique d'un arc électrique entre les contacts. Le courant I circule à travers l'arc, ce qui retarde la coupure, mais qui génère entre les contacts une tension U_arc, dite tension d'arc, qui s'oppose à la tension du réseau E_r qui l'a créé. Le courant diminue, jusqu'à se couper, dès que la tension d'arc est supérieure à celle du réseau, conséquence de l'équation du circuit : .

Un fort courant soumet tous les conducteurs à des forces électrodynamiques violentes, qui selon l'architecture de l'appareil peuvent l'aider ou non à s'ouvrir rapidement, aider aussi l'arc électrique à s'allonger et à rejoindre une zone, dite chambre d'extinction, où son énergie sera bien absorbée.

Plus le courant est important, plus l'arc est puissant (produit intensité par tension d'arc), plus l'énergie accumulée peut être destructrice. Si la disparition de l'arc n'est pas assurée dans un temps suffisamment court, le boîtier de l'appareil peut ne plus supporter la pression des gaz échauffés, la fusion des contacts risque d'empêcher le réarmement de l'appareil. Le disjoncteur ne serait alors plus capable d'assumer sa fonction.

Un disjoncteur doit donc être dimensionné pour pouvoir supporter le courant de court-circuit potentiellement présent à son point d'insertion dans un circuit, sous la tension potentiellement présente à ce même point d'insertion. L'intensité et la tension de ce courant dépendent de plusieurs facteurs :

• la capacité du circuit d'alimentation à fournir un courant maximal sous une certaine tension ;
• la possibilité pour le circuit (fils, pistes) et l'appareillage alimenté, à générer un courant plus ou moins important ;
• la faculté qu'a l'appareillage ainsi que le circuit d'alimentant à être le siège d'une tension plus ou moins importante (normale ou accidentelle).

Dans le cas contraire, il devra être lui-même protégé soit par un fusible, soit par un autre disjoncteur présentant un pouvoir de coupure suffisant.

Aptitude au sectionnement

Selon les règles d'installation (en France, selon le chapitre 437.2 de la norme NF C 15-100), le disjoncteur doit assurer la séparation physique des circuits, lors d'intervention ou de travaux sur le circuit concerné, c'est-à-dire avoir une aptitude au sectionnement : cette aptitude est la garantie que l'appareil ne laissera passer aucun courant résiduel dangereux s'il indique une position ouverte par un voyant ou par la position de la manette, soit un maximum de 0,5 mA à 6 mA selon le cas, lorsque la tension du réseau est appliquée entre ses bornes. Les normes CEI 60947-2 et CEI 60898 mentionnées plus haut précisent les conditions de cette aptitude.

Un dispositif de condamnation (cadenas et étiquette de condamnation) permet alors le blocage des contacts en position ouverte afin de respecter les règles concernant l'habilitation électrique (UTE C 18-510, 520, 540), on appelle cela une « condamnation ».

La condamnation concerne la 2^e étape de la procédure de « consignation ».

Voir aussi

• Appareillage électrique

• Contacteur
• Disjoncteur à haute tension
• Fusible
• Interrupteur
• Sectionneur

Liens externes

• Disjoncteurs: déclencheurs, courbes de déclenchement, sélectivité, filiation
• Dispositifs différentiels
• Fusibles et disjoncteurs par le site CultureSciences-Physique de l'ENS Lyon
• Utilisation du conjoncteur disjoncteur hydraulique de l'INRS
• fiche produit de marque Heinemann

• Portail de l’électricité et de l’électronique