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LES UTILITÉS L’ÉLECTRICITÉ

SUPPORT DE FORMATION Cours EXP-PR-UT010-FR Révision 0.1

Exploration & Production Les Utilités L’Électricité

LES UTILITÉS L’ÉLECTRICITÉ SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .....................................................................................................................6 2. L’ORIGINE DE L’ELECTRICITE......................................................................................7 2.1. LA « PETITE HISTOIRE » ........................................................................................7 2.1.1. Quelles sont les utilisations des aimants? .........................................................8 2.1.2. Quels scientifiques nous ont aidé à comprendre les aimants?..........................8 2.2. MAGNETISME ET COURANT ELECTRIQUE ..........................................................9 2.2.1. Champ de force magnétique .............................................................................9 2.2.2. L’aimant...........................................................................................................10 2.2.2.1. Particularité des pôles : ............................................................................10 2.2.2.2. Application à la boussole..........................................................................10 2.2.2.3. L’aimant permanent..................................................................................11 2.2.2.4. L’aimant temporaire..................................................................................12 2.2.2.5. L’expérience d’Oersted ............................................................................12 2.2.2.6. L’induction magnétique ............................................................................13 2.2.2.7. L’électroaimant.........................................................................................14 2.2.3. L’électromagnétisme : la force électromagnétique ..........................................14 2.3. GENERATION DU COURANT ALTERNATIF .........................................................16 2.3.1. Tension induite ................................................................................................16 2.3.2. Principe du générateur CA ..............................................................................17 2.3.3. La dynamo de « vélo » ....................................................................................19 2.3.4. Générateur CA triphasé...................................................................................20 2.4. GENERATION DU COURANT CONTINU ..............................................................21 2.4.1. Principe du générateur CC ..............................................................................21 2.4.2. Différents types de machines CC ....................................................................24 2.4.2.1. Machine à aimants permanents ...............................................................24 2.4.2.2. Les autres machines ................................................................................24 2.5. EXERCICES ...........................................................................................................26 3. THEORIE, SYMBOLES ET PLANS EN ELECTRICITE.................................................30 3.1. SYMBOLES ET UNITES.........................................................................................30 3.1.1. Les unités SI de base ......................................................................................30 3.1.2. Les unités SI dérivées .....................................................................................31 3.1.3. Les préfixes .....................................................................................................32 3.1.4. Règles de l’écriture des unités ........................................................................33 3.1.5. Unités techniques « hors normes » .................................................................33 3.1.6. Unités anglo-saxonnes ....................................................................................34 3.2. GRANDEURS DE BASE EN ELECTRICITE(COURANT CONTINU) .....................36 3.2.1. Courant électrique ...........................................................................................36 3.2.2. Tension et différence de potentiel ...................................................................37 3.2.3. Loi d’Ohm, résistance (en courant continu) .....................................................38 3.2.4. Résistivité ........................................................................................................40 3.2.5. Résistance (en tant que composant électrique pour éviter la confusion) ........42 Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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3.2.6. Effet Joule (paragraphe applicable en courants alternatif et continu)..............43 3.2.7. Puissance électrique .......................................................................................43 3.2.8. Emploi des lois d’Ohm et de Joule ..................................................................44 3.2.9. Énergie électrique : .........................................................................................45 3.2.10. Rendement (en puissance active) .................................................................46 3.3. GRANDEURS COMPLEMENTAIRES EN ELECTRICITE ......................................48 3.3.1. Inductance : la ‘self’ .........................................................................................48 3.3.2. Condensateur..................................................................................................51 3.3.3. Résumé R, L, C...............................................................................................56 3.3.4. Impédance.......................................................................................................58 3.3.5. Calcul d’impédance .........................................................................................61 3.4. GRANDEURS ET MESURES EN COURANT ALTERNATIF..................................66 3.4.1. Rappel mesures en continu et en alternatif .....................................................66 3.4.2. Mesures de puissance en courant alternatif ....................................................67 3.4.3. Formules et unités de puissance en courant alternatif : ..................................69 3.4.4. Récapitulatif des formules et exercices ...........................................................72 3.5. PLANS ET SCHEMAS ELECTRIQUES ..................................................................73 3.5.1. Plans, schémas en électricité. .........................................................................78 3.5.1.1. Schéma unifilaire (one line diagram): .......................................................78 3.5.1.2. Schémas de principe (schematic diagram) ..............................................80 3.5.1.3. Schémas de détail (wiring and connection diagram) ................................83 3.5.1.4. Autre schémas .........................................................................................84 3.6. EXERCICES ...........................................................................................................85 4. L’INSTALLATION, LA DISTRIBUTION ELECTRIQUE ..................................................86 4.1. GENERATION D’ELECTRICITE .............................................................................87 4.1.1. Générateurs de courant alternatif, l’alternateur ...............................................87 4.1.2. Générateurs de courant continu, machines tournantes ...................................89 4.1.3. Générateurs de courant continu, les batteries.................................................89 4.2. LIAISONS HT ET BT...............................................................................................90 4.2.1. Liaison Haute Tension (HT).............................................................................90 4.2.2. Liaisons Basse Tension (BT)...........................................................................93 4.3. CABLES HT / BT - ACCESSOIRES........................................................................98 4.3.1. Chemins de câbles (et supports de câbles).....................................................98 4.3.2. Tranchées .....................................................................................................100 4.3.3. Raccordement des câbles HT .......................................................................103 4.3.4. Raccordement des câbles BT .......................................................................104 4.4. ARMOIRE HT – HAUTE TENSION.......................................................................107 4.5. ARMOIRE BT – BASSE TENSION .......................................................................108 4.6. RECEPTEURS......................................................................................................109 4.7. EXERCICES .........................................................................................................111 4.7.1. Grandeurs de base de l’électricité .................................................................111 4.7.2. Alimentations à tension continue...................................................................114 4.7.3. Alimentations à tension alternative monophasée ..........................................115 4.7.4. Alimentations à tension alternative triphasée ................................................116 5. PRECAUTIONS CONTRE LES DANGERS DE L’ELECTRICITE ...............................119 5.1. DANGERS DE L’ELECTRICITE............................................................................119 5.1.1. Effets physiologiques de l’électricité ..............................................................119 5.1.2. Classification des tensions ............................................................................121 Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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5.1.3. Risques électriques pour les personnes et le matériel ..................................122 5.2. MISE A LA TERRE................................................................................................124 5.3. Les défauts de terre ..............................................................................................124 5.3.1. Les régimes de neutre...................................................................................126 5.3.2. Le réseau des terres .....................................................................................129 5.3.3. Les puits de terre (earth electrodes)..............................................................131 5.3.4. Les boucles de terre ......................................................................................132 5.4. PROTECTION DES PERSONNES ET DU MATERIEL ........................................134 5.4.1. Protection individuelle....................................................................................134 5.4.2. Protection mécanique ‘ IP’.............................................................................137 5.4.3. Les travaux électriques..................................................................................138 5.4.4. La protection cathodique ...............................................................................139 5.5. EXERCICES .........................................................................................................140 6. LES ARMOIRES HAUTE TENSION ............................................................................143 6.1. LE POSTE HT .......................................................................................................143 6.2. CELLULES HT ......................................................................................................148 6.3. PROTECTIONS DANS LES CIRCUITS HT ..........................................................151 6.4. LA SECURITE DANS LE POSTE HT....................................................................158 7. LES ARMOIRES BASSE TENSION ............................................................................161 7.1. LA DISTRIBUTION PRINCIPALE (MCC)..............................................................161 7.1.1. Constitution des armoires BT ........................................................................162 7.1.2. Le matériel dans les armoires BT..................................................................163 7.2. PROTECTIONS DES CIRCUITS BT DE DISTRIBUTION ....................................167 7.2.1. Fusibles .........................................................................................................168 7.2.2. Disjoncteurs...................................................................................................173 7.2.3. Relais thermique/magnétique.......................................................................182 7.2.4. PROTECTION DU PERSONNEL EN TABLEAU / RESEAU BT ...................183 7.2.5. Contrôleur permanent d’isolement : le CPI....................................................183 7.2.6. Protection différentielle ..................................................................................186 7.3. CIRCUITS DE DISTRIBUTION .............................................................................192 7.3.1. Normal / Secours...........................................................................................193 7.3.2. Secours / Essentiel........................................................................................194 7.3.3. Circuits secourus en permanence .................................................................195 7.4. EXERCICES .........................................................................................................196 8. LA SECURITE EN ELECTRICITE ...............................................................................198 8.1.1. Code des couleurs ........................................................................................199 8.1.2. Code d’enfichage ..........................................................................................200 8.1.3. Gamme courant par gamme de tension ........................................................203 8.1.4. Protection des prises de courant (sockets)....................................................204 8.1.5. Enfichage / désenfichage des prises de courant (sockets)............................206 8.2. RACCORDEMENTS ELECTRIQUES MOBILES / TEMPORAIRES .....................207 8.3. LA SÉCURITÉ « A LA MAISON » .........................................................................209 8.3.1. Rappel – protection des personnes : .............................................................210 8.3.2. Tableau de distribution ‘abonné’....................................................................212 8.3.3. Installation électrique en salle de bains .........................................................213 8.3.4. Les prises de courant de la maison : .............................................................216 8.3.5. Circuits de terre .............................................................................................218 8.4. EXERCICES .........................................................................................................220 Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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9. GLOSSAIRE ................................................................................................................222 10. SOMMAIRE DES FIGURES ......................................................................................223 11. SOMMAIRE DES TABLES ........................................................................................230

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1. OBJECTIFS Le but de ce cours est de permettre à un futur opérateur de comprendre les bases de l’électricité sur un site industriel à dominance pétrolière. En fin de cours, dans le domaine électrique, le participant devra être capable de : Expliciter l’origine de l’électricité, les différents effets et propriétés de l’électricité Nommer, interpréter les formules et unités de base en électricité Reconnaître les termes et symboles utilisés Comprendre et analyser tout schéma et plan électrique Différencier les différents niveaux de tension et courant Identifier le matériel correspondant à une représentation ou identification donnée Identifier les armoires et appareils d’un poste haute tension Identifier les armoires et appareils d’une distribution basse tension Reconnaître les différents câbles de distribution Interpréter les règlements de sécurité en électricité Connaître le matériel électrique de sécurité à employer suivant les cas Analyser, interpréter un déclenchement, un dysfonctionnement d’ordre électrique Interpréter une consignation électrique pour travaux

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2. L’ORIGINE DE L’ELECTRICITE La fée électricité est présente tout autour de nous. Comment pourrions nous envisager maintenant notre univers quotidien sans sa présence ? Figure 1: La fée électricité Le terme ‘fée électricité’ implique une certaine ‘magie’ que nous ne pouvons admettre avec notre esprit, notre raisonnement cartésien. Nous sommes dans le domaine ‘technique’, l’électricité se doit d’avoir une origine d’ordre scientifique. C’est l’aimant le « responsable », ou tout au moins, « l’aimantation » ou encore le « champ magnétique » créé par un aimant. Sans ce champ magnétique, pas de production d’électricité, pas d’énergie électrique. Figure 2: L’aimant Dans ‘l’autre sens’, lorsque que l’on dispose d’électricité, l’on peut générer une énergie électromagnétique qui actionne tous nos engins modernes, mais au départ, une induction (un champ) magnétique est nécessaire et ce, à partie d’aimant.

2.1. LA « PETITE HISTOIRE » Comment tout cela a-t-il commencé? Un grand nombre de légendes relatent la découverte de l'aimant. L'une des plus courantes remonte à quelque 4000 ans. Un vieux berger nommé Magnès faisait paître ses moutons dans une région au nord de la Grèce, appelée la Magnésie, et on dit que les clous dans ses souliers et la pointe en métal de sa houlette se collèrent à un gros rocher noir sur lequel il se tenait debout. Ce type de roc fût appelé par la suite magnétite, dérivé du nom Magnésie ou de Magnès. Dès le premier siècle avant Jésus-Christ, le magnétisme est mentionné dans les écrits de Lucrèce et les pouvoirs magiques de la magnétite sont décrits dans ceux de Pline l'Ancien. Pendant de nombreuses années à la suite de sa découverte, la magnétite s'est voilée de superstitions et on croyait qu'elle possédait des pouvoirs magiques, comme la capacité de guérir les malades, de chasser les mauvais esprits et même d'attirer et de dissoudre les Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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navires en fer! Contrairement à l'ambre (résine d'arbre, fossilisée), la magnétite a la propriété d'attirer les objets sans être frottée au préalable. La magnétite prenait donc une dimension beaucoup plus magique. On s'est vite rendu compte que la magnétite non seulement attirait les objets de fer, mais, présentée sous la forme d'une aiguille et flottant sur l'eau, pointait toujours en direction nord-sud, créant ainsi une boussole primitive.

2.1.1. Quelles sont les utilisations des aimants? La découverte des aimants a été très importante car ils sont utilisés dans la fabrication des moteurs électriques et des générateurs. Sans électricité, il n'y aurait pas de téléphones, d'éclairage ni de chauffage électrique, d'ordinateurs ou de télévisions

2.1.2. Quels scientifiques nous ont aidé à comprendre les aimants? William Gilbert est le premier à constater que la terre est un aimant géant et que les aimants peuvent être fabriqués en martelant le fer forgé. Il découvre aussi que ce magnétisme induit se perd si le fer est chauffé. En 1820, Hans Christian Øersted établit pour la première fois (lors d'un exposé public) qu'il existe un rapport entre l'électricité et le magnétisme

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2.2. MAGNETISME ET COURANT ELECTRIQUE Qu'est-ce qu'un aimant? Les aimants peuvent être fabriqués en plaçant un matériau magnétique, comme le fer ou l'acier, dans un champ magnétique puissant. Des aimants permanents, des aimants temporaires et des électroaimants peuvent être fabriqués de cette façon. Il n’y a pas de forme déterminée pour un aimant. Il peut être sous forme de barres, de prisme, de cylindre, de fer à cheval (la représentation bien connue), de couteau, de fourchette (mais si, testez donc votre batterie de cuisine), etc….. , du moment que le matériau admet et conserve le magnétisme.

2.2.1. Champ de force magnétique La zone de force (champ magnétique) entourant une pièce de magnétite ou un aimant droit peut être représentée (visualisée) par les lignes de force illustrées ci-contre. Figure 3: Les lignes de force d’un champ magnétique

Bien que ces lignes ne soient pas plus réelles que les lignes de latitude et de longitude que l'on retrouve sur une carte géographique ou un globe terrestre Figure 4: Les lignes de latitude et longitude Les lignes de champ sont tridimensionnelles autour d'une barre magnétique sur tous les côtés.

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2.2.2. L’aimant L’aimant attire tout ce qui est métal ferreux en concentrant cette attraction à ses extrémités. Par analogie avec la terre, qui est un « gros aimant », les extrémités d’un aimant ont été baptisées les ‘pôles’ Figure 5: Les pôles d'un aimant

2.2.2.1. Particularité des pôles : Lorsque les pôles opposés d'un aimant sont rapprochés, les lignes de champ s'épousent et les aimants s'attirent ensemble Figure 6: Attraction entre aimants Lorsque les mêmes pôles d'un aimant sont rapprochés, les lignes de champ s'éloignent les unes des autres et les aimants se repoussent mutuellement Figure 7: Répulsion entre aimants

2.2.2.2. Application à la boussole Comment fonctionne une boussole? Les extrémités nord et sud de la Terre s'appellent le pôle nord et le pôle sud. Puisque la Terre a un noyau composé de fer et de nickel elle se comporte comme un aimant. Les pôles magnétiques de la Terre sont situés près des pôles géographiques

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L'aiguille d'une boussole est aussi un aimant et possède un pôle nord et un pôle sud. Le pôle de l'aiguille identifié par un « N » est attiré par le nord et il indique toujours le nord magnétique de la Terre de même que l'autre extrémité de l’aiguille (identifiée par un « S ») est attirée par le sud et pointe toujours vers le pôle sud magnétique de la Terre. N W NW

SW

S

N SE

E

Figure 8: La boussole

NE

La Terre elle-même agit comme un aimant, avec ses deux pôles et son vaste champ magnétique. A certains endroits de la surface de la Terre, la force magnétique est plus grande qu'à d'autres. S

N

De plus, la force magnétique varie avec le passage de la lune autour de la Terre. La position des pôles magnétiques varie aussi légèrement d'année en année. Le pôle nord magnétique et le pôle nord géographique ne coïncident pas.

2.2.2.3. L’aimant permanent Certaines sortes d'alliages comme l'alnico (un alliage d'aluminium, de nickel, de fer, de cobalt), font d'excellents aimants permanents. Figure 9: L’aimant permanent Les ferrites (matériaux ressemblant à la céramique fabriqués en oxyde de fer avec du nickel et du cobalt) font aussi d'excellents aimants permanents.

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Tacks

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2.2.2.4. L’aimant temporaire Le fer doux et certains alliages de fer, comme le permalloy, (un mélange de fer et de nickel) peuvent être magnétisés très facilement, même dans un champ magnétique faible. Cependant, dès qu'on enlève le champ, le magnétisme disparaît. Ces matériaux font d'excellents aimants temporaires dont on se sert notamment pour la fabrication des téléphones et des moteurs électriques.

2.1.5 L’électromagnétisme : l’induction 2.2.2.5. L’expérience d’Oersted

Compass needle

Figure 10: L'expérience d'Oersted En 1819 le savant danois Hans Christian Oersted découvrit qu'un conducteur rectiligne parcouru par un courant électrique produisait dans l’air ambiant un champ magnétique capable de faire dévier l'aiguille d'une boussole. Ce champ magnétique n’est pas matériel, c’est plutôt une zone d’influence de ce courant sur d’autres courants et aimants. Le champ magnétique est d'autant plus fort que l'intensité du courant est importante et que la ligne de force est proche du conducteur. L'induction magnétique pouvait dès lors être définie avec l’unité « Tesla » et les formules …..(pour l’électricien), et c’est le paragraphe suivant : l’induction magnétique

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2.2.2.6. L’induction magnétique

Figure 11: La règle du tire bouchon L’induction magnétique ‘B’ est orientée selon la règle « du tire-bouchon », elle est perpendiculaire au conducteur. Si cette induction se produit pour un conducteur rectiligne, qu’en est-il pour un conducteur en ‘spire’ et en une série de spire (soit une bobine ou une solénoïde) :

S

N

(b)

(a)

Figure 12: L'induction pour un conducteur en "spire" L’induction est plus forte en (a) mais plus forte en (b) et encore plus forte si l’on augmente le nombre de spires.

