Du MVA au kA/kV : Pourquoi les Classes des Disjoncteurs Ont Évolué

Classes du Disjoncteur – Capacité de Coupure, Capacité de Fermeture, Tension & Courant Nominal, Cycle de Service & Capacité de Court Temps

Ne m'en voulez pas de mentionner l'ancienne classe MVA des disjoncteurs, car nous avons tous entendu parler de disjoncteurs 500 ou 1000 MVA. Ces classes n'apparaissent plus sur les modèles récents car l'ancienne logique a changé. Pour comprendre le concept de base et ce qui s'est passé, voyons l'explication suivante. C'est en fait la capacité de coupure (pas le courant de coupure) qui s'exprime maintenant en kA au lieu de MVA (comme avant).

Avant d'aller plus loin, sachons ce qu'un disjoncteur fait exactement et quelles sont ses différentes classes.

Un disjoncteur est un dispositif de commande et de protection utilisé pour le mécanisme de commutation et la protection du système qui :

• Établit et coupe le circuit manuellement ou automatiquement en conditions normales et de défaut.
• Coupe automatiquement le circuit et ferme le chemin aux courts-circuits et surintensités pour qu'ils le traversent.
• Supporte le courant de défaut pendant un très court temps pendant que d'autres disjoncteurs en série éliminent le défaut sur le circuit connecté.

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Basé sur les trois fonctions ci-dessus, il existe six classes d'un disjoncteur :

• Capacité de Coupure (Breaking Capacity)
• Capacité de Fermeture (Making Capacity)
• Cycle de Service du Disjoncteur (Séquence d'Exploitation Nominale)
• Tension Nominale (Voltage Rating)
• Capacité de Court Temps (Short Time Operation Capacity)
• Courant Nominal Normal (Normal Current Rating)

Capacité de Coupure (Anciennement MVA, Maintenant kA)

La capacité de coupure est le courant de défaut ou de court-circuit maximal (RMS) qu'un disjoncteur peut supporter ou interrompre en ouvrant ses contacts fermés à la tension de rétablissement nominale sans endommager le disjoncteur ni les appareils connectés.

La capacité de coupure s'exprime en valeur RMS en raison des facteurs symétriques et asymétriques dus aux ondulations et composantes DC pendant le défaut pour un très court temps.

La capacité de coupure était classée en MVA auparavant en considérant le courant de coupure nominal et la tension d'exploitation nominale. Elle se calculait ainsi :

Capacité de Coupure = √3 × V × I × 10^-6 MVA

ou

Capacité d'Interruption ou de Coupure = √3 × Tension Ligne Nominale × Courant Ligne Nominal × 10^-6 MVA

Exemple :

Quel est le Courant d'Interruption ou de Coupure d'un disjoncteur de 100MVA capacité de coupure et 11kV tension de service nominale ?

Solution :

Courant de Coupure = 100 × 10^-6 / (√3 × 11kV) = 52,48 kA

Pourquoi la Capacité de Coupure s'Exprime en kA au Lieu de MVA ?

C'est illogique d'exprimer la classe d'un disjoncteur en MVA car il y a une tension très faible et un courant maximal pendant les défauts de court-circuit. Lorsque le disjoncteur ouvre ses contacts pour éliminer les courants de défaut, la tension nominale apparaît aux bornes des contacts. En bref, les mêmes grandeurs nominales n'apparaissent pas continûment pendant les courants de défaut. C'est pourquoi la capacité de coupure ne peut pas s'exprimer en MVA.

Pour ces raisons, les fabricants suivent les normes internationales révisées pour exprimer la capacité de coupure en courant de coupure symétrique en kA à tension nominale au lieu de MVA. La capacité de coupure en ampères ou kA est suivie par le courant de coupure et la Tension Transitoire de Rétablissement (TTR) car elle peut être symétrique et asymétrique pendant les courts-circuits.

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Capacité de Fermeture (Making Capacity)

La capacité de fermeture est la valeur de crête du courant incluant les facteurs d'ondulation à court terme et composantes DC pendant le premier cycle de l'onde de courant de défaut après fermeture des contacts du disjoncteur.

Notez que la capacité de fermeture est exprimée en kA en valeur de crête au lieu de RMS (la capacité de coupure est en RMS). Cela est dû aux possibilités de fermeture réussie des contacts pendant les courants de défaut tout en gérant les forces électromagnétiques et l'amorçage/extinction d'arc sans endommager le disjoncteur et le circuit.

Ces forces nuisibles sont proportionnelles au carré de la valeur instantanée maximale du courant à la fermeture. C'est pourquoi la capacité de fermeture est en valeur de crête comparée à la capacité de coupure en RMS.

La valeur des courants de court-circuit est maximale au premier cycle en cas d'asymétrie maximale dans une phase connectée au disjoncteur. En termes simples, le courant de fermeture = valeur maximale du courant asymétrique, donc la capacité de fermeture est toujours supérieure à la capacité de coupure.

Le courant de court-circuit nominal de fermeture est pris comme 2,5 × valeur RMS des composantes AC du courant de coupure nominal, car théoriquement le courant de défaut peut monter à deux fois son niveau symétrique au stade initial.

