Un guide complet sur les disjoncteurs industriels
Un disjoncteur industriel est un commutateur électrique automatique conçu pour protéger les circuits électriques contre les dommages dus aux surintensités provoquées par des surcharges et des courts-circuits.
Contrairement aux fusibles, les disjoncteurs industriels sont réinitialisables après leur déclenchement. Une caractéristique unique qui permet d’assurer la sécurité des opérations et de limiter les temps d’arrêt dans des installations telles que les usines, les centres de données et les centrales électriques.
Ce guide technique est conçu pour fournir une description claire des disjoncteurs industriels, de leurs mécanismes de fonctionnement pas-à-pas, des différents types existants et des critères à prendre en considération lors de leur sélection.
Les disjoncteurs industriels jouent un rôle crucial dans la protection des systèmes électriques contre les surintensités susceptibles de provoquer des surchauffes, des dégâts matériels, des incendies électriques et même des blessures. Ces dispositifs coupent automatiquement l’alimentation lorsque le courant dépasse les niveaux de sécurité, protégeant ainsi les circuits tout en garantissant la sécurité opérationnelle. Il est très important de choisir le disjoncteur approprié lors de la conception d’un système afin d’éviter les reprises coûteuses tout en améliorant la durabilité et les performances de l’ensemble de la configuration.
Les disjoncteurs coupent automatiquement le courant dans un circuit surchargé en se déclenchant lorsque les relais de protection rencontrent un défaut. Le mécanisme de fonctionnement de chaque disjoncteur est constitué de cinq composantes :
Figure 1 : Composants d’un disjoncteur (Source)
Les disjoncteurs sont largement utilisés dans les secteurs résidentiel, commercial, industriel, avionique, militaire, ainsi que dans la plupart des applications électriques. Dans cet article, nous allons nous concentrer sur les modèles destinés à l’industrie. Ils peuvent être de différents types en fonction des mécanismes de fonctionnement, des niveaux de tension et de la méthode d’extinction d’arc.
Disjoncteurs à boîtier moulé : les MCCB sont des dispositifs de sécurité conçus pour protéger les circuits électriques en coupant automatiquement l’alimentation en cas de surcharge ou de court-circuit, afin de limiter les dégâts. Ils sont capables de différencier une surcharge d’un court-circuit. Pour protéger les appareils électriques contre les dommages graves, les MCCB autorisent une légère surintensité pendant un bref instant. Dès que l’intensité augmente, un thyristor ouvre le circuit pour éviter les dommages. Adaptés aux applications basse et haute tension, ces disjoncteurs sont dotés de mécanismes de déclenchement ajustables.
| Types | Applications | Caractéristiques |
|---|---|---|
| Type B : déclenchement à 3-5 fois l’intensité nominale (0,04-13s). | Idéal pour les surtensions et les charges résistives peu élevées. | Disponibles en versions unipolaire, bipolaire, tripolaire ou quadripolaire, avec des mécanismes de déclenchement ajustables pour une sécurité accrue. Conçus pour des intensités comprises entre 10 et 200A. Ils sont capables de gérer des demandes de puissance élevée, ce qui en fait le type idéal pour les circuits à forte intensité dans les applications industrielles. |
| Type C : déclenchement à 5-10 fois l’intensité nominale (0,04-5s). | Particulièrement répandus dans les petits moteurs et transformateurs dans les applications industrielles. | |
| Type D : conçu pour résister à 10-20 fois l’intensité nominale (0,04-3s). | Particulièrement adaptés aux grands moteurs et aux fortes charges inductives. | |
| Type K : déclenchement à 10-12 fois l’intensité nominale (0,04-5s). | Conçus pour les moteurs présentant des charges inductives. | |
| Type Z : le plus sensible, avec un déclenchement à 2-3 fois l’intensité nominale. | Utilisés dans des applications électroniques sensibles telles que les équipements médicaux. |
Figure 2 : Disjoncteur à boîtier moulé EATON (EATON CUTLER HAMMER EGH3060FFG) (Source)
Disjoncteurs miniatures (MCB) : ces commutateurs automatiques coupent l’alimentation lorsqu’ils détectent une surtension. Les MCB ont deux mécanismes de déclenchement différents : un mécanisme de déclenchement thermique retardé pour la protection contre les surcharges et un mécanisme de déclenchement magnétique pour la protection contre les courts-circuits. Il existe différents types de disjoncteurs miniatures dotés de capacités de déclenchement variées et adaptés à différentes applications industrielles.