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2.2.2.7. L’électroaimant On fabrique les électroaimants en plaçant un noyau métallique (habituellement un alliage de fer) à l'intérieur d'une bobine de fil porteuse d'un courant électrique. En passant dans la bobine, l'électricité produit un champ magnétique dont la puissance dépend de l'intensité du courant électrique et du nombre d'enroulement de fil, et la polarité dépend de la direction du flux.

Soft iron core

S

N

Figure 13: L'électroaimant Au passage du courant, le noyau se comporte comme un aimant, mais en coupant le courant, les propriétés magnétiques disparaissent. Une bobine entourant un barreau ferromagnétique se comporte comme un aimant lorsqu'il est parcouru par un courant. C'est le principe des électro-aimants qui activent les électrovannes (solénoïdes) et les relais. Le noyau ferromagnétique, mobile se déplace selon le sens du courant et le principe de la figure.

Figure 14: Noyau ferromagnétique

2.2.3. L’électromagnétisme : la force électromagnétique Et si l’on combine 2 aimants, ou 2 bobines électromagnétiques ou un aimant + une bobine ? Un conducteur dans lequel circule un courant électrique, placé dans un champ magnétique, est soumis à une force. Celle-ci est perpendiculaire à la direction du courant et à celle du champ magnétique.

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Figure 15: Force électromagnétique et règle des trois doigts de la main droite Avec ‘I’ sens du courant électrique, ‘B’ la direction du champ magnétique (l’induction) et ‘F’ la direction de la force (la poussée ou le déplacement). Lorsqu'un conducteur parcouru par un courant se trouve dans une région de l'espace où règne un champ magnétique, il est soumis à une force électromagnétique, perpendiculaire à la fois au conducteur et au champ. Cette force est parfois appelée force de Laplace, même si cette interaction de deux courants par l'intermédiaire du champ magnétique a été décrite par le savant français André Marie Ampère en 1820. D’une importance capitale, ce phénomène est à la base du fonctionnement des moteurs, des haut-parleurs, d’un grand nombre d’appareils de mesure, des contacteurs, etc. L’action de deux champs magnétiques ou électromagnétiques créent une force engendrant un mouvement, et si maintenant l’on associe une force (un mouvement) avec un champ magnétique…., l’on passe au chapitre suivant.

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2.3. GENERATION DU COURANT ALTERNATIF 2.3.1. Tension induite Un circuit électrique, soumis à un flux magnétique variable, est le siège d’une tension induite. Le flux magnétique Φ en Weber (Wb) exprime la quantité d’induction magnétique interceptée par un circuit électrique.

Figure 16: Tension induite Une tension induite ui(t) peut être modélisée par une source idéale de tension. Si l’on ferme le circuit, par exemple sur une résistance R, un courant i(t) se met à circuler. Il en résulte que la tension induite peut être produite en variant l’induction magnétique, la surface du circuit électrique, l’angle formé entre eux, ou toute combinaison de ces actions.

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2.3.2. Principe du générateur CA

N

I

S

Figure 17: Simple générateur CA Si l’on fait pivoter une spire dans un champ magnétique, une tension induite apparaît à ses bornes. En effet, on fait ainsi varier l’angle α entre le plan de la spire et l’induction magnétique. Plus la rotation est rapide, moins il faut de temps pour faire passer cos α de 1 à -1 et réciproquement. L’amplitude de la tension induite ainsi créée est proportionnelle à l’induction magnétique et à la vitesse de rotation de la spire. Figure 18: Générateur CA

C’est le principe de l’alternateur et pour comprendre la forme sinusoïdale, voyez les schémas suivants.

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M N

S

I

N

M'

M

S

M' i=0

i= (a)

(b) M

M N

N

S

I

M'

S

M' i= (c

i=0 (d

Figure 19: Production de courant alternatif La bobine est en mouvement (en rotation) dans le sens inverse des aiguilles d’une montre De (a) à (b) de 90° De (b) à (c) de 90° De (c) à (d) de 90° De (d) à (a) de 90°

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2.3.3. La dynamo de « vélo » La dynamo de « vélo » est un générateur de courant alternatif, de forme sinusoïdale, avec un aimant (permanent) créant une ‘fem’ dans une bobine « périphérique ». Le terme « dynamo » doit s’appliquer en principe à un générateur de courant continu, c’est donc une erreur d’utiliser ce terme pour l’alternateur équipant un « vélo ». Mais puisque cette appellation a été vulgarisée pour équiper nos cycles, spécifions simplement ‘dynamo de vélo’. La tension produite s’appelle indistinctement ‘e’ ou ‘U’, ‘V’, ‘v’ , ‘u’, ‘E’, etc… Sur la figure ci-dessous, 2 bobines ont été représentées (en série) mais une seule peut très bien ‘faire l’affaire’. V

Axe Sin α

V

N α

Cos α

S V = e = emf = U Figure 20: La dynamo de vélo

Figure 21: Sinusoïde Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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En faisant tourner l’aimant, la valeur ‘U’ à l’instant ‘t’ représente exactement la valeur du sinus de l’angle de positionnement (α) de l’aimant. Pour une rotation complète de 360 deg, une sinusoïde s’est formée, c’est une « alternance ». U (à l’instant ‘t’) = U sin α

2.3.4. Générateur CA triphasé Principe des génératrices (ou moteurs) triphasées : Au lieu d’une seule bobine « périphérique », plaçons en trois à 120°, et ainsi les 3 électroaimants du stator produisent 3 sinusoïdes (ou 3 alternances) lorsque l’aimant ‘central’ entre en rotation. Figure 22: Principe génération courant alternatif triphasé Sur le schéma, la fem induite sera maximale dans la bobine du haut et moindre et inverse dans les 2 autres bobines.

U Z Y

Figure 23: Principe de construction d'une génératrice triphasée

N O

W S

V

X

Figure 24: Représentation du bobinage d’un stator

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2.4. GENERATION DU COURANT CONTINU Une génératrice à courant continu et un moteur à courant continu sont exactement les mêmes machines, il n’y a aucune différence. La génératrice produit du courant continu si on l’entraîne en rotation et la même machine alimentée en courant continu devient un moteur. Les machines à courant continu ont été les premières en utilisation à l’avènement de l’ère électrique. Bien que plus simple techniquement et moins onéreuse en fabrication, la machine à courant alternatif n’a pas été utilisée de suite car moins souple et avec un moindre rendement (au départ). Il a fallu attendre les progrès de la technologie et la deuxième moitié du 20ème siècle pour voir la machine à courant alternatif supplanter (presque) totalement la machine à courant continu

2.4.1. Principe du générateur CC Soit la même spire que pour le générateur CA, tournant dans un champ magnétique mais si pour le ‘CA’ il y a 2 bagues sur lesquelles les balais (en graphite) de la partie fixe (le stator) ’collectent ‘ le courant, pour le CC, il y a 1 bague que l’on a divisée en 2 lames de collecteurs (en cuivre, sur le rotor) Figure 25: Principe du générateur CC

La fonction de commutation est essentielle. Chaque côté d’une spire qui tourne sur son axe passe devant un pôle nord, puis devant un pôle sud, et ainsi de suite.

N

S Figure 26: Générateur CC simple De ce fait, l’induction magnétique interceptée par la spire change de sens régulièrement, en fonction de la position angulaire du rotor.

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+e

TIME

Pour éviter que le couple produit par la force électromagnétique ne s’inverse au même rythme, il faut régulièrement inverser le courant dans la spire, ce que réalise le collecteur. Figure 27: fem produit par une génératrice CC

-e

Le couple produit par le passage du courant dans une spire serait approximativement sinusoïdal sans la présence du collecteur. Il prend l’allure d’une sinusoïde redressée grâce au collecteur. Figure 28: Sinusoïde redressée Ces pulsations sont cependant gênantes. Aussi les machines à courant continu sont équipés de plusieurs spires, chacune reliée à une paire de lames sur le collecteur. La figure ci-contre illustre l’effet de lissage du couple réalisé en passant de 1 à 2 spires au rotor, donc de 2 à 4 lames au collecteur. Figure 29: Effet du lisage du couple Sur ce montage avec champ magnétique du stator créé par électroaimant, il y a 6 spires (ou 6 bobinages) au rotor. Le courant et la tension générés sont en conséquence 6 fois plus lissés avec autant de paires de lames de collecteur (split-ring commutator) qu’il y a de spires.

+

+

+ + + +

Figure 30: Rotor avec 6 bobinages

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Figure 31: Composition d'une machine CC Pour mieux lisser le couple électromagnétique, les machines à courant continu sont réalisés avec un grand nombre de spires et de lames.

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2.4.2. Différents types de machines CC 2.4.2.1. Machine à aimants permanents C’est le type vu dans le principe du paragraphe ci-dessus L’on trouve des génératrices de courant continu à aimants permanents en tant qu’excitatrice d’alternateur triphasé. 2.4.2.2. Les autres machines Trois types existent correspondant au type du câblage entre rotor et stator : Machine « Shunt » Machine « Série » Machine « Compound » L’avantage général de la machine à CC est la souplesse en fonction de la vitesse. Une génératrice CC pourra fournir la même tension dans une grande gamme de vitesse, il suffit de moduler le courant dans les « inducteurs » du stator Un moteur CC a en très grande étendue de vitesse en variant le courant soit dans « l’induit », soit dans les inducteurs (ou l’armature), soit dans les deux. Machines « Shunt » Le stator et le rotor sont câblés en parallèle. Le moteur shunt produit un couple constant quel que soit sa vitesse Figure 32: Machine "Shunt"

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N

S S

Figure 33: Câblage shunt d'une machine CC Machines « Série» : Le stator et le rotor sont câblés en série. Le moteur série produit un couple important et particulièrement à faible vitesse Figure 34: Machine "Série"

Armature

S

N

Figure 35: Câblage « Série » d’une machine CC

Field windings Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Machines « Compound» : Combinaison du Shunt et du Série, les inducteurs étant câblés une partie en série et une autre en parallèle avec l’induit. Avantages combinés pour le moteur qui est le plus employé des 3. Vous le trouverez entraînant les pompes huile et, eau de refroidissement d’un générateur. Figure 36: Machine "Compound"

2.5. EXERCICES 1. Un aimant est articulé en rotation, on approche un deuxième aimant dans le sens de la flèche. Que fait l’aimant articulé?

? N N S

S

‰ Il tourne dans le sens des aiguilles d’une montre ‰ Il tourne dans l’autre sens

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2. Un aimant est articulé en rotation, on approche un deuxième aimant ans le sens de la flèche. Que fait l’aimant articulé?

? N S S N

‰ Il tourne dans le sens des aiguilles d’une montre ‰ Il tourne dans l’autre sens 3. Dans quel type de matériau sont les « tacks » (clous) de la figure ci-dessus ?

Tacks

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4. A quel type d’appareil électrique vous fait penser cette figure ci-contre ?

5. Soit une bobine articulée dans un champ magnétique permanent. Si cette bobine est parcourue par un courant continu pouvant varier en intensité, à quel appareil ce schéma peut-il s’apparenter ?

N

‰ Moteur électrique ‰ Solénoïde

S

N

‰ Voltmètre

S

‰ Transformateur ‰ Relais

6. La tension à l’instant ‘t’ de 3 bobines à 120 deg. est représentée sur le graphique cidessous. Si u1 = 1 Volt à cet instant ‘t’, quelle est la valeur u2 et u3 au même instant ‘t’. Aidez vous du graphique ci après pour les 3 alternances produites u = f (t) Sin α u1

u2

1 Volt

u3

1 Volt

U2 = ………….. U3 = …………..

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7. Si une alternance du graphique ci-contre est la représentation d’un voltage en 50Hz, quelle est la valeur (en temps) de l’alternance ‘T’ ?

T = ……………

8 Pour la “dynamo de vélo” quand j’effectue une rotation de 1 tour durant 1 seconde je produis une tension induite à la fréquence de 1 hertz. 8.1 Combien de révolutions par seconde sont nécessaires pour avoir 50 Hz ?

8.2 La vitesse des machines tournantes s’exprime en RPM (Révolution Par Minute), à quelle vitesse doit tourner la machine en rpm pour avoir du 50 Hz ?

8.3 À quelle vitesse doit tourner la machine en rpm pour avoir du 60 Hz ?

8.4 L’aimant central en rotation s’appelle : ‰ Stator ‰ Rotor 8.5 Les bobines captant l’énergie induite (en périphérie) sont dans le : ‰ Stator ‰ Rotor Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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3. THEORIE, SYMBOLES ET PLANS EN ELECTRICITE 3.1. SYMBOLES ET UNITES Source : Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006

3.1.1. Les unités SI de base L’étude quantitative des formules obtenues par le physicien ou l’ingénieur suppose l’emploi d’un système cohérent d’unités. Le système international d’unités – en abrégé SI – est le système universellement adopté dans le domaine de l’électricité. Il repose sur sept unités de base et deux unités géométriques supplémentaires présentées dans la table suivante. Grandeurs Nom

Unités SI

Remarque

Symbole

Nom

Symbole

l, d x , y,…

mètre

m

Masse

m

kilogramme

kg

Temps

t

seconde

s

Intensité de courant électrique

I i

ampère

A

Température thermodynamique

T

kelvin

K

Quantité de matière

n

mole

mol

Intensité lumineuse

Iv

candela

cd

α, β, γ,..

radian

rad

Ω

stéradian

sr

Longueur

angle plan angle solide

ne pas confondre avec le poids

2π (rad) = 1 tour complet

Table 1: Les unités de base

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3.1.2. Les unités SI dérivées Toutes les autres unités sont dérivées de ces unités de base, sur la base de lois naturelles et de relations géométriques. Une liste des principales grandeurs et unités dérivées utilisées en électricité est donnée dans la table suivante. Grandeurs Nom Force Couple (moment d’une force) Énergie, travail

Unités SI dérivées

Relations entre unités

Symbole

Nom

Symbole

F

Newton

N

newton-mètre

Nm

joule

J

1 J = 1 Nm = 1 W s

M T E W

1 N = 1 kg m/s² = 1 W s/m

Puissance (puissance active)

P

watt

W

1 W = 1 J/s = 1 V A

Puissance réactive

Q

voltampère réactif

var

1 var = 1 V A

Puissance apparente

S

voltampère

VA

Pression

P

pascal

Pa

1 Pa = 1 N/m²

Charge électrique

Q

coulomb

C

1C=1As

Tension, différence de potentiel

U u

volt

V

1 V = 1 W/A = 1 J/C

Résistance électrique

R

ohm

Ω

1 Ω = 1 V/A

Capacité électrique

C

farad

F

1 F = 1 C/V = 1 A s/A

Inductance

L

henry

H

1 H = 1 Wb/A = 1 V s/A

Fréquence

ƒ

hertz

Hz

1 Hz = 1 s-1

Pulsation

ω

radian/seconde

rad s-1

Flux magnétique

Φ

weber

Wb

Induction magnétique

B

tesla

T

Champ magnétique

H

ampère/mètre

A/m

Champ électrique

E

volt/mètre

V/m

ω = 2π f 1 Wb = 1 V s 1 T = 1 Wb / m²

Table 2: Les unités SI dérivées

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3.1.3. Les préfixes La grande trouvaille du système métrique proposé lors de la révolution française fut d’appondre des préfixe aux unités, correspondant à des multiples et sous-multiples en base 10 de l’unité. Ainsi, une distance ci-dessus s’exprime en kilomètre, abrégé « km ». Ce préfixe correspond à une multiplication par 1000, et on dira que cette distance est de 37,2 km par exemple. De la même manière, pour une mine d’un crayon dont le diamètre mesure 0,002 m ou 2 · 10-3 m, on utilisera plutôt un sous-multiple du mètre, soit le millimètre, abrégé « mm », correspondant à un sous multiple de 1000, et ce diamètre vaut ainsi 2 mm. Il en va de même et de manière systématique pour toutes les unités SI, et pour des rapports beaucoup plus importants. Pour former les noms et les symboles des multiples et sous-multiples décimaux des unités SI, on utilise les préfixes donnés à la table suivante. Facteur

Préfixe

Exemple

Nom

Symbole

1012

téra

T

1 TJ = 1012 J

109

giga

G

1 GHz = 109 Hz

106

méga

M

1 MW = 106W

103

kilo

k

1kΩ = 103 Ω

102

hecto

h

1 hm = 100 m

10-1

déci

d

1 dl = 0,1 l

10-2

centi

c

1 cm = 0,01 m

10-3

milli

m

1 mA = 10-3 A

10-6

micro

µ

1 µH = 10-6 H

10-9

nano

n

1 ns = 10-9 s

10-12

pico

p

1 pF = 10-12 F

Table 3: Les préfixes Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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3.1.4. Règles de l’écriture des unités L’utilisation des unités dans les textes techniques est régie par des règles orthographiques très strictes, définies par l’ISO (Organisation internationale de normalisation, en anglais International Organization for Standardization), en particulier dans le choix majuscule / minuscule, de la ponctuation et du pluriel : Les symboles ne sont pas suivis du point habituel des abréviations en langue française. On écrira ainsi : « la distance d vaut 12 m ». Lorsque son nom est écrit en toutes lettres, l’unité reste invariable. On écrira ainsi : « Ce moteur a une puissance de 850 watt », donc sans le « s » du pluriel. Toutefois, dans les textes moins techniques, la règle de grammaire française reprend le dessus : « Ce bateau mesure 12 mètres », avec le « s » final.

3.1.5. Unités techniques « hors normes » Certaines unités antérieures au système SI sont toujours en usage, souvent par habitude, parfois parce que l’équivalent SI n’est pas aussi « pratique ». Grandeurs

Distance

Volume

Angle

Unité

Relations entre unités

Nom

Symbole

Ångström

Å

1 Å = 0,1 nm = 0,1 10-9 m 1 mille nautique = 1852 m. Ne pas confondre avec le mile « terrestre » britannique = 1609,3 m.

