L'appareillage de commutation désigne un ensemble centralisé de disjoncteurs, de fusibles et d'interrupteurs (dispositifs de protection des circuits) qui servent à protéger, à contrôler et à isoler les équipements électriques. Les dispositifs de protection des circuits sont montés dans des structures métalliques. Un ensemble d'une ou de plusieurs de ces structures est appelé une rangée ou un ensemble d'appareillage de commutation.
Les appareillages de commutation se trouvent généralement dans les systèmes de transmission et de distribution des services publics d'électricité ainsi que dans les installations commerciales ou industrielles de taille moyenne à grande. Les normes relatives aux appareillages de commutation sont définies par l'IEEE en Amérique du Nord et par la CEI en Europe et dans d'autres parties du monde.
L'appareillage de commutation à basse tension sous boîtier métallique est un produit de distribution électrique triphasé conçu pour fournir de manière sûre, efficace et fiable de l'électricité sous des tensions allant jusqu'à 1 000 V et des intensités allant jusqu'à 6 000 A. L'appareillage de commutation de type ANSI/NEMA (American National Standards Institute/National Electrical Manufacturers Association) est conçu pour une tension maximale de 635 V avec un courant continu sur la barre principale pouvant atteindre 10 000 A (pour une alimentation provenant de sources parallèles).
Les appareillages de commutation à basse tension se trouvent souvent du côté secondaire (basse tension) d'un transformateur de distribution d'énergie. Cette combinaison de transformateur et d'appareillage de commutation est connue sous le nom de sous-station. Les appareillages de commutation à basse tension sont généralement utilisés pour alimenter les centres de contrôle de moteurs à basse tension (LV-MCC), les tableaux de contrôle à basse tension et autres circuits de dérivation et d'alimentation. Ils sont utilisés pour fournir de l'électricité aux applications essentielles en matière d'énergie et de processus, comme celles que l'on retrouve dans l'industrie lourde, la fabrication, les mines et les métaux, la pétrochimie, l'industrie papetière, les services publics, le traitement de l'eau ainsi que les centres de données et les services de santé.
Une structure ou une section typique d'appareillage de commutation à basse tension se compose de trois parties distinctes et séparées :
Chaque compartiment de disjoncteurs peut normalement contenir jusqu'à quatre disjoncteurs d'alimentation disposés verticalement. Chaque disjoncteur est individuellement compartimenté par rapport aux autres disjoncteurs. Derrière le compartiment des disjoncteurs se trouve le compartiment de barres, également compartimenté par des barrières solides provenant du compartiment logeant des disjoncteurs.
Les compartiments de barres adjacents sont séparés les uns des autres par une barrière isolante entre les compartiments. Enfin, le compartiment de câblage se trouve à l'arrière de la section de l'appareillage et il est éventuellement compartimenté avec des barrières ventilées ou non du compartiment de barres.
Le compartiment de câblage est équipé de portes à charnières ou de couvercles amovibles qui permettent d'accéder aux cosses d'attache pour terminer les câbles de ligne et de charge. Cette disposition des compartiments est la plus typique et peut être appelée appareillage de commutation accessible par l'arrière puisqu'il faut absolument accéder par l'arrière de l'armoire de l'appareillage de commutation.
Une variante de cet agencement de compartiments est l'appareillage de commutation accessible par l'avant, où le compartiment de câblage est adjacent au compartiment des disjoncteurs, les portes du compartiment des câbles étant situées à l'avant de l'équipement. Ce montage se traduit par une conception bien moins profonde qui n’exige aucun accès par l'arrière et qui permet de placer l'appareillage contre un mur, comme pour un tableau de contrôle.
La compartimentation extensive des appareillages de commutation à basse tension est conçue pour améliorer la sécurité, la fiabilité et la facilité d'entretien des appareillages de commutation en empêchant, par exemple, le contact accidentel avec certains conducteurs, notamment la barre principale ou les disjoncteurs des cellules adjacentes lors de l'entretien. La compartimentation peut également limiter une partie des dommages causés par un arc électrique et réduire le risque de propagation du défaut à d'autres parties de l'appareillage de commutation.
Le courant passe par l'armoire de distribution à basse tension au moyen d’une barre en cuivre plaquée argent ou étamée. Des sections verticales (« colonnes ») de barres de cuivre relient les lames de disjoncteur qui s'enfoncent horizontalement dans les cellules de disjoncteur contenues dans une section d'appareillage et se connectent aux côtés extérieurs des disjoncteurs d'alimentation par des brides à griffes. La barre horizontale (principale) relie électriquement les sections d'appareillage adjacentes les unes aux autres.