| Types | Applications |
|---|---|
| Types C et D | 1. Tableaux électriques : les MCB assurent une distribution d’alimentation constante et contrôlent les fluctuations. 2. Systèmes d’éclairage : ils régulent la puissance de l’éclairage et améliorent la durée de vie des ampoules. Ils garantissent la sécurité résidentielle lorsque différents éclairages sont installés dans différentes zones de la maison. 3. Équipements industriels : les MCB sont adaptés aux fortes charges (jusqu’à 30kA). Ils sont couramment utilisés dans les supermarchés, les hôtels et les centres commerciaux, où ils protègent des équipements industriels de grande valeur. 4. Protection contre les défauts de mise à la terre : ils évitent les surtensions dues aux défauts de mise à la terre en coupant automatiquement l’alimentation afin de limiter les dangers. |
Figure 3 : Disjoncteur miniature ABB (Source), produit : ABB S202-C20(Source)
Disjoncteurs hydromagnétiques : un disjoncteur hydromagnétique fournit une protection précise contre les surcharges et les défauts grâce à un mécanisme à solénoïde. Le mécanisme d’un disjoncteur hydromagnétique est constitué d’une bobine de détection de courant couplée à un jeu de contacts. Les contacts restent fermés pendant le fonctionnement normal. En cas de surcharge (intensité supérieure à la capacité nominale), la bobine en série génère un flux magnétique qui déplace un noyau dans un tube rempli de liquide, ce qui entraîne le déclenchement du disjoncteur. Le noyau, entraîné par la plus grande force magnétique, relâche le verrou et déconnecte le circuit. Ces disjoncteurs assurent une protection rapide et fiable contre les surtensions sans aucun composant sensible à la température.
| Caractéristiques | Applications |
|---|---|
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|
Figure 4 : SENSATA / AIRPAX IELK111-1REC5-62-100.-A-01-V (Source)
Disjoncteurs thermiques : les disjoncteurs thermiques protègent les circuits à l’aide d’une lame bimétallique qui se plie en cas de surchauffe, interrompant ainsi le flux d’électricité. La lame chauffe à mesure que la tension augmente, jusqu’à ce qu’elle dépasse la limite fixée. Elle déclenche alors le disjoncteur. Le disjoncteur peut être réarmé manuellement après que la lame a refroidi. Bien que fiables et largement répandus comme commutateurs marche/arrêt principaux, les disjoncteurs thermiques sont sensibles à la température ambiante, ce qui peut provoquer des déclenchements intempestifs par temps chaud ou des déclenchements retardés par temps froid. Ils sont généralement utilisés dans le câblage automobile et d’autres circuits basse tension. Un actionneur thermique et un verrouillage mécanique fonctionnent ensemble pour faire la distinction entre les courtes salves de forte intensité et les périodes de surcharge plus longues. Cela permet au système de résister à une surtension temporaire sans déclenchement. Cependant, si l’intensité reste trop élevée pendant trop longtemps, le verrouillage s’active afin de protéger l’équipement contre les dommages.