Mille nautique

1 a.l. = 9,46 1015 m

Année lumière

a.l.

litre

lt

1 lt = 1 dm3 = 0,001 m3

Degré

°

1 tour = 360° = 6,28 rad

Minute

‘

1’ = 60’’

Seconde

‘’

60’’ = 1’

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Temps

Minute

min

Heure

h

1 h = 60 min = 3600 s

Jour

j

1 j = 24 h

Kilomètre à l’heure

Km/h

Vitesse

1 min = 60 s

1 m/s = 3,6 km/h 1 nœud = 1 mille nautique / h = 1,852 km/h = 0,5144 m/s

Noeud Vitesse angulaire

Tour par minute

t / min r / min rpm

Masse

Tonne

t

Force

Kilo ponde

kp

1 kp = 9,81 N C’est le poids d’une masse de 1 kg sur terre

Calorie

cal

1 cal = 4,1868 J Chauffe 1 g d’eau de 1 °C

Grande calorie ou kilocalorie

Cal

1 Cal = 1 kCal = 1000 cal

Kilowattheure

kWh

1 kWh = 3,6 106 J

Cheval vapeur

CV

1 CV = 735 W

Bar

bar

1 bar = 100.000 Pa = 1 hPa

Kilo par cm carré

kp/cm²

1 kg/cm² = 9,81 N/cm² = 98.000 Pa ≈ 1 hPa

Atmosphère

atm

1 atm = 1,03 kp/cm² = 1,01325 hPa ≈ 1 hPa

Degré Celsius

°C

Différence de température : 1 °C = 1 °K Référence : 0 °C = 273,16 °K

Énergie

Puissance

Pression

Température

1 s-1 = 1 tour/s = 60 t/min 3000 t/min * π / 30 ≈ 314 rad/s 1 t = 1000 kg

Table 4: Unités techniques « hors normes »

3.1.6. Unités anglo-saxonnes Même les milieux scientifiques anglo-saxons ont une grande peine à utiliser le système SI, et utilisent toujours les unités britanniques, voire des unités spécifiquement américaines. Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Elles se distinguent par le fait que les unités de longueur, de masse, et bien d’autres sont basées sur les multiples 12, 16 et bien d’autres. Par exemple, 1 mille équivaut à 5 280 pied ; 3 pieds équivalent à 12 pouces. Le métier d’ingénieur étant souvent très international, il convient de connaître au moins l’existence des unités du tableau suivant : Grandeurs

Nom de l’unité En français

Longueur

Relations entre unités

In English

Symbole

mil

mil ‘’ in ‘ ft

1 mil = 0,001’’ = 25,4 µm

Pouce

Inch

Pied

Foot

Mille

(statute) mile

1 mile = 5280’ = 1609,3 m

Mille marin

(nautical) mile

1 mile = 1852 m

Gallon impérial

Impérial gallon

UK gal

1 UK gal = 4,546 dm3

Gallon US

US gallon

US gal

1 US gal = 3,79 dm3

Once

Ounce

oz

1 oz = 28,35 g

Livre

Pound

lb

1 lb = 16 oz = 0,4536 kg

Ton

ton

Pound / square inch British thermal unit

lb/in² psi

1 lb/in² = 70,3 g/cm² = 6,8948 kPa

BTU

1 BTU = 252 kJ

Livre-pouce

Pound-inch

lb-in

1 lb-in = 0,113 Nm

Livre-pied

Pound-foot

lb-ft

1 lb-ft = 1,35582 Nm

Cheval

Horse power

hp

1 hp = 42,41 BTU/min = 745,7 W

Degré Fahrenheit

Fahrenheit

°F

1 °F = 5/9 °C ≅ 0,56 °C 0 … 100 °C correspond à 32 … 212 °F

1’’ = 25,4 mm 1’ = 12’’ = 30,48 cm

Volume

Masse

Pression

Livre / pouce²

Energie

1 ton = 2240 lb = 1061,1 kg

Couple (*)

Puissance Température

(*) : Lors de la conversion du couple, il y a lieu de tenir compte de l’accélération terrestre g = 9,8065 m/s², car la livre est une unité de masse et non de force. Ainsi, 1 lb-ft = 0,13831 kgp m. Et en système SI : 1 cheval vapeur (CV) = 735 W (ou 736 W) quand 1 horse power (HP) = 746 W

Table 5: Unités anglo-saxonnes Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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3.2. GRANDEURS DE BASE EN ELECTRICITE(COURANT CONTINU) Source : Bernard Schneider et Alain Beuret, 2003 à 2006 (partiel)

P = U I cosφ 420 µV

??

25 MW

250 KWH

450 A

350 mV

60 MVA

Régler le déphasage

Cos φ 0.91

35 KVAR

16 mA Q = U I sinφ

??

Le but n’est pas de faire d’un opérateur un électricien, mais un opérateur qui relève l’énergie consommée sur son site se doit de comprendre « un minimum » quant aux puissances ‘active’, ‘réactive’ , leur liens avec l’intensité, la tension, le cos φ, etc… Vous vous devez de, sinon maîtriser, tout au moins comprendre les termes et les formules pour pouvoir en discuter avec « d’autres » personnes et plus simplement de comprendre les relevés que vous pourriez faire. Vous connaissez les unités générales, les principales que vous rencontrerez dans le domaine électrique sont les suivantes :

3.2.1. Courant électrique Définition : L’intensité i du courant électrique est la mesure du mouvement d’ensemble des électrons libres dans un conducteur, résultant d’une différence de potentiel. L’unité de mesure de l’intensité de courant est l’ampère [A]. Une intensité de 1 ampère correspond au passage d’une charge de 1 coulomb chaque seconde à travers la section de conducteur observé.

i (t ) =

∆Q(t ) ∆t

⎡C ⎤ ⎢ s ⎥ = [ A] ⎣ ⎦

Convention d’écriture : Lorsque la valeur du courant varie au cours du temps, il est d’usage d’utiliser la lettre minuscule « i ». Lorsqu’un courant est constant, il est d’usage d’utiliser la lettre majuscule « I ». Cette convention est aussi utilisée pour d’autres grandeurs physiques.

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Convention de signe : Un courant positif est celui qui s’établit entre la borne positive et la borne négative d’un générateur lorsqu’un conducteur y est connecté. Il faut relever que ce sens conventionnel du courant, qui a été choisi arbitrairement avant l’établissement de la théorie électronique du courant électrique, est l’inverse du sens de déplacement des électrons dans le circuit externe mais dans le sens des ions dans l’électrolyte. Figure 37: Sens conventionnel du courant et le sens de déplacement des électrons

3.2.2. Tension et différence de potentiel Définition : On dit qu’il existe une tension u entre deux bornes d’un appareil lorsqu’elles présentent un manque (borne +), respectivement un excès (borne -) d’électrons libres. La tension est appelée également différence de potentiel, ou force électromotrice (f.e.m.). L’unité de mesure de tension est le volt [V]. Analogie entre une installation hydraulique et un circuit électrique : La tension peut être comparée à la pression qui apparaît au bas de la conduite forcée d’un barrage hydraulique, juste avant la turbine. Cette pression existe même si la vanne d’admission est fermée. Figure 38: Analogie entre une installation hydraulique et un circuit électrique De la même manière, une tension électrique peut apparaître même si aucun courant ne circule. Ainsi, comme le montre la figure ci-dessus, la différence de pression hydraulique entre les points ‘A’ et ‘B’ de l’installation peut être comparée à la différence de tension électrique entre les bornes + et – de la source d’électricité.

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Le tableau ci-après résume cette analogie, et montre également une analogie thermique : Électricité

Hydraulique

Conduction thermique

Potentiel

Altitude

Température

Tension (différence de potentiel)

Différence d’altitude

Écart de température

Charge électrique disponible

Quantité d’eau dans le lac

Energie thermique

Courant

Débit d’eau

Flux thermique

Résistance

Perte de charge

Résistance thermique

Table 6: Analogie entre l’électricité et l’hydraulique Convention de signe : Le sens de représentation de la tension aux bornes d’un générateur est défini comme allant du pôle positif au pôle négatif. On la représente par une flèche orientée dans le même sens. Cette convention, qui est celle de la CEI (Commission Électrotechnique Internationale), est utilisée dans le monde entier (ou presque). Cette précision est indispensable car, dans les ouvrages édités en France, la flèche est orientée en sens inverse, et au Canada français, certains ouvrages utilisent une double-flèche. Figure 39: Sens de la tension Conclusion, tout le monde est d’accord pour le sens du courant, mais pour le sens d’indication de la tension, les français ne font pas comme tout le monde….

3.2.3. Loi d’Ohm, résistance (en courant continu) Loi d’Ohm : Le rapport de la tension électrique appliquée entre les extrémités d’un corps conducteur donné au courant qui le parcourt est un nombre constant. En 1827, l’allemand Georg Simon Ohm publia sa découverte : En augmentant la tension, le courant augmente dans la même proportion. Il proposa la définition suivante : Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Définition : La résistance R d’un corps conducteur est le rapport constant entre la tension appliquée à ce corps conducteur et le courant qui le parcourt. En l’honneur de son ‘découvreur’, l’unité de mesure de résistance est l’ohm [Ω]. Si l’on applique une tension de 1 volt à un corps dont la résistance est de 1 ohm, ce corps sera parcouru par un courant de 1 ampère.

R=

⎡V ⎤ ⎢ A ⎥ = [Ω] ⎣ ⎦

u (t ) i (t )

U = R . I Où R est la résistance en [Ώ], u(t) la tension en [V] et i(t) le courant en [A] Représentation graphique d’une résistance est selon la figure de gauche. On la trouve toutefois comme celle de droite qui est en fait plus le symbole de l’impédance Résistances en série : R1

R2

R3

Rn

Rt Figure 40: Résistances en série La valeur de la résistance totale est la somme des valeurs ohmiques de chaque résistance Rt = R + R2 + R3 + ……….Rn Résistances en parallèle : La valeur de la résistance équivalente est égale à : R1

R2

R3

Rn

Rt

1 1 1 1 1 + + + ..... + = R1 R 2 R3 Rn Rt Figure 41: Résistances en parallèle

Note : la notion de résistance s’applique en couant continu. En courant alternatif, l’on appliquera le terme « impédance » ; voir plus loin dans le cours

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3.2.4. Résistivité Les corps conducteurs de l’électricité opposent une résistance plus ou moins grande au passage du courant électrique et ce, en fonction de la valeur de leurs résistivités. Définition : La résistivité ρ est le coefficient de proportionnalité qui apparaît entre les dimensions d’un conducteur (cylindre, prisme, fil …). et sa résistance. La résistance de ce conducteur est établie suivant la formule :

R=ρ∗

1 A

[Ω] = ⎡⎢Ωm ∗ ⎣

m⎤ m² ⎥⎦

Où R est la résistance du conducteur en [Ω], l sa longueur en [m] et A sa section en [m2] La résistivité s’exprime en ohms par mètre La résistivité est une propriété qui varie avec la température du matériau, et cette variation est généralement non linéaire. Toutefois, pour les métaux utilisés dans la plage de température industrielle, une approximation linéaire est presque toujours suffisante. Passons outre quant aux corrections de température (avec le coefficient), ce n’est (pratiquement) jamais utilisé dans nos applications de base. Les matériaux qui ont des propriétés intéressantes pour la distribution électrique : Le cuivre est, hormis l’argent qui est beaucoup plus cher, le matériau qui présente la résistivité la plus faible. C’est la raison pour laquelle ce matériau est utilisé dans presque tous les appareils électriques ainsi que pour le transport de l’électricité. L’aluminium présente une résistivité plus élevée. Toutefois, ce matériau est environ 3 fois plus léger que le cuivre. Il est souvent utilisé à la place du cuivre pour cette raison. Le constantan, un alliage de cuivre et de nickel, présente une résistance plus élevée, mais un coefficient de température presque nul. C’est pourquoi il est utilisé, entre autre, pour les jauges de contraintes.

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Le tableau ci-dessous donne la résistivité et le coefficient de température de quelques matériaux à température ambiante.

Matériaux

Symbole

Résistivité ρ à 20 °C [Ωm]

Coefficient de température à 20 °C [K-1] ou [°C-1]

Cuivre

Cu

17,5 10-9

4 10-3

Aluminium

Al

28 10-9

4 10-3

Constantan

CuNi

500 10-9

0,02 10-3

Argent

Ag

16 10-9

4 10-3

Platine

Pt

98 10-9

4 10-3

Or

Au

23 10-9

4 10-3

Fer

Fe

~100 10-9

6 10-3

Carbone (graphite)

C

60.000 10-9

~-0,3 10-3

Eau pure

H2O

250 103

Verre

1012 … 1018

Nylon

50 109

PVC

100 1012

Table 7: Résistivité et cœfficient de température de quelques matériaux

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3.2.5. Résistance (en tant que composant électrique pour éviter la confusion) La résistance n’est pas seulement une grandeur électrique que l’on peut mesurer. C’est aussi le nom des composants électriques dont la caractéristique principale est d’avoir une résistance déterminée. Paragraphe applicable en courants alternatif et continu C’est pour contourner ce problème de la langue française que l’on parle également de la valeur ohmique d’une résistance, ce qui est plus clair que de dire « la résistance d’une résistance ». Remarquons que cette confusion existe également en allemand (der Widerstand, respectivement der Widerstandswert), mais pas en anglais (this resistor has a resistance equal to 100 Ω). Ces composants sont fabriqués à l’aide de divers matériaux : constantan, platine, carbone, etc. Lorsqu’on souhaite réaliser un corps de chauffe, on utilise généralement du fil de constantan, bobiné autour d’un cylindre ou d’un support en céramique (isolant). En électronique, on utilise également des résistances à fil métallique bobiné, de très petites tailles, ou des résistances à masse de carbone. Figure 42: Différents composants électriques Vu la petite taille de la plupart de ces résistances, les électroniciens ont établi un code de couleurs permettant, par lecture d’anneaux en diverses couleurs, de déterminer leur valeur ohmique. Couleur Gris Or Noir Brun Rouge Orange Jaune Vert Bleu Violet Gris Blanc

1er chiffre

2ième chiffre

Multi plicateur

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

100 101 102 103 104 105 106 107

Tolé rance 10% 5% 1% 2%

Table 8: Code de couleurs des résistances Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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3.2.6. Effet Joule (paragraphe applicable en courants alternatif et continu) Définition : On dénomme pertes Joule ou pertes ohmiques, l’énergie thermique produite dans un conducteur par le passage d’un courant électrique. Loi de Joule : La puissance électrique transformée en chaleur par un courant circulant dans une résistance est proportionnelle au carré de ce courant, et à la valeur de cette résistance.

P(t ) = R × I (t )²

[Ω ⋅ A²] = [W ]

P = R× I²

Où P(t) est la puissance en [W], R la résistance en [Ω] et i(t) le courant électrique en [A]

3.2.7. Puissance électrique Si, dans la formule ci-dessus, on remplace R par le rapport de la tension et du courant (loi d’Ohm, en 3.2.3.), on obtient une équation qui permet de calculer la puissance directement à partir de la tension électrique et du courant :

P(t ) = u (t ) × i (t )

[V ] × [A] = [W ]

P =U × I

Où P(t) est la puissance en [W], u(t) la tension en [V] et i(t) le courant en [A] Cette équation peut être généralisée à n’importe quel circuit électrique reliant 2 bornes A et B (schéma ci-dessous). Figure 43: Circuit électrique En vertu de la loi de Kirchhoff sur les noeuds, le courant qui pénètre dans le circuit par la borne A en ressort intégralement par la borne B, et vice versa. Si ce courant et la tension entre les points A et B sont connus, on peut calculer la puissance électrique fournie à ce circuit.

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Convention de signe : La puissance traversant un circuit électrique vu depuis les deux bornes ‘+’ et ‘-‘ est positive si, la tension entre ‘+’ et ‘-‘ étant positive, le courant pénétrant dans le circuit depuis la borne ‘+’ est également positif. Ainsi définie, cette puissance est consommée par le circuit : Elle « entre » dans l’appareil considéré. Figure 44: Convention de signe

3.2.8. Emploi des lois d’Ohm et de Joule Considérons le cas où le circuit entre les points A et B est une simple résistance de valeur R. Soit uR(t) la tension à ses bornes, iR(t) le courant qui la traverse, et PR(t) la puissance électrique que reçoit cette résistance (et qu’elle dissipe sous forme thermique). Ce sont là 4 grandeurs physiques qui caractérisent le fonctionnement du composant « résistance ». Les lois d’Ohm (Formule en 3.2.3.) et de Joule (Formule en 3.2.6.) montrent que ces grandeurs sont liées.

Table 9: Relations P, U, I, R courant continu et alternatif (valeurs instantanées) simple phase (circuit résistif) Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Comme en mathématique, si l’on fixe 2 valeurs quelconques parmi ces 4 inconnues, les 2 autres en découlent automatiquement. Les lois d’Ohm et de Joule sont parfaitement réversibles et combinables. Pour toutes les combinaisons possibles de valeurs fixées, le tableau ci-dessus montre comment calculer les deux autres.

3.2.9. Énergie électrique : La puissance est une quantité de travail accomplie par seconde, et en électricité : l’énergie électrique est proportionnelle à la puissance moyenne mise en jeu et à la durée considérée : L’unité SI d’énergie électrique est le joule, qui correspond à une puissance de 1 W consommée pendant 1 s. Toutefois, dans les milieux de la production, de la distribution et de la consommation d’énergie, il est d’usage d’utiliser une autre unité, le kilowattheure [kWh]. D’où : Définition : Le kilowattheure [kWh] est la quantité d’énergie électrique absorbée pendant 1 heure par un appareil dont la puissance constante est de 1 kW. Il résulte de cette définition que : 1 kWh = 1'000 W · 3'600 s = 3'600'000 J = 3,6 MJ Note : il est employé l’abréviation kWh, il peut être toléré kW ;h ou kW.H Le kWh s’écrit « kilowattheure » en un seul mot Ne jamais employer kW/H ou kW par heure et en écriture kilowatt/Heure qui sont des représentations fausses et à proscrire. Remarque : Dans un circuit électrique, il est important de distinguer : La puissance d’un appareil, qui est la puissance électrique absorbée ou fournie par cet appareil. Un tel appareil convertit l’énergie électrique en une autre forme, ou vice versa. Ainsi, un moteur qui transforme de l’énergie électrique en énergie mécanique sera caractérisé par sa puissance. Pour des appareils comme des moteurs et des batteries, la puissance absorbée peut être positive ou négative. Les pertes ohmiques, ou pertes Joule, qui correspondent à la puissance électrique transformée en chaleur lors du transport de l’électricité ou du processus de conversion. Ces pertes correspondent toujours à une puissance positive. Transformées en chaleur, elles sont souvent non récupérables et perdues. Il en va de même, par exemple, pour les pertes par frottement d’un système mécanique en mouvement.