Les « circuits de réduction de puissance » sont raccordés horizontalement au côté charge de chaque disjoncteur d'alimentation, à travers le compartiment de barre omnibus (sans connexion à la barre verticale ou principale) et dans le compartiment de câblage pour fournir des cosses d'attache pour terminer les câbles de charge. Dans la plupart des cas, l'isolation ou la rigidité diélectrique entre les trois phases de la barre omnibus est assurée par un isolement physique adéquat. Dans les endroits où les dégagements de la barre omnibus ne sont pas suffisants pour fournir la rigidité diélectrique nécessaire, une isolation à la barre est appliquée.
Les appareillages de commutation à basse tension assurent une protection contre les courts-circuits et les surcharges par l'intermédiaire de disjoncteurs à basse tension (LV-PCB) avec unités de déclenchement intégrées. Ces disjoncteurs à basse tension sont généralement des dispositifs débrochables par la porte. « Par la porte » signifie que la plaque frontale du disjoncteur, ainsi que les commandes montées sur le disjoncteur sont accessibles sans ouvrir l'appareillage. « Débrochable » signifie que le disjoncteur peut être facilement mis en position d'essai et de déconnexion sans ouvrir l'appareillage de commutation et peut être entièrement retiré de l'appareillage de commutation pour l'entretien. Les disjoncteurs à basse tension interrompent la capacité de court-circuit et de surcharge par des contacts principaux qui se séparent à l'air libre. Par conséquent, ces disjoncteurs sont également connus sous le nom de disjoncteurs à air (ACB) par opposition aux disjoncteurs à moyenne tension qui utilisent généralement des interrupteurs à vide.
Les appareillages de commutation à basse tension disposent des caractéristiques suivantes :
La capacité de court-circuit est également connue sous le nom de capacité nominale de court-circuit (SCCR) de l'appareillage de commutation. Selon la norme ANSI/IEEE C37.20.1, la capacité de court-circuit est définie comme suit :
La limite désignée du courant (potentiel) disponible à la tension maximale nominale à supporter pendant une période d'au moins quatre cycles à 60 Hz dans les conditions d'essai prescrites. La capacité nominale de court-circuit détermine la capacité nominale de rupture des barres blindées minimale requise pour la conception. La capacité nominale de rupture des barres blindées peut parfois résister à des valeurs plus élevées que la cote indiquée.
En d'autres termes, la capacité nominale de court-circuit désigne le courant de court-circuit maximal que l'ensemble de l'appareillage de commutation peut supporter sans danger pendant au moins quatre cycles lorsqu'il est protégé par un dispositif de protection contre les surintensités (DPC). Cette capacité nominale aura une incidence sur la manière dont la barre omnibus est mécaniquement renforcée pour éviter qu'elle ne se plie et ne s'endommage en cas de court-circuit.
Le but de cette classification est de coordonner avec la classification de capacité nominale de court-circuit des disjoncteurs utilisés dans l'appareillage de commutation. La capacité nominale de court-circuit de l'appareillage de commutation doit être égale à celle du disjoncteur le plus faible utilisé dans l'ensemble de l'appareillage de commutation. Par exemple, si le disjoncteur principal a une capacité nominale de court-circuit de 100 kA, mais qu'un disjoncteur de ligne en a une de 65 kA, l'appareillage de commutation aura une capacité de 65 kA.
La capacité de rupture désigne une puissance qui s'applique aux dispositifs de protection contre les surintensités, par exemple les disjoncteurs à basse tension. Celui-ci est défini comme le courant maximal que le dispositif de protection contre les surintensités est censé interrompre en toute sécurité à une tension spécifique.
La capacité de rupture du disjoncteur doit être égale ou supérieure à la capacité nominale de court-circuit du disjoncteur. Dans certains cas, la capacité de rupture dépasse le courant de courte durée (du disjoncteur et de l'appareillage), ce qui fait que le disjoncteur se déclenche instantanément (dans un délai de trois à quatre cycles), au lieu de se déclencher avec un court délai, en présence d'un courant de défaut particulièrement élevé.
Enfin, la capacité de rupture du disjoncteur doit atteindre ou dépasser le courant de défaut maximal disponible que la source d'alimentation en amont pourrait fournir en cas de court-circuit.
Selon la norme ANSI/IEEE C37.20.1, la capacité de résistance de courte durée est définie comme suit : « La limite désignée de courant disponible (potentiel) à laquelle il doit supporter son cycle de service de résistance de courte durée (deux périodes de circulation de courant de 0,5 seconde, séparées par un intervalle de 15 s de courant nul) à la tension maximale nominale dans les conditions d'essai prescrites »."