| Types | Caractéristiques | Mécanisme de réarmement | Applications |
|---|---|---|---|
| Réarmement automatique | Se réenclenche ou se réarme en continu jusqu’à ce que le défaut disparaisse. Adapté aux circuits soumis à des surcharges momentanées tels que les circuits de moteurs d’essuie-glace ou de phares. | Automatique | Moteurs d’essuie-glace, phares |
| Réarmement modifié | Ne se réenclenche pas. Le circuit reste ouvert après un déclenchement. Se réarme lorsque l’alimentation est coupée. Courant dans les applications telles que les circuits de vitres électriques et de toits ouvrants. | Réarmement modifié (à la coupure du courant) | Vitres électriques, sièges, toits ouvrants |
| Réarmement manuel | Ne se réenclenche pas. Reste ouvert jusqu’à ce qu’on le réarme manuellement en appuyant sur un bouton ou un levier. Généralement utilisé dans les cas où un diagnostic sûr est requis. | Manuel | Circuits nécessitant un diagnostic manuel des défauts |
| Réarmement manuel via un bouton de déclenchement | L’utilisateur peut appuyer manuellement sur un bouton pour ouvrir le circuit après le réarmement. Déclenchement manuel possible. | Manuel avec bouton de déclenchement | Systèmes nécessitant une option de déclenchement manuel |
| Réarmement manuel commutable | Permet à l’utilisateur d’activer ou de désactiver le circuit en actionnant un levier externe. Fonctionne comme un commutateur. | Manuel avec levier | Fonction commutateur dans les circuits |
Figure 5 : Disjoncteur thermique ETA 3120-N521-H7T1-W01D-20A, marche/arrêt, série 3120-N, 20A, 2 pôles, 50V, 240V, enfichable (Source)
Disjoncteurs électroniques : les disjoncteurs électroniques surveillent l’intensité et la tension dans un circuit à l’aide de composants spécialisés. En cas de surintensité, les disjoncteurs envoient instantanément un signal à une porte située dans un dispositif à semi-conducteurs (tel qu’un thyristor), entraînant l’ouverture rapide du circuit. Les réglages de ces disjoncteurs sont personnalisables. Disjoncteurs électroniques. Les ECB sont particulièrement répandus dans les systèmes complexes, où ils allient une capacité de commutation élevée avec un relais électronique pour une efficacité maximale.
| Fonctionnalités clés | Principaux avantages |
|---|---|
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|
Figure 6 : Disjoncteur électronique (Source)
Disjoncteurs à air (ACB) : un disjoncteur à air (ACB) est un composant essentiel de tout circuit électrique basse tension. Ces dispositifs sont conçus pour protéger les circuits contre les surintensités et les courts-circuits. Les ACB utilisent l’air pour éteindre les arcs et résistent à des intensités comprises entre 800 et 10 000A dans les circuits allant jusqu’à 450V. Fonctionnant grâce à l’accumulation d’énergie, ils utilisent des ressorts pour ouvrir et fermer rapidement les contacts selon les besoins. Largement utilisés pour couper les circuits en toute sécurité dans les tableaux de distribution, les ACB sont dotés de chambres de coupure métalliques qui permettent de refroidir et de sectionner l’arc pour une protection optimale.
| Types | Avantages | Applications |
|---|---|---|
| ACB à rupture simple (ACB à soufflage croisé) | Conception simple, adaptée aux applications basse tension, avec refroidissement par chambres de coupure. | Adapté aux applications basse tension. |
| ACB à soufflage magnétique | Commande magnétique pour l’extinction d’arc, jusqu’à 11KV | Jusqu’à 11kV, adapté aux circuits moyenne tension |
| Disjoncteur à air avec coupure d’arc | Faible résistance de contact, contacts d’arc résistants à la chaleur, haute durabilité. | Adapté à la protection des contacts principaux dans les circuits, dans les applications moyenne tension. |
| Disjoncteur à air soufflé | Fonctionnement à grande vitesse, extinction d’arc rapide, maintenance réduite, aucun risque d’incendie. | Conçu pour les circuits de plus de 245KV, idéal pour les opérations de coupure rapide dans les grandes usines. |
Figure 7 : Disjoncteur à air (Source)
Pour s’assurer de concevoir un système efficace, sûr et parfaitement protégé, il faut prendre en considération les besoins spécifiques de l’application, ainsi que les éléments suivants :
Tension nominale : il est crucial de sélectionner un disjoncteur dont la tension nominale est conforme aux exigences du système. La tension nominale correspond au niveau de tension maximal auquel le disjoncteur peut fonctionner en toute sécurité, n’importe où dans le circuit. Cette valeur nominale dépend du type de distribution du système et de la méthode d’intégration du disjoncteur. Si la capacité de tension du disjoncteur et les niveaux de tension du système ne correspondent pas, cela peut entraîner des risques pour la sécurité. C’est pourquoi il est essentiel de choisir un disjoncteur avec une capacité de tension adaptée à l’application spécifique.