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3.2.10. Rendement (en puissance active) Le rendement d’un appareil est une caractéristique très importante. Pour un moteur, le rendement sera le rapport de la puissance disponible à l’arbre et de la puissance électrique qui lui est fournie. Figure 45: Le rendement d'un appareil Un mauvais rendement produit des effets négatifs comme par exemple : élévation de la température ambiante, nuisible au bon fonctionnement des appareils électriques comme des éléments mécaniques ; échauffement du moteur ; cette chaleur transmise aux parties mobiles provoquera des dilatations qui altéreront la précision d’une machine-outil ou influenceront un processus chimique ; coût supplémentaire de l’énergie consommée. Exemple : Le moteur électrique d’un appareil de jardinage a une puissance nominale de 1’000 W. Son rendement est de 60%. Il est alimenté sous 230 V par une ligne de 100 m de longueur. Calculer les puissances en jeu. (En supposant que l’on puisse appliquer les formules cidessus du courant continu)

Figure 46: Exemple d'un appareil électrique

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Le courant nominal de ce moteur vaut : I = P / U = 1000 W / 230 V = 4,35 A Il se comporte comme une résistance :

Rmoteur = U / I = 230 V / 4,35 A = 52,9 Ώ

En admettant que le câble comporte deux fils de cuivre de 1,5 mm2 de section (un pour l’aller, l’autre pour le retour du courant), sa résistance vaut : Rcâble = ρ . L / S = 17,5.10-9 Ώm . 2 . 100m / 1,5 . 10-6 m² = 2,3 Ώ Le système câble + moteur se comporte comme une résistance: Rtotal = Rcâble + Rmoteur = 52,9 + 2,3 = 55,2 Ώ Le courant parcourant ce système vaut alors (loi d’Ohm) : I = 230 V / 55,2 Ώ = 4,16 A Nous pouvons calculer ainsi les puissances suivantes : Puissance absorbée par le moteur : Pmot élec = Rmot . I² = 52,9 . (4,16)² = 917 W Puissance absorbée par le câble (perte) : Pcâble = Rcâble . I² = 2,3 . (4,16)² = 40 W Puissance totale consommée : Ptotal = 230 V . 4,16 A = 957 W On constate que l’on a bien : Ptotal = Pcâble + Pmoteur = 917 W + 40 W = 957 W Nous devons également tenir compte du rendement du moteur. Si ce rendement est par exemple de 60%, nous ne retrouverons à l’arbre que la puissance mécanique suivante : Pméc = ήmot . P mot élec = 0,6 . 917 W = 550 W Des 957 W soutiré du réseau électrique, nous ne retrouvons que 550 W à l’arbre du moteur. La différence est constituée de pertes ohmiques dans le câble (40 W) et de pertes diverses dans le moteur (917 – 550 = 367 W). Note : nous avons exprimé la puissance en watt, donc en puissance active – voir plus loin dans le cours pour la spécification de la puissance active.

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3.3. GRANDEURS COMPLEMENTAIRES EN ELECTRICITE Les grandeurs de base P, U, I, R ne sont malheureusement pas suffisantes pour comprendre et déterminer les mesures de puissance, et plus particulièrement en courant alternatif. Avant de passer aux puissances ‘active’, ‘réactive’, ‘apparente’, de parler du facteur de puissance (cos φ), il est impératif d’aborder au moins deux compléments qui sont l’inductance et la capacitance

3.3.1. Inductance : la ‘self’ Définition : On appelle inductance L le coefficient de proportionnalité qui lie la variation du courant circulant dans une bobine, et la tension induite que ces variations font apparaître entre ses bornes. L’unité d’inductance est le Henry [H]. Figure 47: Inductance La figure ci-contre montre le symbole de l’inductance selon la norme CEI (Commission Électrotechnique Internationale). Le symbole entre parenthèses, à droite, est également beaucoup utilisé. Figure 48: Symbole de l’inductance Inductances en série : comme pour les résistances les valeurs (en Henry) s’ajoutent L = L& + L2 + L3 +……+ Ln Figure 49: Inductances en série Inductances en parallèle Dans un circuit, il peut arriver également que plusieurs inductances soient disposées en parallèle. Elles ont ainsi toutes la même tension u(t) à leurs bornes, la valeur équivalente résultante est comme pour R

1 1 1 1 1 = + + + ........ L L1 L 2 L3 Ln Figure 50: Inductances en parallèle Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Inductance idéale en circuit commuté A l’instant t 1 = 0 on modifie la position du commutateur, ce qui revient à connecter l’inductance idéale directement sur la source idéale de tension U > 0. Figure 51: Inductance idéale en circuit commuté Comme il n’y a pas d’autre composant en série dans ce circuit, nous avons immédiatement UL (t) = U. Le courant i (t) augmente alors linéairement comme sur le graphique ci-dessous. La valeur du courant i (t) s’établit progressivement aux bornes de l’inductance sous tension UL Si, plus tard, soit à l’instant t2, on remet le commutateur dans sa position initiale , l’inductance (en circuit fermé sur elle même) se voit à nouveau soumise à une tension UL (t). Figure 52: Représentation graphique de l'inductance idéale Le courant qui circule à ce moment dans l’inductance reste constant, égal à la valeur qu’il avait juste avant t2 Conclusion, si l’inductance débite sans être connectée sur une source, c’est qu’elle a emmagasinée de l’énergie, c’est l’effet de ‘self’. Attention à la châtaigne ! Au niveau de l’interrupteur (ou disjoncteur) sur un circuit inductif, un courant « de coupure » se produit, c’est l’arc électrique que vous pouvez observer même ‘à la maison ‘ sur un simple inter. Plus l’inductance est « forte », plus le courant de coupure est important et plus il y a de « problème » pour l’appareil de coupure à cause de cet effet de self. Inductance réelle R + L Les bobines réelles ont inévitablement une petite résistance en série, due à la résistivité non nulle des conducteurs qui les composent. Pour prendre les imperfections de l’inductance en considération, nous la modélisons par une résistance R et une inductance idéale L, connectées en série. Nous connectons cet ensemble à une source de tension idéale, par l’intermédiaire d’un commutateur. Lorsque le courant est nul, juste après la commutation, toute la tension de la source est appliquée à l’inductance, et le courant i (t) commence à croître. Figure 53: Inductance réelle Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Cependant, au fur et à mesure que le courant augmente, la tension aux bornes de la résistance augmente également, et la tension qui reste à disposition de l’inductance diminue

Figure 54: Représentation graphique de l'inductance réelle A un certain moment, même si cela prend longtemps, la tension UL (t) aux bornes de l’inductance aura tellement diminué qu’elle sera pratiquement nulle. A ce moment donc, le courant i (t) ne pourra que rester constant. Le système aura atteint un état stable. Technologies et utilisations des inductances Les inductances réelles (les bobines que l’ontrove dans les enroulements des moteurs et des générateurs) se distinguent par leurs caractéristiques : La valeur inductive L et sa marge de tolérance sont bien sûr leurs caractéristiques essentielles Le courant nominal Inom détermine le courant supportable en permanence, mais aussi celui qu’il ne faut pas dépasser pour ne pas sortir du domaine de linéarité (saturation du fer) La résistance série R est nécessaire pour déterminer si le courant est autolimité, ou s’il faut ajouter une résistance extérieure, en fonction de la tension de service prévue ; Les aspects constructifs sont également importants (forme et dimensions, comportement en courant alternatif, effets parasitaires à haute fréquence, etc.)

Figure 55: Inductances utilisées en électronique Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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3.3.2. Condensateur Définition(s) : On appelle condensateur un composant électrique construit par la juxtaposition de deux plaques ou de deux feuilles conductrices, séparées l’une de l’autre par un matériau isolant. Figure 56: Capacitance On appelle capacité C le coefficient de proportionnalité qui lie la tension appliquée à un condensateur et la charge électrique que ce condensateur accumule ainsi. L’unité de capacité est le Farad [F]. Remarque : Le terme « condensateur » est réservé au composant électrique. Le terme « capacité » est réservé à sa caractéristique, exprimée en [F]. La figure ci-contre montre le symbole du condensateur selon la norme CEI (Commission Électrotechnique Internationale). Figure 57: Symbole du condensateur Bien qu’un condensateur ne puisse conduire aucun courant continu, nous verrons que des courants variables au court du temps peuvent le traverser. Condensateurs en série : La capacité équivalente est comme pour R et L en parallèle

1 1 1 1 1 = + + + ......... C C1 C 2 C 3 Cn Figure 58: Condensateurs en série Condensateurs en parallèle : Ces condensateurs se comportent exactement comme un seul condensateur équivalent, dont la valeur est donnée par C= C1 + C2 + C3 +……+ Cn Figure 59: Condensateurs en parallèle

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Condensateur idéal en régime commuté : A l’instant t 1 = 0 on modifie la position du commutateur, ce qui revient à connecter le condensateur idéal directement sur la source idéale de courant I > 0. Figure 60: Condensateur idéal en régime commuté Comme il n’y a pas d’autre composant en série dans ce circuit, nous avons immédiatement IC (t) = I. La tension u (t) augmente alors linéairement comme sur le graphique ci-dessous. La valeur de la tension u (t) s’établit progressivement aux bornes du condensateur sous tension UL. Si, plus tard, soit à l’instant t2, on remet le commutateur dans sa position initiale, le condensateur (en circuit fermé sur lui même) se voit à nouveau soumis à un courant iC (t). Figure 61: Représentation graphique condensateur idéal Dès ce moment la tension aux bornes du condensateur reste constante, égale à la valeur qu’elle avait juste avant t2 Conclusion : de même que pour l’inductance le condensateur est un accumulateur d’énergie, Cette énergie a été stockée dans le condensateur, sous forme d’énergie électrostatique. Celui-ci a en effet emmagasiné des charges électriques. Cette énergie peut également être restituée. (Attention aux câbles – surtout en HT – qui même débranchés peuvent être « chargés » tout comme une capacité) Circuit R – C en parallèle : Dans les circuits électroniques, on rencontre souvent des condensateurs connectés à des résistances. Soit le circuit RC en parallèle ci-après, on ferme le commutateur Lorsque la tension est nulle, juste après la commutation, tout le courant de la source circule dans le condensateur, et la tension u (t) commence à croître. Cependant, au fur et à mesure que la tension augmente, le courant circulant dans la résistance augmente également, et le courant qui reste à disposition du condensateur diminue. Figure 62: Circuit R-C en parallèle Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 63: Représentation graphique circuit R-C en parallèle A un certain moment, même si cela prend longtemps, le courant iC (t) circulant dans le condensateur aura tellement diminué qu’il sera pratiquement nul. A ce moment donc, la tension u (t) ne pourra que rester constante. Le système aura atteint un état stable Circuit R – C en série : Considérons un autre circuit comportant un condensateur et une résistance en série, alimentés par une source idéale de tension. A l’instant t1 = 0 on ferme l’interrupteur, ce qui revient à connecter le condensateur et la résistance sur la source idéale de tension U > 0. Figure 64: Circuit R-C en série Le condensateur s’oppose à toute variation brusque de tension, ce qui fait que la tension uC (t) à ses bornes, juste après la commutation, est nulle. Toute la tension de la source est donc appliquée à la résistance : uR (t) peut passer soudainement de 0 à U, car la résistance ne s’y oppose pas, et le courant i (t) saute également de 0 à I1 = U / R Ce courant positif provoque l’augmentation progressive de la tension uC (t) aux bornes du condensateur, et par conséquent la diminution de la tension uR (t) aux bornes de la résistance. Ainsi, le courant diminue progressivement. Si l’on attend assez longtemps, la tension uC (t) aux bornes du condensateur aura atteint la tension U de la source. Le courant sera alors nul.

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Figure 65: Représentation graphique circuit R-C en série Technologie et utilisation des condensateurs : Les condensateurs se distinguent par leurs caractéristiques : La valeur capacitive C et sa marge de tolérance sont bien sûr leurs caractéristiques essentielles La tension nominale Unom détermine la tension supportable en permanence, mais aussi celui qu’il ne faut pas dépasser pour ne pas faire « claquer » l’isolation et la détruire ; Le courant de fuite (leackage) détermine la durée pendant laquelle un condensateur chargé est capable de maintenir sa charge (leackage en anglais signifie « fuite ») ; Les aspects constructifs sont également importants (forme et dimensions, comportement en courant alternatif, effets parasitaires à haute fréquence, influence de la température et du vieillissement, etc.). La plupart des condensateurs sont réalisés en enroulant par exemple deux feuilles métalliques séparées par autant de feuilles isolantes. Il est ainsi possible d’obtenir une grande surface A dans un petit volume. Les différentes technologies se distinguent essentiellement par la composition chimique de l’isolant. Condensateurs électrolytiques Ces condensateurs sont réalisés en enroulant des feuilles d’aluminium et de papier imprégné avec un électrolyte. Cette technologie permet de réaliser des condensateurs de très grandes capacités (1 à 100'000 μF) dans un volume réduit, et qui résistent à des tensions jusqu’à 750 V. Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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A cause de la nature de l’isolant, ces condensateurs sont polarisés. Une inversion accidentelle de la tension produit une dégradation irréversible des propriétés du condensateur, voire sa destruction.

Figure 66: Condensateurs électrolytiques Condensateurs à film plastique Condensateurs très robustes, résistant à des tensions jusqu’à 1’000 V. Ces condensateurs ne sont pas sensibles au sens de la tension, et supportent des tensions alternatives de très hautes fréquences (→ 1 MHz). Disponibles pour des capacités comprises entre (10 pF à 10 μF), et très stables en température Figure 67: Condensateurs à film plastique

Condensateurs céramiques Technologie permettant de réaliser des condensateurs à très bas prix. Ils supportent des tensions jusqu’à 500 V, voire 10'000 V pour certains. Ils sont disponibles pour des capacités comprises entre (1 pF à 100 nF), et leur fréquence utile va jusqu’à 100 MHz pour certaines qualités. Figure 68: Condensateurs céramiques Leur inconvénient est le volume, qui ne permet pas de réaliser des capacités similaires aux condensateurs électrolytiques.

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Super condensateurs Ces super condensateurs peuvent atteindre des capacités jusqu’à 2'700 F (et non pas μF comme pour les condensateurs électrolytiques). Figure 69: Super condensateurs Toutefois, vu la très faible épaisseur de leur isolant, ils ne supportent que de très faibles tensions (quelques volts).

3.3.3. Résumé R, L, C La présence d’inductances et de condensateurs dans un circuit électrique amène avec certitude des régimes transitoires lorsque les sources de tension et de courant ne sont pas constantes, ou lorsque le circuit comporte des éléments de commutation comme des interrupteurs. Toutefois, lorsque toutes les sources de tension et de courant fonctionnent à valeurs constantes, et que les éventuels éléments de commutation ne sont pas activés, l’étude du circuit peut être simplifiée en se rappelant que : Une inductance parcourue par un courant constant a une tension nulle à ses bornes ; elle peut être remplacée par un court-circuit ; Un condensateur ayant une tension constante à ses bornes et parcouru par un courant nul ; il peut être remplacé par un circuit ouvert. Ainsi, par exemple, le circuit du schéma ci-dessous peut être simplifié comme l’indique le schéma suivant.

Figure 70: Schéma électrique Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 71: Schéma électrique simplifié Pour résumer, la Table ci-dessous énumère systématiquement les relations pour les résistances, inductances et condensateurs en régime continu et en régime transitoire.

Table 10: Relations pour les résistances, inductances et condensateurs

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3.3.4. Impédance U = R x I est la formule de base en électricité au même titre que E = MC² pour la physique. En fait il faudrait dire U = Z x I car (pratiquement) tout récepteur électrique est une combinaison des trois grandeurs R, L, C. L’impédance ‘Z’ est exprimée en Ohms et en régime alternatif l’ensemble R, L, C, Z, a en commun l’unité Ω. Les appellations se modifient ‘quelque peu’ avec L devenant une ‘réactance inductive’, XL et C, une réactance capacitive’, XC (d’où le terme énergie réactive vu dans le chapitre suivant). La résistance reste la résistance ‘R’. Mais vous trouverez ZR, ZL, ZC, par souci d’homogénéité sur certains schémas. Rappel du comportement d’un courant alternatif : Sur la courbe de la sinusoïde (image du courant ou d’une tension alternatif), la valeur de ‘i’ ou de ‘u’ à l’instant ‘t’ est la valeur de la grandeur sinus au même instant ‘t’ pour un point ‘P’ en rotation sur un cercle. Pour un tour complet (360°), une alternance est produite.

Figure 72: Comportement d'un courant alternatif Pour toutes les rotations en électricité, le sens inverse d’une aiguille d’une montre (counter clockwise) est arbitrairement choisi.

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Comportement de l’inductance en régime alternatif Si l’on prend l’image de la tension et du courant aux bornes d’une inductance ‘idéale’ (avec un oscilloscope) l’on obtient cette figure

Figure 73: Comportement de l'inductance en régime alternatif On remarque sur la figure que le courant est en retard sur la tension. C’est dû au fait que l’inductance s’oppose aux variations de courant. C’est lorsque la tension est la plus élevée que le courant croît le plus rapidement, ce qui est le cas lorsqu’il passe par zéro. Comportement du condensateur en régime alternatif Nous constatons que le courant qui traverse un condensateur idéal, lorsqu’il est connecté à une source de tension sinusoïdale est également sinusoïdal, à la même fréquence, déphasée de 90°. Par ailleurs, son amplitude est proportionnelle à la fréquence.

Figure 74: Comportement du condensateur en régime alternatif On remarque sur la figure que la tension est en retard sur le courant. C’est dû au fait que le condensateur s’oppose aux variations de tension. C’est lorsque le courant est le Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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plus élevé que la tension (qui traduit l’état de charge du condensateur) croît le plus rapidement, ce qui est le cas lorsqu’il passe par zéro. Combinaison de composants dans une charge La charge d’un circuit est (dans un premier temps) soit une résistance idéale, soit une inductance idéale, soit un condensateur idéal. Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus. Note : en alternatif, avec l’Ohm pour unité, les sigles sont XL, XC (ou ZL, XC)

Table 11: Combinaison de composants dans une charge

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3.3.5. Calcul d’impédance Nous avons toutes les unités en Ohms, nous pourrions utiliser les formules d’un cours d’électricité plus avancé avec des imaginaires, des intégrales, des dérivées, des exponentielles, etc.,…, nous nous contenterons de la représentation schématique avec des vecteurs. Il n’y qu’un seul théorème mathématique nécessaire pour calculer une impédance à partir de R, XL et XC, c’est : Théorème de Pythagore (rappel) : Et avec des lettres « explicites » pour les futures applications et exemples

Côté adjacent = R

φ Côté opposé = X Hypoténuse = Z

Figure 75: Théorème de Pythagore

Cos φ = R / Z

Sin φ = X / Z

Z² = R² + X²

Z=

R² + X ²

Circuit avec Résistance et Inductance en série Calculer Z et VT quand I = 10A, R = 5Ω, VR = 50V, XL = 10Ω, VL = 100V

VT VR = I.R

I

R

I

VL = I.XL XL

VR

VL

Figure 76: Circuit avec résistance et inductance en série

I

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de Z Z=?

de T

XL = 10Ώ

VT = ?