En d'autres termes, cette classification se compose de deux quantités : le temps (généralement mesuré en cycles) et le courant (généralement mesuré en kiloampères, kA). Pour les appareillages de commutation à basse tension, la durée nominale est de 30 cycles (0,5 seconde) et l'intensité nominale désigne la quantité de courant de défaut que l'ensemble mécanique, la barre omnibus électrique et la capacité nominale de rupture des barres omnibus peuvent supporter pendant 30 cycles sans subir de dommages à la tension essayée.
Les disjoncteurs à basse tension ont également une capacité de résistance de courte durée et l'appareillage de commutation doit être égal à la capacité de résistance de courte durée du disjoncteur le plus faible utilisé dans l'appareillage de commutation. Par exemple, si le disjoncteur principal a une capacité de résistance de courte durée de 100 kA, 30 cycles, mais qu'un disjoncteur d'alimentation en a une de 65 kA, 30 cycles, l'appareillage de commutation aura une capacité de 65 kA, 30 cycles.
Les disjoncteurs à basse tension sont spécialement conçus pour pouvoir résister à un défaut d'une certaine ampleur, sans se déclencher, pendant une durée maximale de 30 cycles. Comparons cela aux disjoncteurs sous boîtier moulé (MCCB), conçus pour se déclencher instantanément (en trois ou quatre cycles) lorsqu'ils sont soumis à un courant de défaut supérieur au réglage instantané. En conséquence, les MCCB sont essayés pour résister à un court-circuit pendant seulement trois cycles avant de se déclencher. L'objectif de disposer de disjoncteurs et d'appareillages de commutation capables de résister à un court-circuit pendant 30 cycles est d'améliorer la coordination sélective.
La coordination sélective est obtenue en réglant les dispositifs de surintensité dans un système de telle sorte que le dispositif à proximité du défaut s'ouvre en premier, par opposition à tous les dispositifs qui voient le courant de défaut s'ouvrir. La coordination sélective s'applique à toute la gamme des surintensités du système et à toute la gamme des durées d'interruption associées à ces surintensités.
En d'autres termes, un court-circuit peut se produire en aval dans un système de distribution d'électricité avec des disjoncteurs en amont qui font face, mais résistent au courant de défaut et restent fermés alors que seul le disjoncteur à proximité du défaut s'ouvre.
L'objectif de la coordination sélective est d'accroître la fiabilité et la durée de fonctionnement d'un système de distribution d'électricité. En théorie, un défaut relativement mineur en aval dans un système qui n'est pas coordonné de manière sélective pourrait entraîner le déclenchement de plusieurs disjoncteurs en cas de surintensité et provoquer une panne généralisée dans l'installation.
Une telle panne pourrait être catastrophique pour les systèmes d'urgence, les systèmes de sécurité des personnes et d'autres applications électriques essentielles. Par conséquent, le Code national de l'électricité (NEC) consacre de nombreux articles aux exigences relatives à la coordination sélective pour certaines applications.
Cette coordination sélective est obtenue avec les disjoncteurs en modifiant les réglages de déclenchement instantané (si disponible) et les réglages de temporisation de courte durée des disjoncteurs dans le système de distribution d'électricité. Même si les disjoncteurs sous boîtier moulé peuvent être équipés de déclencheurs électroniques avec des réglages de temporisation de courte durée, ces dispositifs sont conçus pour interrompre le courant de défaut nominal maximum dans un délai de trois cycles, de sorte que seule une coordination limitée peut être obtenue en ajustant les niveaux de déclenchement instantané pour les disjoncteurs qui sont plus en aval et plus en amont. Cependant, si un défaut dépasse le courant de déclenchement instantané des disjoncteurs, le système est non sélectif et une panne plus importante se produira.
Les disjoncteurs à basse tension, en revanche, ont une capacité de résistance de courte durée qui leur permet de retarder le déclenchement pendant un temps prédéfini (jusqu'à 30 cycles). Par conséquent, un disjoncteur à basse tension peut être programmé pour retarder le déclenchement afin de donner aux disjoncteurs en aval une chance d'éliminer d'abord le défaut. Ainsi, les appareillages de commutation à basse tension avec disjoncteurs d'alimentation peuvent être utilisés pour améliorer considérablement la fiabilité d'un système de distribution électrique. Un système correctement coordonné peut également accroître la sécurité des travailleurs, car la panne sera isolée en aval, ce qui réduira la probabilité que le travailleur doive interfacer avec l'équipement en amont qui présente généralement un risque d'arc électrique plus élevé.