Calcul de la capacité de fermeture :

Pour convertir le courant de coupure symétrique de RMS en valeur de crête :

Capacité de Fermeture = Courant de Coupure Symétrique × √2

Multiplier par 1,8 pour inclure l'effet de doublement de l'asymétrie maximale (effet du courant de court-circuit avec légère baisse au premier quart de cycle).

Capacité de Fermeture = √2 × 1,8 × Courant de Coupure Symétrique = 2,55 × Courant de Coupure Symétrique

Capacité de Fermeture = 2,55 × Courant de Coupure Symétrique

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Cycle de Service du Disjoncteur ou Séquence d'Exploitation Nominale

Il montre l'exigence mécanique du mécanisme de commutation du disjoncteur.

Le cycle de service ou séquence d'exploitation nominale s'exprime ainsi :

O – t – CO – t' – CO

Où :

• O = Ouverture du disjoncteur
• t = 0,3 s pour premier réenclenchement auto si non spécifié
• t' = Temps entre deux opérations (rétablir conditions initiales et éviter échauffement inapproprié des contacts)
• CO = Fermeture immédiatement après ouverture sans délai

Tension Nominale (Rated Voltage)

La valeur de limite de tension maximale sûre que le disjoncteur peut supporter sans dommage est sa tension nominale.

Cette tension dépend de l'épaisseur et du matériau d'isolation utilisés dans la construction. La tension nominale est liée à la tension de système la plus élevée due à la hausse de tension par absence de charge ou changement brusque vers une charge inférieure. Ainsi, il peut gérer la hausse à la capacité nominale maximale. Par exemple, le disjoncteur doit supporter 10% de la tension nominale pour un système 40kV, limite 5% au-dessus de 400kV. Un disjoncteur pour ligne 6,6kV doit être classé ~7,2kV, etc.

D'un autre côté, un disjoncteur 400V AC ne doit pas être utilisé à 1000V+, alors qu'un 1000V AC peut être utilisé sur 400V. Si utilisé à sa tension nominale, il peut éteindre l'arc aux contacts. Si utilisé à tension supérieure, la tension transitoire de rétablissement (TTR) par rapport à la rigidité diélectrique du milieu d'extinction d'arc peut maintenir l'arc, endommageant le disjoncteur ou son isolation.

Généralement, la tension nominale du disjoncteur est supérieure à celle du bus et de la charge dans le réseau. Deux types principaux :

• Disjoncteurs Basse Tension : ≤ 1kV AC et 1,2kV DC
• Disjoncteurs Haute Tension : > 1kV AC, utilisés en intérieur/extérieur

Les disjoncteurs BT sont plus complexes et opèrent plus fréquemment que les HT à cause des dégagements phase-phase et phase-terre plus faibles. Les méthodes d'essai diffèrent.

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Outre la tension nominale ci-dessus, deux tensions additionnelles peuvent être considérées :

1. Tension d'Impulsion (Impulse Voltage Rating)
2. Tension de Soutenue à Fréquence Industrielle (Power Frequency Withstand Voltage Rating)

La tension d'impulsion montre la capacité à gérer les impulsions transitoires par foudre ou manœuvre. La durée est en microsecondes ; les contacts et l'isolation sont conçus pour supporter le pic de tension transitoire pour une très courte période.

La tension de soutenue à fréquence industrielle montre l'aptitude à gérer la hausse soudaine de tension bien au-dessus de la tension de système la plus élevée, due à changements brusques de charge ou déconnexion d'une grande partie de charge.

Cette surtension de fréquence industrielle dure très peu (généralement 60 secondes) mais le disjoncteur doit la supporter.

Le graphique suivant montre les différentes classes de tension : Tension Système Nominale, Tension Système Maximale, Tension de Soutenue à Fréquence Industrielle et Niveaux de Tension d'Impulsion.

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Capacité de Court Temps (Short Time Operation Capacity)

La capacité de court temps est la période spécifiée pendant laquelle le disjoncteur supporte le courant de défaut tout en restant fermé.

Pour éviter les déclenchements intempestifs (courant de défaut très court ou changement brusque de charge), le disjoncteur ne doit pas déclencher si le défaut disparaît automatiquement, tout en gérant les forces électromagnétiques et l'élévation de température. Si le temps spécifié (secondes ou millisecondes) est dépassé, le disjoncteur ouvre ses contacts pour assurer la protection maximale.

Il existe différentes classes (B, C, D et Classe 1, 2, 3) avec courbes associées. La Classe 3 est la meilleure (max 1,5L joule/seconde testé selon IS 60898). Exemple : disjoncteur à huile a capacité de 3 secondes, ne doit pas dépasser 3s en portant le courant de court-circuit. Le courant nominal de court temps doit égaler la capacité de coupure nominale. Prudence donc pour appareils sensibles.

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Courant Nominal Normal (Normal Current Rating)

Le courant nominal normal est la valeur RMS que le disjoncteur peut supporter en continu à sa tension et fréquence nominales sans changement de fonctionnement dû à l'élévation de température en exploitation normale.

Le courant normal doit être 125% du courant nominal du circuit. Exemple : charge 24A → disjoncteur = 24A × 125% = 24A × 1,25 = 30 A.

Autre méthode : diviser le courant du disjoncteur par 0,8 pour trouver le courant de charge. Ex : disjoncteur 25A → charge 25A × 0,8 = 20A.

Courant de charge = Courant disjoncteur × 0,8

Courant de charge = 25A × 0,8 = 20A.