VL = 100V

VR = 50V

R = 10Ώ

Méthode pour calculer Z

Méthode pour calculer Vr

Et quelle est la valeur du cos φ ? Circuit avec Résistance et Capacité en série Calculer Z et VT quand I = 10A, R = 5Ω, VR = 50V, Xc = 10Ω, Vc = 100V

VT VR = I.R

VC = I.XC

I

R

XC

I

VR

Figure 77: Circuit avec résistance et capacité en série

I VL

VR = 50V

R= 5Ώ

Z=?

XC = 10Ώ

Méthode pour Z

Méthode pour calculer Z

VT = ?

VC = 100V

Méthode pour VT

Méthode pour calculer VT

Utiliser uniquement la relation Z² + R² + X² Et si vous vous posez la question des vecteurs une fois ‘en haut’ (pour ‘C’), une fois ‘en bas’ (pour ‘L’), ce n’est pas (trop) grave si vous vous trompez car pour les calculs, c’est la même chose.

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A savoir : le sens de rotation étant (toujours) « counter clockwise », l’axe de tension ‘U’ ou ‘u’ ou ‘v’ ou ‘V’ ou ‘E’ étant toujours en axe horizontal, l’axe de ‘I’ : pour ‘L’, est décalé de 90° en arrière (lagging) pour ‘C’, est décalé de 90° en avance (leading) Circuit avec Résistance, Inductance et Capacité en série Calculer Z et VT quand I = 10A, R = 5Ω, VR = 50V, XL = 10Ω, VL = 100V, Xc = 5Ω, Vc = 50V

VT VR = I.R R

I

VL = I.XL

I

I

XL

VL

VR

VC = I.XC XC I VL

I

Détermination de l’impédance : toujours avec la méthode des vecteurs éthode ur Z

XC = 5Ώ

Z=?

XL = 10Ώ

R= 5Ώ

Méthode pour calculer Z Il suffit de faire comme pour les deux exemples précédents R sur l’axe horizontal, les réactances sur l’axe vertical dans leur sens « d’action », XL en montant, XC en descendant

Figure 78: Circuit avec résistance, inductance et capacité en série

Détermination de la tension aux bornes de l’ensemble VC = 50V

Méthode pour VT VT = ?

VL = 100V

VR= 50V

Méthode pour calculer VT Idem pour la tension VX = VL – VC = 50V et VT² = VR² + VX² VT = ?

En résultante X = XL – XC = 5Ω et Z² = R² + X² Z= ? Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Remarque : et si VL = VC = 100V, ces deux tensions s’annulent, il n’y a que 50V aux bornes de ce montage série avec Z = R = 5Ω … ?... C’est un circuit résonant avec son application en électronique Circuit avec Résistances en parallèle Calculer I, I1 et I2 quand V = 120V, 50 HZ, R1 = 30Ω, R2 = 20Ω,

I = I1 + I2

2 résistances, pas de déphasage

V

R1 I1

R2 I2

I1 = ? I2 = ?

I

VR

I

VR

I=? Et la résistance équivalente R=? Figure 79: Circuit avec résistances en parallèle

Circuit avec Résistance et Inductance en parallèle Calculer I, I1 et I2 quand V=120V 50HZ, R=30 Ω, XL= 20 Ω,

I=

V

R

XL I2

I1

Figure 80: Circuit avec résistance et inductance en parallèle I1 = ?

I

VR

I2 = ?

I=? ( ?)

I1

VL

V

IL I2 I Et l’impédance équivalente : Z = ?

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Circuit avec Résistance et Capacité en parallèle Calculer I, I1 et I2 quand V = 120V 50HZ, R = 30 Ω, XC = 20 Ω,

I= I1 V

XC

I2

R

Figure 81: Circuit avec résistance et capacité en parallèle I1 = ?

I2 = ?

I=? ( ?) I

I

V

IC

I2

V

I1

Calculer l’impédance équivalente : Z = ? Circuit avec Résistance, Inductance et Capacité en parallèle Calculer I, IR, IL, IC, IX quand V = 120V 50HZ, R = 30 Ω, XL = 20 Ω, XC = 30 Ω

I= IR V

R

XL

IC IR

IL IX

V

IL

XC

IC

Figure 82: Circuit avec résistance, inductance et capacité en parallèle IR = ? IL = ? IC = ? IX = résultante IL, IC I=? Impédance équivalente :

I

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Z=?

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3.4. GRANDEURS ET MESURES EN COURANT ALTERNATIF Nous avons vu des circuits « simples » avec inductance et condensateur ‘idéaux’, dans la réalité des circuits, il y a un peu de tout, avec une résultante Z et un angle de déphasage communément appelé ‘φ’ (power factor).

3.4.1. Rappel mesures en continu et en alternatif Avec une source à courant continu, lorsque la tension d’alimentation est de 100V, le voltmètre indique 100V – pas de problème -

V V =

100V

R t

Figure 83: Mesure courant continu

100V 45°

V R

45°

V

Figure 84: Mesure courant alternatif Avec une source à courant alternatif, c’est moins évident, que va indiquer le voltmètre ? Il faut d’abord savoir qu’un appareil de mesure (classique) ne ‘prend’ qu’une demialternance, admettons qu’une diode en série ne laisse passer que la ‘moitié’ de cette même alternance. Admettons ensuite que l’aiguille du voltmètre soit « tiraillée » entre la valeur maximale et le zéro 50 fois par seconde (50 HZ). Que va-t-elle faire (l’aiguille) ? Se stabiliser au milieu, c’est-à-dire avec un angle de 45°.et 2 = 0,707 indiquer la valeur « sinusoïdale » de sin 45° soit 2 L’aiguille s’est « efficacement » placée, c’est la valeur efficace : Veff Ainsi pour l’exemple ci-dessus, le signal ayant une amplitude d’alternance de sommet à sommet (peak to peak) de 200 Volts, le voltmètre indique 100 x 0,707 = 70,7 Volts.

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Un voltmètre mesure 230V à une prise de courant ‘à la maison’ (tension domestique), quelle est la tension de sommet à sommet (peak to peak) de l’alternance ? = 230 x 1,414 x 2 Vous comprenez peut-être mieux, en voyant la valeur trouvée, qu’il vaut mieux ne pas mettre les doigts dans la prise….. Ceci s’applique pour toutes grandeurs mesurées en courant alternatif, V ; I, P, ….

3.4.2. Mesures de puissance en courant alternatif Puissance en circuit résistif uniquement : Formule de base : P = U x I U pouvant s’appeler ‘V’ ou ‘E’, et ‘I’ restant ‘i’ dans tous les cas. Avec une résistance pure, la puissance absorbée (ou diffusée) est le produit Ex I . Dans la partie négative de l’alternance, il faut appliquer le principe mathématique de base, moins par moins égal plus La courbe de puissance est le produit algébrique à chaque instant ‘t’ de ‘E’ et ‘I’. Figure 85: Puissance en circuit résistif Une puissance consommée par une résistance pure est une puissance active

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Puissance en circuit inductif uniquement Le produit ‘E’ par ‘I’ donne une puissance active nulle, la puissance consommée par une inductance pure est une puissance réactive (inductive) Figure 86: Puissance en circuit inductif

Puissance en circuit capacitif uniquement Pour circuit capacitif uniquement, considérer le décalage inverse pour ‘E’ et ‘I’. Vous pouvez même dessiner les courbes, P, U, I, en exercice sur une feuille quadrillée, de même que l’inductance, un condensateur pur ne consomme aucune puissance active, il consomme une puissance réactive (capacitive) qui viendra s’opposer à la puissance réactive capacitive Puissance en circuit R + L C’est le cas de la très grande majorité des circuits électriques, un moteur par exemple, il y a un décalage entre ‘U’ et ‘I’. Figure 87: Puissance en circuit R+L (1) Rotation

Axe de puissance réactive

Axe de puissance active V

φ

Le courant ‘suit’ la tension, la puissance représentée est la puissance active La puissance active ‘correspond’ à la puissance dissipée dans une résistance, elle est donc sur l’axe horizontal, c’est le produit : P(a) = U x I x cos φ

I

Figure 88: Puissance en circuit R+L (2) Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

φ

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La puissance réactive ‘correspond’ à la puissance « échangée » dans une réactance (inductance ou condensateur), c’est le produit:: P(r) = Q = U x I x sin φ Même, si c’est encore « nébuleux », admettez qu’en courant alternatif une alternance représente un tour (d’une génératrice) et que le courant « suit » la tension. Question : soit un moteur alimenté en 50HZ, le courant ‘suit’ la tension avec un « angle de déphasage » de 45° Quel est le temps (en millisecondes) entre ‘U’ et ‘I’ ? Quelle est la valeur du cos φ ? (Facteur de puissance – power factor) Quelle est la valeur du sin φ ? Si vous avez assimilé le lien entre la rotation d’un aimant, produisant un courant de la forme d’une sinusoïde, et admis le fait que le courant et la tension soient 2 alternances différentes (se suivant) avec un angle de déphasage correspondant au facteur de puissance (cos φ), bravo, le paragraphe suivant n’est qu’une formalité… Pour ceux qui « traînent la patte », sachez que le but, ici, n’est pas de faire de vous un électricien confirmé, mais avec les bases écrites de ce cours, faites vous donc réexpliquer les principes par cet électricien qui sera peut-être surpris de trouver dans ce cours une explication « simplifiée » des bases qu’il aura oubliées…. (Fait déjà vérifié sur site Total)

3.4.3. Formules et unités de puissance en courant alternatif : P: puissance active

V

φ S: puissance apparente

Q: puissance réactive

I Figure 89: Puissances et le triangle de Pythagore Tout comme avec R, L et C nous retrouvons le triangle rectangle avec les théorèmes de Pythagore P, puissance active est la puissance consommée par une résistance R Q, puissance réactive est la puissance consommée par une réactance (L + C) S, puissance apparence est la puissance consommée par l’impédance Z Cos φ = P / S

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S : Puissance apparente (Apparent Power)

A

C’est le produit P = U x I des valeurs (efficaces) mesurées par un voltmètre et un ampèremètre

R

V

Figure 90: Puissance apparente L’unité est le VOLTAMPÈRE : S (VA) = U (V) x I (A) P : Puissance active (Active or True Power)

A

C’est le produit S x cos φ ; Il faut donc dans le circuit de mesure un ‘phy-mètre’ ou un phasemètre.

φ R

V

Figure 91: Puissance active L’unité est le WATT : P (W) = U (V) x I (A) x cos φ

Q : Puissance réactive (Reactive Power)

A

φ

C’est le produit S x sin φ ; Il faut donc dans le circuit de mesure un ‘phy-mètre’ ou un phasemètre.

R

V

Figure 92: Puissance réactive L’unité est le VAR (Volt Ampère Réactif) : Q (VAR) = U (V) x I (A) x sin φ Unités généralement avec préfixes ‘k’ ou ‘M’ pour kVA, kW, kVAR, MW,…… Distribution triphasée :

A

Phase 1

V

V1 φ

Phase 2

I1

U I3

Phase 3

V2 V3

I2

Figure 93: Distribution triphasée

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Distribution triphasée équilibrée : Avec I = I1 = I2 = I3 et ‘U’ tension entre phases identique entre les 3 phases P en Watts = U x I x √3 x cos φ (U: tension entre phases) Q en VAR = U x I x √3 x sin φ (U: tension entre phases) S en VA = U x I x √3 (U: tension entre phases) En triphasé déséquilibré: P = V1. I1 cos φ + V2. I2 cos φ + V3 .I3 cos φ , somme des mesures pour chaque phase, V étant la tension entre phase et neutre. De même que : Q = V1. I1 sin φ + V2. I2 sin φ + V3 .I3 sin φ S = V1. I1 + V2. I2 + V3 .I3 Il faut, bien entendu, un appareil mesurant le « déphasage » entre u et I Quant aux puissances totalisées en kWh, en kVAh, kVARh, ce sera la puissance moyenne consommée en 1h pour chaque type de puissance. Si dans le pétrole le baril est l’unité ‘génératrice’ de revenus, pour les sociétés fournissant de l’énergie électrique, le kWh aura la même signification. Pensez à votre facture EDF, pour laquelle vous ne payez que les kWh en tant que consommateur domestique, mais sachez que les comptages triphasés totalisent également les kVARh qui sont facturés au « tarif fort » s’ils sont trop élevés car c’est une énergie qui « ne sert à rien » pour l’utilisateur mais qui génère des pertes dans les lignes de transport pour le producteur (EDF ou autre). Cette énergie réactive devrait pouvoir être nulle ou minimale dans les installations (compensation de l’énergie réactive)….., revoyez le circuit R+L+C et demandez quelques explications à l’instructeur si vous souhaitez des éclaircissements.

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3.4.4. Récapitulatif des formules et exercices Courant continu U=RI

R=?

I=?

P=UI

I=?

U=?

P = R I²

R=?

I=?

R = U² / P

P=?

U=?

U=RI

R=?

I=?

P = U I cos φ

I=?

U=?

P=UI

I=?

U=?

I=?

U=?

U=?

P=

Courant alternatif

P = R I²

3 cos φ 3 cos φ

R = U² cos φ / P

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3.5. PLANS ET SCHEMAS ELECTRIQUES 3.5.1. Symboles. Chaque appareil électrique ou chaque élément d’un appareil électrique (bobine, pôle de contacteur, relais, contact, etc….) possède son propre symbole de représentation qui se doit de respecter les règles établies par les normes internationales. Ceci permet à tout lecteur d’un plan, d’un schéma électrique, de par le monde de comprendre les fonctions des différents composants et de comprendre le principe d’opération de ces mêmes composants. Deux entités principales gèrent ces normes « North American I.S.O. » et en Europe, la C.E.I. (Commission Electrotechnique Internationale). Et avant de passer aux plans et schémas électriques, voyant les principaux symboles Certains constructeurs, certains pays, ont plus ou moins établi des symboles “dérivés”, mais la logique de représentation reste de mise, si vous vous trouvez en face de signes « inconnus » sans légende explicative. Codes et symboles des principaux composants Le tableau ci-dessous est un extrait de la publication 750 de la CEI « Repérage d’identification du matériel en électrotechnique » D’autres symboles sont normalisés, référer vous à la publication CEI si d’aventure vous vous intéressez de près aux schémas électriques.

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3.5.1. Plans, schémas en électricité. Les plans et schémas sont utilisés pour définir et comprendre les principes de réalisation et de fonctionnement d’une installation électrique. Différents types de plans existent, ceux que vous rencontrerez sont 3.5.1.1. Schéma unifilaire (one line diagram): Un opérateur se doit de comprendre ce schéma à partir du moment où il ‘prétend’ connaître son installation Le schéma unifilaire montre les composants ou ensembles de composants principaux du circuit. Il présente de manière groupée les connexions principales intervenant dans le fonctionnement du circuit. C’est l’équivalent d’un plan d’ensemble en mécanique (ou du P&ID pour l’instrumentiste). Unifilaire veut dire une ligne, même si l’alimentation d’un moteur demande par exemple 5 fils (3 Phases + Neutre + Terre), une seule ligne représente cette alimentation. L’exemple montre un schéma de distribution unifilaire (CPU - Total Indonésie) montrant la distribution générale de puissance pour toute l’installation, distribution HT (Haute Tension > 1000V) et BT (Basse Tension 50V< BT < 1000V)

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Figure 94: Exemple de schéma unifilaire (1) Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Schéma unifilaire à un autre point de la distribution : distribution Basse Tension depuis le tableau alimenté par l’EDG (Emergency Diesel Generator)

Figure 95: Exemple de schéma unifilaire (2) Les récepteurs (moteurs, éclairages, etc….) sont généralement nommés sur le schéma unifilaire

3.5.1.2. Schémas de principe (schematic diagram) Le schéma de principe permet au lecteur de Différencier le circuit Puissance du circuit de contrôle Suivre et séparer chaque étape dans la succession des événements « séquentiels » du fonctionnement électrique.

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L’exemple ci-après permet de spécifier : Circuit puissance : le moteur est alimenté en tri phase + Terre, protégé par un disjoncteur thermique et actionné par un contacteur Circuit de commande (de contrôle) : il comporte un bouton poussoir ‘Marche’, un bouton poussoir ‘arrêt’ et un fin de course (fonction à trouver sur descriptif). Le contacteur est déclenché par le contact auxiliaire du disjoncteur (surintensité)

Figure 96: Exemple d’un schéma de principe (1)

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Convention de représentation : Les relais, bobines de contacteurs sont considérés ‘hors tension’, les contacts sont donc représentés en ‘position de repos’. Chaque séquence (schéma de commande) doit être dessinée de gauche à droite et de haut en bas. Si pour une raison quelconque, cet ordre n’est pas respecté, il faut le spécifier au moins avec une flèche sur le schéma. Chaque étape doit être dans l’ordre séquentiel (ou ordre événementiel). Si plusieurs séquences sont à représenter (exemple de pont roulant : montée + translation1 + translation 2), il vaut mieux représenter plusieurs schémas distincts.. Tous les contacts et éléments en série, doivent être dessinés (autant que possible) sur la même ligne que la bobine, le relais, … qui est contrôlé. Tous les contacts et éléments en parallèle doivent être dessinés (autant que possible) au même niveau afin de bien indiquer la fonction parallèle Tous les éléments tel que bobine de contacteur, de relais, lampe témoin, voyant,…qui sont les organes récepteurs de tension doivent être dessinés sur la même ligne horizontale entre les deux barres source de tension de commande. Les contacts actionnés par le même relais ou contacteur ne sont pas à aligner parce qu’ils sont ensemble physiquement. Chaque contact (ou contacts) doit être « en ligne » avec la bobine, la lampe qu’il contrôle

Figure 97: Exemple d’un schéma de principe (2) Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Schéma de puissance : sectionneur en tête, enclenchement par contacteur, protection par relais thermique de surintensité (O/C pour overcurrent). Schéma de commande : 2 postes ‘marche arrêt’ et des voyants indiquant l’état dans les 2 postes de commande. Question : à quoi sert, quel est la fonction du relais ‘R’ ?