| Plage de tension | Type de disjoncteur | Applications |
|---|---|---|
| Jusqu’à 1KV | MCB et MCCB | Secteurs industriel et commercial |
| 1KV – 72KV | Air, vide et hexafluorure de soufre (SF6) | Production et distribution d’électricité, usines, immeubles de bureaux et centres de données. |
| Plus de 72KV | Disjoncteurs hydromagnétiques, à air soufflé et à huile | Réseaux et circuits de transmission de puissance |
Courant continu nominal : il s’agit du courant maximal auquel le disjoncteur peut fonctionner en toute sécurité de façon continue à la température ambiante étalonnée (température ambiante standard de fabrication : 104°F/40°C). Il est essentiel de choisir un disjoncteur affichant une intensité nominale adaptée à la charge du système. L’intensité nominale du disjoncteur doit donc être adaptée à la charge maximale du circuit. En cas de valeur nominale trop élevée, le disjoncteur risque de ne pas se déclencher pendant les surcharges, ce qui peut entraîner une surchauffe et provoquer des dégâts. À l’inverse, le disjoncteur risque de se déclencher à une valeur nominale trop faible, entraînant ainsi des coupures indésirables. L’emploi d’une protection optimale est requise pour créer un système fiable.
Pouvoir de coupure : le pouvoir de coupure est un critère de sélection essentiel des disjoncteurs, en particulier pour les systèmes susceptibles de comporter des courants de défaut. Il s’agit du courant de défaut maximal que le disjoncteur peut couper en toute sécurité sans dommage. Pour des raisons de sécurité et de fiabilité, le pouvoir de coupure du disjoncteur doit être supérieur ou égal au courant de défaut potentiel à son point d’application. Les grands appareils et les systèmes industriels exigent une protection élevée contre les courants de défaut. Le choix d’un disjoncteur affichant un pouvoir de coupure suffisant permet au système de gérer les conditions de défaut sans risque de déclenchements répétés ni de défaillances liées à l’équipement. Le tableau ci-dessous répertorie les valeurs nominales types pour les disjoncteurs MCCB, ICCB et LVPCB de 800 et 1 600A.
| Type de dispositif | MCCB | ICCB | LVPCB | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PC faible | PC élevé | PC faible | PC élevé | LC | PC faible (déclench. interne inst.) | PC élevé (déclench. interne inst.) | LC (déclench. interne inst.) | PC faible (sans déclench. inst.) | PC élevé (sans déclench. inst.) | |
| Pouvoir de coupure (kA à 480V) | 50 | 100 | 50 | 150 | 150 | 30 | 100 | 200 | 30 | 85 |
| Intensité nominale prioritaire instantanée ou de courte durée maximale (kA) | 6-9 | 6-9 | 25 | 25 | 30 | 30 | 85 | 30 | 30 | 85 |
| Temporisation de courte durée | 18 | 18 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
Fréquence : la fréquence nominale du disjoncteur sélectionné doit être conforme à celle du système électrique pour éviter les problèmes d’efficacité et les dommages potentiels. Les disjoncteurs de 50-120Hz sont adaptés à la plupart des applications, mais les fréquences plus élevées (supérieures à 120Hz) exigent une réduction de la capacité pour tenir compte de l’augmentation de température due aux courants de Foucault et aux pertes ferromagnétiques. Pour les intensités nominales élevées, en particulier au-dessus de 600A, un étalonnage adéquat est essentiel pour garantir un fonctionnement sûr, en particulier dans les projets utilisant des systèmes de 50Hz ou 60Hz tels que des groupes électrogènes diesel. La compatibilité de fréquence du disjoncteur doit être vérifiée pour garantir des performances et une durée de vie optimales.