Malheureusement, il y a un inconvénient à un système de distribution électrique doté d’une coordination sélective. Étant donné que les réglages instantanés des disjoncteurs sous boîtier moulé peuvent être augmentés et que de courts délais de déclenchement des disjoncteurs peuvent être programmés afin d'obtenir une coordination sélective, l'énergie incidente à certains points du système peut augmenter. L'énergie incidente est directement liée au temps de dégagement et au courant de défaut disponible (entre autres variables), de sorte que l'augmentation du courant de défaut ou du temps de dégagement entraînera une augmentation de l'énergie incidente. Il est donc encore plus important de suivre les lignes directrices de l'article 240.87 de la CNE pour réduire la puissance de l'arc. L'article 240.87 décrit plusieurs technologies qui peuvent être utilisées pour réduire l'énergie incidente des équipements de distribution d'électricité, dont certaines reposent sur la réduction des paramètres de déclenchement instantané ou sur la neutralisation des courts délais programmés en cas d'anomalie d'arc électrique.
Les appareillages de commutation à basse tension sous boîtier métallique et les tableaux de contrôle à basse tension sont des produits utilisés pour distribuer l'électricité en toute sécurité dans une installation. Les deux ensembles utilisent des boîtiers autonomes qui abritent des disjoncteurs, des barres omnibus et des câbles d'alimentation. Les deux produits peuvent contenir des compteurs, des relais, des transducteurs de potentiel, des transducteurs de courant et des schémas de transfert pour l'alimentation redondante. Cependant, c'est là que s'arrêtent leurs ressemblances.
Les tableaux de contrôle sont généralement construits avec un châssis ouvert doté d’un écran isolant, avec peu ou pas de barrières internes entre les câbles, les disjoncteurs et la barre omnibus. Lorsque l’écran isolant du tableau de contrôle est retiré, toutes les barres, les câbles et les terminaisons sont exposés.
Les tableaux de contrôle sont testés selon la norme relative aux tableaux de contrôle UL 891 et sont normalement composés de disjoncteurs sous boîtier moulé montés de façon fixe conformes à la norme UL 489 MCCB. Les tableaux de contrôle sont généralement accessibles par l'avant, ce qui signifie que les terminaisons des câbles entrants et sortants sont accessibles par l'avant, de sorte que l'ensemble peut être monté contre un mur. Ces différences se traduisent par un encombrement moindre qu'un ensemble d'appareillages de commutation similaire contenant le même nombre de disjoncteurs.
Les tableaux de contrôle ont également tendance à être moins chers que les appareillages de commutation. Par exemple, les MCCB à montage fixe sont moins chers que les disjoncteurs débrochables. Toutefois, les MCCB ne sont pas conçus pour être entretenus et si les disjoncteurs sont montés de façon fixe, le tableau de contrôle doit être mis hors tension afin de les remplacer. Les appareillages de commutation, en revanche, contiennent des disjoncteurs d'alimentation débrochables qui peuvent être retirés de l'équipement lorsqu'il est sous tension et sont conçus pour être entièrement opérationnels.
Les tableaux de contrôle disposent uniquement d'une capacité de résistance de courte durée de trois cycles, contre 30 cycles pour les appareillages de commutation. Cela est dû au fait que les MCCB ne disposent également que d'une capacité de résistance de courte durée de trois cycles. Cela signifie qu'il est plus difficile de parvenir à une coordination sélective, car il est impossible de programmer des délais courts pour donner le temps aux disjoncteurs situés plus en aval de régler les défauts.
Certaines technologies de sécurité contre les arcs électriques ne sont pas disponibles dans les tableaux de contrôle. Parmi ces technologies disponibles uniquement dans les appareillages de commutation à basse tension figurent la technologie d'extinction d'arcs électriques et la construction résistante à l'arc.
Dans les installations qui consomment de grandes quantités d'énergie et dans celles qui nécessitent une alimentation électrique fiable, les appareillages de commutation et les tableaux de contrôle jouent tous deux un rôle important. L'appareillage de commutation peut assurer la distribution et la protection de l'énergie à basse tension primaire, souvent situé à l'entrée de service ou au secondaire d'une sous-station de transformation, alimentant divers tableaux de contrôle et des MCC à basse tension situés dans toute l'installation qui, à leur tour, alimentent des circuits de dérivation plus petits, par exemple l'éclairage, les CVCA et les charges spécifiques au processus.
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