3.5.1.3. Schémas de détail (wiring and connection diagram) Pour l’électricien, il permet de connecter et câbler les différents composants d’une installation électrique. Beaucoup moins pratique et beaucoup moins employé que les deux premiers cités audessus, il est toutefois le seul schéma disponible pour certaines petites installations, par exemple, dans l’armoire de contrôle d’unité HVAC (d’origine USA ou « satellite » des US…)

Figure 98: Exemple de schéma de détail Exemple de schéma de détail : c’est exactement la même « installation » que le schéma de principe ci-dessus. Voyez la différence de ‘lisibilité’. Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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3.5.1.4. Autre schémas Non repris dans le présent cours, mais vous rencontrerez Les schémas propres aux automates (PLC) avec le « ladder diagram », La symbolisation ‘graphcet’ employée en description de séquence même sur les manuels opératoires, le « block-diagram », le schéma de logique Le ‘block-diagram’ est aussi employé pour les plans de ‘Fire & Gas’ et ‘ESD’

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3.6. EXERCICES 8. Calculer la résistance R pour le montage ci-après R1

R4

R2

R3

Avec R1 = R2 = R3 = 10 Ώ et R4 = 20 Ώ R5 = 30 Ώ

R5

R

Questions / Exercices : R = ……………………………………………………………………………… 9. Attribuer les unités aux symboles, significations, appellations correspondantes Unités :

‰I

‰R

‰U

‰P

Symboles :

‰Ώ

‰A

‰W

‰V

Significations : ‰ Puissance Appellations :

‰ Volt

‰ Tension

‰ Watt

‰ Résistance

‰ Ampère

‰ Courant

‰ Ohm

10. Attribuer la formule adéquate : ‰P=? ‰U/R

‰ I=? ‰

P/R

‰ U=? ‰ P / I²

‰ R=?

‰ U² / R

‰P/I

‰ρ.L/S

(S pour section en m²)

11. Pour une installation triphasée équilibré, le wattmètre indique 800 kW, le phimètre: 0.8 Quelle est la puissance réactive de l’installation ?

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4. L’INSTALLATION, LA DISTRIBUTION ELECTRIQUE Ce chapitre a pour but de définir les principaux éléments d’une distribution sans entrer dans le détail surtout quand certains ‘composants’ sont sujets à un cours indépendant (comme les générateurs, pompes, transformateurs) BT- B01 Éclairage BT 06

HT- C01

Pompe P410 G 001

Chauffage H110

1250 KVA 5.5kV/400V 3Ph

G

10 MVA 5.5kV

∆ M

G 002

G

xxx

Y

M

P 201 1 MW /5.5 kV

yyy Armoire Basse tension

P 202

GE

G 003 1MW /400V

BT- B02 Pompe P810

1 MW /5.5 kV Onduleur UPS 01

10 MVA 5.5kV

zzz Cellules Haute tension

Armoire Basse tension Normal/Secours

Figure 99: Schéma unifilaire simplifié Ce schéma unifilaire (simplifié) comporte les principaux éléments d’une installation, avec dans l’ordre : La génération : turbo générateur / gaz (moteur) générateur : diesel générateur Les câbles haute et basse tension Les cellules de distribution Haute tension Les transformateurs (abaisseurs / élévateurs) Les armoires de distribution basses tension (MCC) Les récepteurs : moteurs (HT ou BT), armoires d’éclairage, HVAC, UPS, ….

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4.1. GENERATION D’ELECTRICITE Ce peut être : une source extérieure, une centrale électrique autonome, des turbogénérateurs, des générateurs avec moteurs gaz/diesel, des groupes électrogènes, des éoliennes, des panneaux photovoltaïques, etc.… mais sans oublier le génération en courant continu avec les jeux de batterie et les alimentations de courant redressé (UPS). Ce que vous rencontrerez sur site, ce sera principalement le turbogénérateur ou le générateur entraîné par moteur gaz ou diesel. Un cours spécifique est préparé sur ce sujet dans le présent cursus. Quel que soit la taille du générateur, sa représentation schématique est toujours la même. Figure 100: Génération d'électricité Toutefois, pour l’alternateur le nombre de fils n’est pas systématiquement représenté (triphasé, mono).

4.1.1. Générateurs de courant alternatif, l’alternateur Le générateur triphasé est la source ‘incontournable’ sur site La représentation en unifilaire pourra être comme ci-contre, en spécifiant la puissance et le tension, par exemple 600kVA, 3x400V, enroulements en Y

G

400 V 400 V 400 V

Générateur

Liaison (câble)

x x

Le schéma de puissance spécifie 3 phases distribuées, neutre non distribué avec tension 400V entre phases

x

Protection ‘tripolaire’ par disjoncteur au tableau BT

Armoire BT

Figure 101: Représentation unifilaire de schéma de puissance de l'alternateur

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G

10 MVA 5.5kV

C’est la même représentation mais pour un générateur triphasé 3x5.5kV de 10MVA, neutre mis à la terre par impédance

Z 5.5 kV 5.5 k V

Z

La protection (et/ou le sectionnement) est bien entendu dans le tableau HT

x

5.5 k V

Générateur

La tension est de 5.5 kV entre phase

x

x

Liaison (câble)

Figure 102: Représentation unifilaire de schéma de puissance de générateur triphasé

Armoire HT

Le générateur est en basse tension 3x400V mais avec neutre distribué

Y

G

La protection (ou la coupure) au tableau BT est à faire sur les 4 pôles d’un disjoncteur

400 V 400 V

Dans cette distribution avec 400V entre phases, quelle est la tension entre phase et neutre ? Figure 103: Distribution avec 400 V entre phases

10 MVA 3x400V+N

400 V

Générateur

Liaison (câble)

Ph1

x

Ph2

x

Ph3

x

N

x

V1 V2 V3

Armoire HT

Distribution triphasée, tension entre phases et entre phase et neutre : V1

Enroulements du générateur U

U

V=1 U/2 = 0.866 U

30° U/2 = 0.866

V2 V3

U

V

Figure 104: Représentation vectorielle distribution triphasé

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C’est selon les « relations dans un triangle rectangle et selon la représentation vectorielle ci-dessus. « Imaginez » les 3 phases en étoile (en Y), ‘V’ est la tension aux bornes d’un enroulement et ‘U’, la tension entre phases, formez 2 triangles rectangles sur l’un des 3 ‘quartiers’. U/2 = V x sin 30° = V x

3 /2

et

U = 2 U/2 = 2 V x

3 /2 = V x

3 =U

Ainsi lorsque U = 400 V entre phases, entre phase et neutre V = 230 V (arrondi) Pour U = 380V, V= 220V 400 V

∆

G

10 MVA 3x400V+N

400 V

400 V

Quant à la liaison triangle, il n’a pas de neutre distribué et les tensions sont entre phases uniquement

SI vous désirez une explication plus approfondie sur les raccordements étoile / triangle, demander à l’instructeur et/ou voyez le cours moteurs et alternateurs

4.1.2. Générateurs de courant continu, machines tournantes Voir le paragraphe 2.3. Des génératrices à courant continu sont très peu présentes sur un site de production, par contre les moteurs à courant continu (machines rigoureusement identiques aux générateurs) se trouvent associés aux auxiliaires des turbogénérateurs, par exemple

4.1.3. Générateurs de courant continu, les batteries Voir le cours spécifique « batteries » Vous trouverez systématiquement des « jeux de batteries » avec les onduleurs fournissant du courant alternatif à partir de batteries et aussi associés aux armoires redresseurs pour alimenter les circuits d’instrumentation, de sécurité incendie, de sécurité électrique, etc.….

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4.2. LIAISONS HT ET BT 4.2.1. Liaison Haute Tension (HT) En distribution électrique la HT démarre à 1000 Volts, il n’y a plus de MT (moyenne Tension). La liaison HT est donc le câble reliant tout élément électrique ayant une tension d’utilisation supérieure à 1000 Volts. (Générateur HT / cellules HT – Cellules HT / moteur HT – Cellules HT / transformateur - …/… Pourquoi des liaisons en HT ? Les câbles servent à faire un transfert d’énergie, soit de puissance électrique et avec la formule P= U.I, l’on voit que pour la même puissance, si l’on augmente ‘U’, l’on peut diminuer ‘I’, et c’est le but recherché. Un câble, un fil électrique (en cuivre, en alu,…) possède une section déterminée qui limite (à cause de cette même section) l’intensité qu’il peut transporter, une section correspond à un nombre d’ampères maximum tandis que la tension est limitée par l’isolement (le matériau isolant) du fil conducteur. Le nombre d’ampères est également limité par la longueur du câble et le matériau (Cu, Al, ….) Ainsi, une sous distribution éloignée sera équipée d’un transformateur élévateur, et d’un transformateur abaisseur afin de « voyager » en haute tension, limitant les pertes en lignes par le câble de liaison, et permettant d’ajuster la tension sur le(s) transfo’s.

5.5kV

G

20kV

5.5kV 20 kV

5.5 kV

Sous station de distribution 5.5kV

Xx kms de distance Poste HT principal

Figure 105: Liaisons en HT Sur site, les distributions / liaisons HT sont limitées aux interconnexions entre générateurs HT, aux alimentations des transformateurs HT/BT et aux alimentations de moteurs de forte puissance en HT (>1 MW).

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Les câbles haute tension Les câbles sont fabriqués selon les normes établies par la CEI, et plus précisément la norme CEI 502 qui spécifie la fabrication, le dimensionnement (des isolants) et les tests à produire pour les câbles HT avec tension d’utilisation (U) de 3 à 30 kV (les tensions supérieures sont rarement présentes sur les sites Total) Ces câbles sont fabriqués avec écran cuivre sur chaque fil conducteur. La tension d’utilisation est limitée à 10 kV pour les isolants PVC et à 30 KV pour les autres isolants (Polyethylene/ethylene-propylene - rubber/cross-linked polyethylene). Tension d’utilisation Vous n’utiliserez pas un câble choisi en 5.5kV pour une utilisation 20kV, ce n’est pas le même câble. Par contre rien ne vous interdit d’utiliser un câble 20 kV pour une distribution 5.5 kV, vous aurez simplement à rendre des comptes au service achat, car le 20 kV est (évidemment) plus cher pour une même intensité transportée. La tension d’utilisation d’un câble HT est constitué de 3 paramètres, Uo, U et Um exprimés en kilovolts et représentée dans la description du câble (et gravé dessus) sous la forme Uo/U(Um) correspond à l’épaisseur d’isolant, les conditions de test (claquage) et la tension d’utilisation elle-même. Uo est la tension du réseau, pour laquelle le câble sera utilisé, entre un conducteur et la terre, ou entre un conducteur et un écran métallique faisant partie intégrante de ce câble. U est la tension du réseau entre conducteurs. Um est la tension maximale auquel le câble peut être soumis correspondant à la tension de service maximale. Les normes précisent les tensions des câbles HT suivant les “gammes” ci-après : Uo/U/(Um) =

1.8/3(3.6) kV 3.6/6(7.2) kV 6/10(12) kV 8.7/15 (17.5) kV 12/20(24) kV 18/30(36) kV

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Figure 106: Exemple de câble HT Note : Les tensions d’utilisation sont à préciser ‘pour la commande’

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4.2.2. Liaisons Basse Tension (BT) Installation des câbles BT : quelques conseils si vous avez à suivre la pose de câbles et ce pour tout type de câbles en basse tension ; Ceci pour avoir vu des installations en cours de montage plein « d’irresponsables » laissant faire en ‘dépit du bon sens. Lors du tirage de câble, l’utilisation de poulies d’angle, de dérouleur, de supports, etc….est obligatoire La force exercée pour « tirer » le câble ne doit pas excéder la tension recommandée par le constructeur pour ne pas déformer le câble. Ne pas excéder le rayon de courbure recommandé, un câble ‘cassé’ (avec un angle aigu) est un câble « foutu ». Ne pas faire passer le câble sur des angles coupants, des surfaces abrasives. Les extrémités doivent être recouvertes d’isolants. Un câble ayant une extrémité dans l’eau ‘absorbera’ cette eau par capillarité, l’eau, l’humidité est un élément généralement ‘incompatible’ avec un courant, une tension électrique. (Des tourets entiers, sur « certains » chantiers n’ont pu être utilisés dû au faible isolement du câble…) Barres de transmission Pour les liaisons secondaire transformateur / tableau BT de distribution des barres sont parfois utilisées au lieu de câbles, surtout pour de fortes intensités sur de courtes distances. Ce sont des barres de cuivre sous gaine métallique (avec isolants) ou directement sous gaine isolante. Dans l’industrie « classique », ce système de barres est aussi utilisé pour distribution en atelier. Réalisation des câbles en BT: Ame (en cuivre)

Ame rigide (rigid) Gaine isolante

Ame câblée (stranded)

Flexible

Figure 107: Câbles BT Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Que ce soit le câble puissance (1 à 5 conducteurs de section 2,5 à 600 mm²) ou le câble contrôle (de 2 à 37 conducteurs de section 1 à 6 mm²), il y a l’âme conductrice (en Cu pour les câbles contrôle et en Cu ou Al pour la puissance) gainée de une ou plusieurs couches isolantes La constitution de l’âme est soit rigide (jusque 10 mm²), soit câblée (plusieurs conducteurs ‘twistés’ ensemble, soit flexible ou souple (multitude de petits conducteurs) Les câbles puissance : Code de couleurs pour l’isolant du conducteur et pour un câble alimentant un récepteur de puissance. Toutefois ces couleurs ne sont pas internationalement respectées à l’exception de : Le vert-jaune est pour le conducteur de terre et uniquement pour cette fonction Le bleu clair est pour le conducteur de neutre (dans beaucoup de pays) Les couleurs de phase peuvent être trouvées avec d’autres couleurs assemblées. Figure 108: Couleurs des câbles de puissance Impératif également : si 1 seul conducteur est connecté à un appareil, ce ne peut être qu’un vert-jaune, soit la terre. (A ne pas confondre avec un ou plusieurs câbles unipolaires en parallèle constituant une/des phase(s) d’alimentation). Si pour une raison quelconque la couleur d’isolant vert-jaune (pour la terre) et bleu clair (pour le neutre) ne sont pas présentes ou utilisées dans le câble d’alimentation, un marquage permanent aux 2 extrémités du câble devra être exécuté au moment du raccordement avec un gainage vert-jaune (ou bleu clair) sur le conducteur concerné. Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Tension d’utilisation en BT (identification de l’isolement) Les câbles basse tension ont une tension d’utilisation limitée par les valeurs ‘U’ (tension d’utilisation) et ‘Um’ (tension de test) qui sont systématiquement indiquées sur tous les câbles, gravées ou imprimées à intervalles réguliers sur l’isolant extérieur. Les normes sont: 300 / 300V correspondant aux câbles référence 03 300 / 500V correspondant aux câbles référence 05 (U 500V) 450 / 750V correspondant aux câbles référence 07 (H 07 RN-F) 0.6 / 1 kV correspondant aux câbles référence 1 La tension d’utilisation d’un câble (U) doit au moins être égale à la tension du réseau. Exemple: un câble indiquant 300/500V ne peut pas être utilisé pour une distribution 380/220V, ‘U’ maximum de réseau étant 380V. En pratique, les câbles 0,6 / 1 kV sont utilisés en distribution 3x380V (ou 3x400V) pour câbles à âme rigide ou à âme câblée. Les câbles 450 / 750 V sont généralement ceux à âme souple (flexible)

Figure 109: Exemple de câble BT

A noter: la dernière couche d’isolant est spécialement pour l’industrie pétrolière. L’isolant ‘XLPE’ étant un isolant dégageant un minimum de gaz toxique lors de sa combustion. Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Sélection d’un câble puissance : Les critères principaux sont : L’intensité du courant à transporter La tension du réseau Passage du câble (en tranchée, chemin de câble,….) afin de déterminer le type d’isolant nécessaire. Le calcul de la section d’un câble de puissance n’est pas entrepris dans le présent cours, laissez ce travail à un électricien …Vous pourriez toutefois lui rappeler qu’une liaison par câble ne doit pas avoir de chutes de tension de tension trop importantes (à cause de la résistance / résistivité du câble). Ces limites maximales de chutes de tension sont : 3% pour les circuits d’éclairage 5% pour les alimentations moteurs 10% en incluant les pics d’intensité de démarrage. A savoir également l’appellation quant au dimensionnement : En disant un câble 3 x 25 c’est un câble 3 conducteurs de 25mm² Un câble 5 x 50 est un câble à 5 conducteurs de 50 mm² chacun En disant un câble 3 G 25 ; c’est un câble à 3 conducteurs de 25mm² chacun mais l’un des 3 étant un conducteur de terre gainé vert-jaune Un câble 5 G 50 est un câble à 5 conducteurs de 50 mm² mais avec l’un des 5 gainé de vert-jaune en tant que conducteur de terre. Câbles de contrôle (câbles multiconducteurs) Figure 110: Câble de contrôle "âme rigide"

Figure 111: Câble de contrôle avec âme câblée (semi rigide) Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 112: Câble de contrôle avec âme souple

Figure 113: Câble de contrôle "blindé" pour les tranchées

Les câbles de contrôle sont multiconducteurs à partir de 6 conducteurs Jusque 5, c’est un câble de puissance mais rien ne vous empêche d’utiliser un câble 3 G 1,5 pour alimenter un fin de course. Remarquer la présence systématique du conducteur de terre, le vert-jaune. Le nombre de conducteurs désirés (jusque 37) inclut ce conducteur de terre par la lettre ‘G’ En disant 24 G 2,5, j’ai 23 conducteurs de 2,5mm² chacun pour les connexions de commande + 1 conducteur de terre Figure 114: Câbles de contrôle

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4.3. CABLES HT / BT - ACCESSOIRES 4.3.1. Chemins de câbles (et supports de câbles) Il faut tout d’abord les différencier, chaque niveau de tension a son chemin de câbles dédié, chaque discipline électrique (et apparentée) a son chemin de câbles particulier ou sa portion particulière de chemin de câbles. Chaque utilisation ou discipline a « ses câbles », et pour des raisons techniques (interférences, sécurité,….) il faut avoir des cheminements indépendants pour chaque type de câbles Les différents chemins de câbles sur un site sont pour : La Haute tension Les circuits de puissance BT Les circuits de commande BT L’instrumentation contrôle (4-20 mA,….) L’instrumentation courant faible (thermocouples,…) L’instrumentation bus de distribution Le téléphone L’informatique La terre des masses (selon les cas) …/… Tous ces câbles et circuits ‘cheminent’ et se croisent selon des règles prédéterminées. Aussi, SVP, sur site, n’allez pas demander de rajouter un câble pour alimenter votre ‘computer’ ou un poste télé en salle de contrôle en faisant cheminer ce même câble, le long (par exemple) d’une descente de paratonnerre……sous prétexte que c’est plus pratique (Ce n’est pas un exemple ‘gratuit’…, et demandez l’explication à votre instructeur si vous ne comprenez pas pourquoi). Vous risquez aussi de vous étonner : « comment se fait-il que le compresseur déclenche lorsque l’on démarre la pompe de transfert ? ». Si les câbles des capteurs de vibrations ou de thermocouples passent non loin du câble 6 kV de la pompe, rien d’étonnant. (D’autres phénomènes peuvent très bien ne pas indiquer l’élément initiateur de défaut en cas d’induction transitoire, très brève).