Nombre de pôles : le nombre de pôles d’un disjoncteur détermine le nombre de circuits distincts qu’il peut protéger. Les disjoncteurs unipolaires sont particulièrement répandus dans les environnements résidentiels, tandis que les applications industrielles utilisent le plus souvent des disjoncteurs multipolaires pour les systèmes triphasés. Dans ces systèmes, un disjoncteur à 3 pôles permet de protéger les trois phases, tandis qu’un disjoncteur à 4 pôles ajoute une couche supplémentaire de protection en déconnectant également le fil neutre, ce qui est essentiel dans les systèmes comportant des charges déséquilibrées ou des courants harmoniques. Le bon nombre de pôles garantit une protection adaptée à la complexité et aux besoins du système électrique. Prenons l’exemple d’un circuit contenant un disjoncteur tripolaire de 600A dont l’un des pôles est soumis à 800A alors que les deux autres ne sont soumis à aucune charge : le disjoncteur se déclenche, car l’un des pôles dépasse le seuil maximal.
Par contre, si les trois pôles sont soumis à 500A chacun, le disjoncteur reste armé, même si le total s’élève à 1 500A. En effet, aucun des pôles ne dépasse la valeur nominale de 600A.
Conditions de fonctionnement spécifiques : les conditions de fonctionnement et la résistance environnementale doivent être prises en compte afin de garantir des performances fiables. Le fonctionnement du disjoncteur peut être affecté par les températures élevées, la corrosion, les chocs, l’altitude et la poussière. Par exemple, un disjoncteur type peut fonctionner jusqu’à 122°F/50°C, mais une réduction de la capacité ou un réétalonnage peut s’avérer nécessaire à des températures supérieures. Dans des environnements humides ou corrosifs, des disjoncteurs traités contre l’humidité ou les agents chimiques sont requis pour éviter les dégâts. Les disjoncteurs situés dans des zones soumises à des chocs élevés, comme dans les applications marines, nécessitent des dispositifs antichocs, tandis que ceux utilisés à plus de 6 000 pieds doivent être réduits en capacité en raison de la réduction de la dissipation thermique due à l’air plus mince. La prise en compte de ces facteurs permet de sélectionner un disjoncteur sûr et efficace, même en cas de conditions difficiles.
Conformité et normes : il est essentiel d’opter pour des disjoncteurs conformes aux normes industrielles et réglementations requises, telles que CEI, ANSI ou UL. Les disjoncteurs conformes à ces normes allient qualité et efficacité. Le tableau 2 répertorie certaines des normes les plus importantes dans ce domaine :
| Normes | Objet |
|---|---|
| UL 489 | Disjoncteurs à boîtier moulé, commutateurs à boîtier moulé et boîtiers de disjoncteurs |
| UL 1077 | Protections supplémentaires pour une utilisation dans un équipement électrique |
| UL 60950-1 | Équipement informatique : exigences générales |
| NFPA 70 | Code national de l’électricité (États-Unis) |
| CSA22.2 | Code national de l’électricité (Canada) |
| BS7671 | Code national de l’électricité (Royaume-Uni) |
| CEI 60364 | Installations électriques des bâtiments (UE) |
| CEI 60947-2 | Disjoncteurs destinés aux applications industrielles |
| CEI 60898-1 | Disjoncteurs basse tension AC |
| CEI 60934 | Disjoncteurs destinés aux applications domestiques, y compris les appareils électroménagers |
| SAE J553 | Conditions de test, procédures et exigences de performance pour les disjoncteurs destinés aux applications de transport |
Tableau 2 : Liste non exhaustive des normes réglementaires applicables aux disjoncteurs (Source)
Les disjoncteurs sont des équipements précis, fiables et économiques adaptés à la plupart des applications. Souvent peu sensibles à la température, ils sont dotés d’un mécanisme de détection des surintensités qui réagit uniquement aux variations de courant dans le circuit protégé. Les disjoncteurs permettent de concevoir une multitude de configurations différentes, et beaucoup sont dotés de fonctions avancées et de technologies de pointe, conformes aux exigences de la plupart des applications modernes. En tant que distributeur mondial, Farnell propose une vaste gamme de disjoncteurs qui répondent à des exigences très variées et garantissent des performances élevées dans de nombreux secteurs.
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