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Les chemins de câbles sont de différents matériaux (acier galvanisé, inox, fibre de verre, PVC, …), différentes constructions (fil, échelles, perforé, …) et même de toutes les couleurs….. Les goulottes, conduits, tubes (acier ou PVC) s’apparentent aux chemins de câbles puisqu’ils supportent / conduisent des fils ou des câbles. Les couvercles de chemins de câbles servent, en plus de la protection mécanique, et principalement, à protéger les câbles de l’agression des ‘UV’ détériorant avec le temps la gaine isolante extérieure

Figure 115: Chemins de câbles

A retenir pour les chemins de câbles 200 mm

200 mm

HT BT Puissance

BT Commande

Figure 116: Distances entre les chemins de câbles en pose horizontale Que ce soit en pose verticale ou horizontale, les chemins de câbles de différents types ont entre eux une distance minimale d’installation à respecter. La distance de 200 mm est généralement la plus courante mais attention, ce peut être une autre distance, consulter le cahier des charges spécifique.

HT

200 mm BT Puissance 200 mm

Les chemins de câbles sont éclissés entre eux mécaniquement mais aussi « électriquement » avec un conducteur de terre et raccordés à la terre générale. Y compris les chemins de câbles PVC et fibre de verre (électricité statique !) Figure 117: Distances entre les chemins de câbles en pose verticale Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

BT Commande 200 mm Instrumentation 200 mm, etc Autres

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Pose en trèfle ou en alignement Ceci concerne les câbles de puissance. Un câble transportant du courant triphasé a ses conducteurs torsadés de par sa fabrication afin d’annuler (ou plutôt minimiser) l’induction électromagnétique produite par chaque phase (imaginez les 3 vecteurs à 120°, leur composante vectorielle est nulle). Figure 118: Pose en trèfle ou en alignement Les câbles triphasés (ou tri + N) peuvent être posés indifféremment en ligne ou en trèfle mais lorsque pour de fortes puissances, plusieurs câbles unipolaires forment une phase, il faut utiliser la technique du trèfle, les 3 conducteurs de ce trèfle représentant les 3 phases. Et en règle générale, les câbles ne doivent pas être « jetés » sur les chemins de câbles, mais alignés et attachés. Ceci non seulement pour des raisons d’esthétique mais aussi pour l’entretien (ajouter / enlever un câble) et pour minimiser les phénomènes d’induction. Et si vous rencontrez des câbles qui chauffent, et même un chemin ce câble chaud, ce n’est pas obligatoirement à cause d’une surcharge de courant, c’est peut-être tout simplement parce que les câbles sont mal posés…

4.3.2. Tranchées La pose de câbles en tranchées s’apparente à la pose en chemins de câbles, il faut respecter des distances entre les différentes tensions et respecter les distances d’enfouissement Les spécifications Total sont là pour vous confirmer le dimensionnement Caractéristiques principales : Dimensions : fond de la tranchée au minimum à 800 m de la surface, autres dimensions suivant les cas Câble en parallèle avec un ‘pipe’ : à 200 mm minimum Croisement de câbles : 200 mm minimum à l’endroit du croisement Traversées de chaussée : câbles sous conduit PVC de 150 mm minimum lui-même dans un conduit acier ou encastré dans le béton. Entrée en bâtiment : avec des regards en béton

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Contraintes de réalisation : Du sable doit être déposé en fond de tranchée (100 mm), les câbles doivent reposer sur un lit de sable. 100 mm de sable au dessus des câbles Protection mécanique, généralement par dalle de béton, tuiles,… 100 mm de remblai Grillage avertisseur, la couleur donnant la ‘discipline’ (rouge pour l’électricité) Remblai 200 mm minimum de sol d’origine Différents cas d’exécution :

200 mm

Sol naturel

Mini 700 mm Remblai sans pierres

Grillage avertisseur 100 mm

Protection mécanique

100 mm Puissance Terre Commande Sable 100 mm 100 mm

200 mm

100 mm

Mini 500 mm

Figure 119: Tranchée avec une épaisseur de câbles

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200 mm

Sol naturel

Mini 900 mm Remblai sans pierres

Grillage avertisseur 100 mm

Protection mécanique

100 mm Puissance

Commande Sable

100 mm Terre

Puis. 100 mm 100 mm

200 mm

100 mm

Mini 500 mm

Figure 120: Tranchée avec deux épaisseurs de câbles

Sol naturel

200 mm

Mini 700 mm Remblai sans pierres

Grillage avertisseur 100 mm

Protection mécanique HT

100 mm

Puissance

Commande Sable

100 mm

500 mm Puis.

Terre

100 mm 100 mm

200 mm

100 mm

Mini 600 mm

Figure 121: Tranchée avec HT et BT deux épaisseurs de câbles Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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4.3.3. Raccordement des câbles HT Vous n’allez pas en raccorder vous-même, c’est une technique particulière, un apprentissage spécifique qu’il vaut mieux laisser faire à « celui qui connaît » et qui « est qualifié pour ». Sachez qu’une extrémité de câble HT, une jonction de câble HT ne sont pas des opérations simples tel que dénuder le câble et le brancher sur un bornier. Il faut du matériel et de l’outillage spéciaux, et ce dans les différentes gammes de haute tension. Figure 122: Câbles HT Les jonctions : chaque dimension et tension de câble aura sa ‘trousse’ spécifique de raccordement avec référence particulière Figure 123: Jonction de câble Les extrémités (unipolaires) Figure 124: Extrémité intérieure (en cellule HT)

Figure 125: Extrémité extérieure (transfo)

Figure 126: Tête de câble tripolaire pour raccordement intérieur 6/10 (12) kV en cellule HT

Figure 127: Extrémité unipolaire extérieure (zone polluée) 26 / 45 (52) kV

Et sur toutes les têtes de câbles HT uni ou tri, une ’tresse’ de terre pour raccordement au réseau des masses Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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4.3.4. Raccordement des câbles BT Le but ici n’est pas la technologie de raccordement dans les armoires, les boites de jonction sur borniers ou le repérage des câbles mais simplement de mettre en lumière les accessoires que sont les presse étoupes (câble glands) et les passages de câbles, cela vous concerne sur un site, surtout pétrolier. Un câble mal raccordé, un presse étoupe mal monté ou inadapté peut très bien être la source d’un sérieux incident en zone explosive, et, si vous êtes à même d’identifier le « problème », signalez-le. Presse étoupes :

Figure 128: Différents types de presse étoupes Quel que soit l’appareil électrique, l’instrument à raccorder, l’entrée du câble dans « la boîte » se fait avec un presse étoupes, ses vocations étant de faire l’étanchéité (contre eau et poussière), fixer mécaniquement le câble, assurer une continuité des masses pour les câbles avec écran métallique assurer l’interface ‘Ex’ entre câble et ‘boîte’ en zone à risques

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Les matériaux utilisés sont le PVC, le bronze, l’acier (inox ou autre acier) Un diamètre de câble correspond à un type de presse étoupes Une utilisation (intérieure, extérieure, étanchéité renforcé, zone à risque,…) définit automatiquement un type de presse étoupes Exemples : Type industriel pour toute application. Le modèle ci-contre est pour câble à gaine PVC ou gaine élastomère Figure 129: Presse étoupes de type industriel (1)

Figure 130: Presse étoupes industriel (2)

Les presse étoupes ‘Ex’ pour les zones classées

Figure 131: Presse étoupes « Ex » pour la Grande-Bretagne et les pays du Commonwealth Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 132: Presse étoupes « Ex » Différentes normes existent suivant les pays, le point commun est que chaque ‘PE’ installé en zone doit impérativement avoir la marque ‘Ex’ gravée extérieurement (visible) Sigle officiel ‘Ex’ signifiant ‘matériel adapté pour installation en zone à risque et le sigle ‘CE’ pour Communauté Européenne Les presse étoupes ‘Ex’ doivent être raccordés à la terre Les presse étoupes non ‘Ex’ ne doivent pas être installés en zone à risque Particularité ‘North America’ : Aux USA, les câbles sont loin d’être utilisés couramment en installation industrielle. La distribution / protection des « fils » électriques se fait sous conduits ou tube acier qui sont raccordés aux appareils électriques au travers d’un ‘flame arrestor’. Vous trouverez ce type de réalisation sur les ensembles US comme les turbines ‘Solar’, ‘GE’ et autres. Le ‘flame arrestor’ doit assurer la continuité ‘flameproof ou explosion proof’ et pour ceci, il doit être empli de mastic résistant au feu (flameproof sealing compound) après la pose des câbles, mastic qui durcit et fait ‘bloc’ après sa pose. Si un câble ou fil doit être change / ajouté, ce n’est pas évident à faire mais il ne faut pas oublier de remettre ce flame arrestor (un nouveau s’il le faut) et ne pas oublier de le ‘bourrer’ de mastic. ‘Sealing compound’ et vis à bloquer

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4.4. ARMOIRE HT – HAUTE TENSION Les cellules HT (switchgear) Détails internes repris dans le chapitre : la HT. Sur site les tensions HT rencontrées étant de 5.5 à 20 kV, les cellules sont adaptés à cette tension. Une cellule 5.5, même si physiquement dans le même type d’armoire (cela peut arriver) aura des équipements internes différents que pour le 20 kV. Chaque cellule a sa fonction particulière : protection générateur - protection transfo - protection/démarrage moteur - comptage – remontée de barres – alimentation sous station - …etc… Figure 133: Cellule HT

Figure 134: Transformateur HT (1)

Figure 135: Transformateur HT (2)

Figure 136: Les postes de distribution ‘simplifiés’

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4.5. ARMOIRE BT – BASSE TENSION BT- B01

L’armoire principale de distribution BT connectée directement après le transformateur abaisseur. Les détails internes sont repris au chapitre ‘La BT’ Figure 137: Représentation armoire BT

1250 KVA 5.5kV/400V 3Ph

∆

Y Armoire Basse tension

Armoire de distribution appelée MCC pour ‘Motor Control Center’. C’est un ensemble modulaire regroupant la protection d’arrivée depuis le transfo et toutes les « tiroirs ». Chaque tiroir comprend la protection, le contrôle, les contacteurs, les relais pour chaque destination avec câbles puissance d’alimentation et contrôle. Figure 138: Armoire de distribution MCC

Les « sous distribution » avec les protections et contrôle d’éclairage, de HVAC, d’ensemble de chauffage, etc…

Figure 139: Armoires de « sousdistribution » Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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4.6. RECEPTEURS Tout ce qui est en aval d’une armoire HT ou BT, alimenté depuis cette armoire avec obligatoirement une protection du (des) câble(s) d’alimentation (fusible, disjoncteur) et éventuellement les éléments actionnant / commandant (relais, contacteur). Les récepteurs principaux font l’objet d’un cours séparé : transformateurs, moteurs ; nous n’entrons pas ici dans le détail mais listons simplement les éléments finaux d’un schéma unifilaire Les moteurs électriques : Les moteurs « classiques » sur site. Celui de gauche est d’une puissance de 50MW et alimenté en HT (6 et/ou 11 kV), vous verrez des moteurs HT mais moins puissants, mais vous verrez le moteur asynchrone (ci-dessus) dans toutes les gammes de puissance jusque 1MW Figure 140: Moteur électrique 50 MV

Figure 141: Moteur asynchrone Autres type de moteurs : linéaire, piézo-électrique, pas à pas, …

Rotatif direct (couple)

linéaire

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pas à pas

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Les transformateurs :

Figure 142: Transformateur de puissance HT/BT (ou BT/HT) Celui que vous rencontrez sur site est à droite, le transformateur à bain d’huile. Le transformateur à enroulement à l’air libre en HT/BT est peu répandu dans ‘notre’ industrie, il est généralement dans une cabine avec air pulsé pour évacuer la chaleur dégagée Transformateurs de puissance BT/BT : pour distribution d’éclairage, isolement de circuits Transformateurs de puissance HT/HT : pour transport d’énergie à distance Les armoires d’éclairage : Voir les principes de distribution en chapitre suivant Les armoires HVAC : Chauffage ou climatisation, reprenant les protections propres à ces circuits. … Modules (skids), UPS,…etc…

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4.7. EXERCICES Avant de continuer, quelques exercices avec tout ce qui a été vu jusque maintenant, et même quelques anticipations.

4.7.1. Grandeurs de base de l’électricité 12. Quelle est la résistance d’un chauffe-eau qui absorbe un courant électrique de 4,5 A lorsqu’on lui applique une tension de 230 V ?

13. Une ampoule électrique absorbe 0,17 A sous 230 V. Quelle est sa résistance ?

14. Calculer le courant circulant dans le corps de chauffe d’une plaque électrique ayant une résistance de 150 Ω, alimentée par une tension de 400 V.

15. Un fer à souder dont la résistance est de 3,5 Ω est alimenté sous 24 V. Quel courant tirera-t-il de la source ?

16. On désire faire circuler un courant de 4 A dans un corps de chauffe de 7 Ω. Quelle tension doit-on lui appliquer ?

17. Calculer la chute de tension dans un conducteur de 8 mΩ lorsqu’il est parcouru par un courant de 15 A.

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18. Dans un éclair moyen circule un courant de 20 kA à un potentiel de 200 MV. Calculer la valeur de la résistance offerte au passage du courant.

19. Les métaux bons conducteurs ont-ils une haute ou une basse résistivité ?

20. Considérant les résistivités indiquées dans la table du cours, quels sont à votre avis les deux matériaux généralement utilisés pour le transport de l’énergie électrique ?

21. Quelle est la résistance d’un fil d’installation en cuivre de 1 km de longueur et 1 mm² de section ?

22. Évaluer la puissance consommée par un moteur qui tire 15 A sous 24 V en C.C..

23. Un courant de 3 A circule entre deux points d’une installation électrique, et dissipe une puissance de 18 W. Quelle est la tension entre ces deux points ?

24. Évaluer le courant consommé par une ampoule électrique de 60 W sous 230 V.

25. Quelle est la résistance d’une ampoule électrique de 60 W sous 230 V.?

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26. Quelles sont les valeurs du courant et de la puissance d’une ampoule électrique de 60 W sous 230 V si sa résistance est réduite de moitié ?

27. Quel est le rendement d’une ampoule électrique de 60 W sous 230 V, sachant que l’énergie lumineux utile est de 10 W ?

28. L’éclairage d’une maison est assuré par 9 lampes de 60 W. Quelle est l’énergie (en kWh) consommée par ces lampes en 4 heures.

29. Sachant que l’électricité coûte 5 centimes d’Euro par kilowattheure, et supposant que 9 lampes de 60 W brûlent chaque nuit pendant une année, que coûtera cet éclairage ?

30. Sachant que l’électricité coûte 5 centimes d’Euro par kilowattheure, et supposant que 9 lampes de 60 W brûlent chaque nuit pendant une année, quel serait le gain si ces lampes sont remplacées par des lampes dites économiques, fournissant la même lumière tout en ne consommant que 15 W ?

31. Un grille-pain branché sur 230 V consomme 3 A. Quelle est sa puissance et quelle énergie (en kWh) consomme-t-il pour faire des toasts en 5 minutes ?

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4.7.2. Alimentations à tension continue Sans avoir vu les batteries, ce sont des questions logiques en utilisant U=R.I. & P=U.I. 32. La tension aux bornes d’une pile est de 1,5 V à circuit ouvert. Elle est de 1,2 V quand une résistance de 6 Ω est connectée à ses bornes. Quelle est la résistance interne de la pile ?

33. On veut alimenter une ampoule avec un courant de 300 mA pendant une semaine. La résistance de l’ampoule est de 20 Ω. Combien de piles de 1,5 V d’une capacité de 30 Ah sont nécessaires et comment doit-on les connecter ?

34. Une pile est considérée comme usée quand sa tenson chute au dessous de 1.0 V. La même pile peut débiter un courant de 19,5 A pendant 8 heures ou 940 A pendant 5 secondes. Calculer et comparez la capacité en [Ah] dans ces deux cas, expliquez la différence.

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4.7.3. Alimentations à tension alternative monophasée 35. Quelle est la valeur efficace d’un courant sinusoïdal dont la valeur crête est de 12 A ?

36. Une spire de cuivre tourne à 3'600 tours par minute dans un champ magnétique constant. Quelle est la fréquence de la tension ainsi produite ?

37. Quelle est la période d’une tension alternative dont la fréquence est de 16 2/3 Hz ? (temps pour une alternance)

38. Une tension alternative sinusoïdale a une valeur efficace de 100 V et une fréquence de 50 Hz. Quelle est sa valeur instantanée, 10 ms après le début de la période ? Après combien de temps la tension instantanée atteint-elle la valeur inverse ?

39. Un appareil alimenté au réseau alternatif 230 V / 50Hz consomme 0,6 A, avec un déphasage de 30°. Calculer sa puissance active, sa puissance apparente et sa puissance réactive. Faire une représentation vectorielle.

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40. La plaquette signalétique d’un moteur de 1,5 kW (à l’arbre) fournit les indications suivantes • Tension nominale : 230 V / 50 Hz • Rendement : 72% • Cos φ : 88% Calculer sa puissance active consommée tirée sur le rseau, ainsi que le courant appelé lorsqu’il est chargé à sa puissance nominale.

4.7.4. Alimentations à tension alternative triphasée Tout est en raisonnement logique, faites des schémas. 41. Considérant le réseau triphasé européen (Usimple = 230 Vrms pour U entre phase et neutre), calculer la valeur exacte de sa tension composée (entre phase) Ucomp, puis la valeur crête de ces 2 tensions

42. Calculer l’intensité du courant absorbé par un chauffage de 10 kW alimenté en 400 V~ triphasé ? On admet que le chauffage est constitué de 3 résistances identiques connectées en étoile, et que son facteur de puissance vaut 1. Que se passerait-il si l’on connectait ces 3 résistances en triangle ?

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43. Un four est chauffé par 3 résistances de 100 Ω. Quelles sont les puissances totales que l’on peut obtenir par différents couplages sur un réseau triphasé en Europe ? Établir la liste de toutes les combinaisons possibles d’alimentation des résistances en tri + entre phase et neutre (ou entre 2 phases). Indice : Il y a 8 combinaisons possibles.

44. Avec du fil électrique en cuivre de 2,5 mm² de section, on est autorisé à laisser circuler au maximum 16 A. Quelle est la puissance max. que peut consommer un appareil 400 V triphasé sans dépasser le courant autorisé ?

45. Trois lampes de 60 W sont branchées, chacune entre une phase et le neutre d’une alimentation triphasée standard en Europe. Quels sont les courants qui circulent dans chacune des phases et dans le neutre ?

46. Par erreur, un installateur a branché la phase L2 d’une alimentation triphasée à la terre, au lieu du neutre. Quelle est la tension max. qui apparaît sur les deux autres phases relativement à la terre ?

47. Une lampe de 25 W est branchée entre la phase L1 et le neutre d’une alimentation triphasée standard en Europe. Une autre lampe de 100 W est branchée entre la phase L2 et le neutre. Quelles tensions apparaissent aux bornes de chaque lampe si la connexion avec le neutre est accidentellement interrompue ? Quelles sont les conséquences prévisibles ?

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48. On connecte une lampe de 40 W entre la phase L1 et le neutre d’une alimentation triphasée, une lampe de 60 W entre la phase L2 et le neutre, et une lampe de 100 W entre la phase L3 et le neutre. Que valent les 3 courants de phase et le courant de neutre ?

Un moteur triphasé de 15 kW (puissance nominale à l’arbre) entraîne une pompe hydraulique. Son rendement est de 83% (à la puissance nominale)et son cos φ vaut 0,85. Il est alimenté en 400 V triphasé. 49. Quelles sont les puissances actives et réactives consommées à charge nominale ?

50. Que valent les courants de phase ?

51. Souvent, cette pompe ne fonctionne qu’à 20% de sa puissance nominale. Sachant que la puissance réactive reste pratiquement inchangée et que seule la puissance active diminue en fonction de la charge, que valent le cos φ et le courant dans ce cas de charge.

52. Que pensez-vous de ce genre d’application ? Que chercheriez-vous à améliorer, et comment ?

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5. PRECAUTIONS CONTRE LES DANGERS DE L’ELECTRICITE Dans toute distribution électrique, tout un chacun interprète le danger de l’électricité comme une menace pour l’humain. C’est bien entendu vrai, un courant traversant le corps humain tue à partir d’une certaine valeur, mais il faut savoir qu’un courant (indésirable) circulant dans les masses métalliques d’une installation détruit celle-ci. C’est la corrosion, la rouille est le résultat d’une électrolyse et ce n’est pas que la peinture qui protége contre cette rouille, ce sont de sérieuses mesures prises dans le domaine électrique qui protègent efficacement contre ce type de corrosion. Voyons d’abord les dangers, les « problèmes » et ensuite les remèdes

5.1. DANGERS DE L’ELECTRICITE 5.1.1. Effets physiologiques de l’électricité L’électrisation désigne les blessures infligées au corps humain s’il est parcouru par un courant électrique. La gravité de ces lésions dépend de l’intensité du courant et du temps pendant lequel l’organisme est soumis à ce courant. Ces lésions sont principalement cardiovasculaires (arrêt cardiaque, infarctus), respiratoires (suffocation), musculaires (brûlures, nécroses), cutanées ou neurologiques. L’électrocution est le décès par électrisation. De 1 à 10 mA, le courant ne provoque que des crispations sans danger ; De 10 à 25 mA, le courant ne peut être dangereux que lors d’une application durant plusieurs minutes De 25 à 75 mA, le courant peut entraîner l’arrêt du coeur ; il est mortel après 30 secondes Les défaillances cardiaques les plus graves se manifestent pour des courants supérieurs à 75 mA, même pour une durée inférieure à 1 seconde. Figure 143: Dangers de l’électricité

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Figure 144: Graphique des dangers de l’électricité Pour le diagramme ci-dessus, les zones 1 et 2 sont sans danger, zones 3 et 4 mortelles Tensions de sécurité : Le diagramme donne l’intensité sans danger à 10 mA, et considérant la résistance du corps humain sous différentes conditions, appliquons la formule U=R.I. En zone sèche, la résistance minimum est de 5000 Ω 5000 x 0,01 = 50 V CA En zone humide, la résistance minimum est de 2500 Ω 2500 x 0,01 = 25V CA En immersion, la résistance minimum est de 1250 Ω 1250 x 0,01 = 12V CA

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5.1.2. Classification des tensions Classification des tensions : en 3 niveaux TBT : Très Basse Tension

en CC : jusque 120V

BT : Basse Tension

en CC : BTA de 120 à 750V et BTB 750 à 1500V

HT : Haute Tension

en CC : HTA jusque 75 KV HTB au dessus

TBT: Très basse tension en CA : (VLV : Very Low Voltage) De 0 à 50V en courant alternatif (CA) et 0 à 120V en courant continu (CC) Valeur décidée en fonction de la tension de sécurité, ci-dessus, le matériel à main de sécurité doit avoir une tension de service maximale de 50V CA BT : Basse Tension en CA : (LV : Low Voltage) Subdivisé en 2 catégories : BTA de 50 à 500V BTB de 500 à 1000V La BTA est la catégorie employée communément : 220/230V et 380/400V HT : Haute Tension en CA : (HV : High Voltage) Subdivisé en 2 catégories : HTA de 1 kV à 50 kV HTB au dessus de 50 kV

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5.1.3. Risques électriques pour les personnes et le matériel Le « danger » d’électrocution ou d’électrification et venir de « m’importe où »

Figure 145: Quelques exemples de dangers de l’électricité A ne pas oublier les conséquences d’un court-circuit : brûlures, arc pour les yeux, fumées pouvant être dangereuses, l’effet d’induction sur un câble non connecté, etc… Autres risques :

Figure 146: Dangers d’étincelles associées à des émanations de gaz

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Cette figure regroupe plusieurs sources de danger Charge capacitive d’un camion, d’un hélico, et même d’un bateau Charge capacitive d’une ligne Possibilité de corrosion Cette capacité peut provoquer une étincelle. Seule précaution : la mise à la terre, paragraphe ci-après Figure 147:Sources de dangers électriques Et lorsque vous avez à remplacer une vanne sur une ligne, assurer la continuité des masses par un câble de terre entre les 2 portions (connecté avant d’enlever la vanne !). Des accidents se sont déjà produits par non respect de cette précaution La protection cathodique doit aussi être assurée avec la continuité de la masse. (voir cours protection cathodique)

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5.2. MISE A LA TERRE Une personne évoluant dans le domaine électrique considère le conducteur de terre comme le « fil » le plus important dans la distribution électrique. D’autres part, la majorité des protections des circuits électriques ne peuvent fonctionner sans circuit de terre.

5.3. Les défauts de terre Appareil non raccordé à la terre (= danger = anomalie) Un enroulement du moteur est défectueux et en contact avec la masse métallique, la personne touchant ce moteur est à la tension 220V, et en appliquant U = R.I. Figure 148: Appareil non raccordé à la terre IF = UF / RH = 220 / 2500 = 88 mA (zone rouge en 0,1 sec !) IF pour courant de défaut RH, résistance du corps RTERRE négligeable (Le même) Appareil raccordé à la terre Ajoutons RN résistance du neutre et RM résistance de la ligne de terre. Le courant est réparti entre IG et IH La résistance équivalente RH/RM est 1/R = 1/RH+1/RM Avec R = 5 Ω (approxim.) Le courant de faute IF = U/RM+RN = 220/5+5 = 22 Amp La masse est au potentiel UF UF = RMxIF = 5 x 22 = 110 Volts Figure 149: Appareil raccordé à la terre Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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La répartition des courants donne : IG = 110 / 5 = 22 Amp. et IF = 110 / 2500 = 44 mA 44mA reste toujours un courant dangereux. L’on peut déjà réaliser qu’avec une résistance des masses moindres, l’on diminue le potentiel touché, d’où l’importance d’avoir de bonnes connections de terre et un réseau de terre avec la plus faible résistance possible. Neutre non raccordé à la terre (ou non distribué étoile ou triangle) Une impédance est à considérer correspondant à l’isolation, prise à 4000 ohms pour l’exemple U : tension du réseau, RM : résistance des masses= 1 Ώ ZF : impédance réseau IF = U / RM + ZF = 220 / 4000+1 = 220 / 4000 = 55 mA Tension de défaut : UF = RM x IF = 1 x 0,055 = 0,55 Vols (Apparemment) sans danger Figure 150: Neutre non raccordé à la terre

Neutre connecté à la terre par impédance Méthode courante en industrie avec Z de 1000 ohms comme valeur moyenne RM et RN sont de faibles valeurs IF = U / RM+RN+Z = 220/1002 = 220 mA Tension de défaut : UF = RM x IF = 1 x 0,22 = 0,22V donc pas de danger pour les personnes Figure 151: Neutre connecté à la terre par impédance

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5.3.1. Les régimes de neutre Il ne vous est pas demandé de maîtriser le principe comme pour un électricien, mais de connaître les différents termes et de comprendre les différentes applications. Les régimes de neutre s’appliquent aux réseaux de distribution BT. Les sources d’énergie telles que générateurs, transformateurs sont (presque toujours) avec enroulements BT en Y (étoile) et donc avec un point neutre En HT, il existe également un « système » de protection neutre / terre mais différent et à voir dans le chapitre HT Principe des régimes de neutre : Les parties métalliques d’une installation étant interconnectées et reliés à un réseau général de terre, tout courant de défaut transite par ce circuit de terre pour retourner à sa source génératrice au travers du conducteur de neutre Les différents régimes de neutre : Le régime de neutre est défini par 3 lettres 1ère lettre : condition de connexion du neutre avec la terre T : neutre connecté directement à la terre I : pour Isolé (non connecté,’ flottant’) ou pour Impédant (connecté à la terre au travers d’une impédance 2ème lettre : concerne les parties métalliques de l’installation T : les parties métalliques sont interconnectées à un réseau indépendant de celui de la terre du neutre N : les parties métalliques de l’installation sont interconnectées et reliées à la terre du neutre 3ème lettre : indique la relation entre terre des masses métalliques et la terre du neutre S : pour Séparé, les réseaux terre des masses métalliques et terre du neutre sont 2 réseaux différents mais connectés ensemble au niveau de la génération C : pour Commun, un seul réseau distribue en même temps avec un seul conducteur confondu la terre des masses métalliques et le conducteur neutre Il existe 5 combinaisons de ces 3 lettres : TT, TN-C, TN-S, TN-C-S, IT

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Le régime TT C’est le principe de la distribution domestique par exemple. Alimenté par le réseau EDF, il n’est pas possible d’être connecté au neutre EDF qui lui est connecté à la terre (1ère lettre T). Du côté utilisation,il est obligatoire de raccorder toutes les masses métalliques à une ‘autre’ terre, le réseau PE (2ème lettre T) Figure 152: Neutre TT Les protections et coupures des circuits de distribution par des détections de défauts de terre sont obligatoires dans cette configuration (chapitre BT).

Le régime IT Neutre Isolé ou Impédant et installation à la Terre indépendamment Employé dans les distributions industrielles donc sur sites. Est obligatoire uniquement une surveillance du réseau par un appareil tel que le ‘contrôleur permanent d’solement’. avec un système IT à neutre impédant Figure 153: Neutre IT La protection défaut au niveau des départs n’est pas obligatoire mais conseillée.

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Le régime TN : Neutre à la Terre, terres des distributions reliées au Neutre, C=commun TN-C réseau PEN Dans tout le système, la fonction du conducteur neutre et de protection est assurée par un seul conducteur. Avantage : Économie de cuivre, facilité de tirage (4 conducteurs seulement), réduction des coûts. Figure 154: Neutre TN-C Inconvénient : Danger que des masses de récepteurs mises au neutre soient mises sous tension par la rupture du conducteur PEN. Pour des sections de conducteurs supérieures à 10 mm², égales et en dessous de 10 mm² c’est le TN-S TN-S Séparation du conducteur N et PE dans tout le système Figure 155: Neutre TN-C Avantages : Utilisation simple du couplage de protection à courant de défaut Mesure d’isolement simplifiée (pas de liaisons N-PE, ce qui évite des accidents dus à l’omission du rétablissement des liaisons après intervention). Pas de limitation quant à la section des conducteurs Inconvénient : Distribution 5 fils, donc câblage plus onéreux Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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TN-C-S Combinaison des 2 dans la même distribution

Figure 156: Neutre TN-C-S

Le schéma TN-C (Terre et Neutre Commun) peut être utilisé si la section des conducteurs en cuivre est supérieure à 10 mm2. Le schéma TN-S est obligatoire pour des sections inférieures ou égales à 10 mm² Point commun aux 5 méthodes : le conducteur de terre (PE) doit rester branché en permanence et ne jamais être intégré dans un organe de coupure (sectionneur, disjoncteur,…). Pour le montage TN-C avec neutre confondu (PEN), le neutre ne doit jamais être sectionné puisqu’il est la terre en même temps.

5.3.2. Le réseau des terres Schéma de distribution des terres électriques C’est (un peu) un schéma unifilaire montrant sur le plan du site (layout diagram) : Le passage de tous les câbles de terre en boucle, enterrés ou aériens Les connexions avec les équipements électriques Les connexions avec les masses métalliques ‘process’ (ballons, skid, ….) Les connexions avec les masses métalliques des structures Les connexions avec les puits de terre Les barrettes / barres de terre collectrices Les interconnexions avec les autres réseaux de terre (instrumentation, informatique, protection contre la foudre,…) Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Schémas de raccordements annexes En plus du schéma général, pour chaque projet, un cahier de détail est produit montrant la particularité des raccordements tel que : dérivation sur boucle principale – raccordement sur ballons avec nombre de connexions et matériel à utiliser – raccordements sur barrettes - …etc… Se référer à la spécification générale Total en ce domaine. Ci-après exemple de ‘sketch’ ou schéma détaillant un type de connexion sur structure

Figure 157: Exemples de connexion sur structure A noter : les raccordements sur boucle de terre (câble cuivre sur câble de cuivre) se font généralement avec le principe de la thermo soudure ; le système « Cadwel » (ou soudure aluminothermique). Système également employé pour les connexions câble cuivre sur structure métallique, ceci pour éviter la corrosion galvanique. Dans le schéma d’exemple ci-dessus la connexion câble cuivre / structure acier utilise une « interface », soit une rondelle bimétal (Cu+Acier) afin d’éviter la corrosion naturelle se développant lorsque deux métaux différents sont en contact. Principe de la soudure aluminothermique Le principe est d'utiliser la réduction de l'oxyde de cuivre par l'aluminium. Cela provoque une réaction exothermique et forme un bain de cuivre fondu. Ce bain de cuivre en fusion s'écoule alors sur les conducteurs Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 158: Exemples de bonnes soudures Dans les exemple de bonnes soudures; on peut voir que le conducteur et la soudure forment un bloc de matière homogène.

5.3.3. Les puits de terre (earth electrodes) En installation on shore (évidemment) Les réseaux de terre se complètent avec des regards de visite et des piquets de terre

Figure 159: Puits de terre

Le nombre de piquets de terre, leurs longueurs (ou profondeurs dans le sol) sont calculés au moment du projet ceci pour avoir un réseau de terre ayant la plus faible résistance possible. La résistivité du sol (pour retour du courant par le sol) entre en compte également pour ce calcul.

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Pourquoi des regards de visite ? L’intégrité du réseau de terre est vérifiée sur site industriel au moins une fois par an par un organisme indépendant agrée. Lors de sa visite, l’inspecteur doit déconnecter chaque piquet et mesurer la « résistance de terre » propre (à chaque piquet). Sur site, SVP, laissez libre et accessible ces regards de terre, c’est peut être vous qui devrez signer le prochain rapport de vérification et devoir prendre des mesures pour la « contre vérification » afin de compléter les parties laissées ‘blanches’ sur le rapport.

5.3.4. Les boucles de terre Ou l’ensemble des réseaux de terre d’une installation, d’un site. Figure 160: Boucles de terre Tous les câbles des masses sont réunis sur des collecteurs de terre répartis dans l’unité et en salle(s) électrique(s). Une mesure ‘globale’ des résistances des boucles de terre d’une installation doit : On shore : < 10 ohms (inférieure à 10 Ω) en zone non à risque (non hazardous areas) ; En pratique, l’on essaie d’avoir une valeur inférieure à 2 ohms) < 1 ohm (inférieure à 1 Ω) en zone à risque (0, 1 et 2 – hazardous areas) Off shore : < 0,5 ohm (inférieure à 0,5 Ω) en n’importe quel point, circuit de terre de l’installation

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Terre « électrique » et terre « mécanique » Barrette interconnexion

Salle électrique MCC

Terre électrique en MCC

Câble de terre incorporé au câble d’alimentation

M Connexions à la terre des masses

Figure 161: Terre "électrique" et "mécanique Il n’existe pas d’appellation spécifique quant à la « différenciation » des terres, les appellations ‘électriques‘ et ‘mécaniques’ sont ici ‘inventées’ pour la compréhension, toutefois il faut impérativement savoir que sur un site industriel : Un appareil électrique (moteur, lampe, chauffage,…) est raccordé au moins 2 fois à la terre, sur la terre « mécanique » (terre des masses, la boucle sur site), et sur la terre « électrique » par son câble d’alimentation qui comporte obligatoirement un conducteur ‘PE’, le fil ‘vert-jaune’. Une masse métallique même sans aucun équipement électrique (réservoir, séparateur, skid,…) est raccordé au moins une fois à la terre « mécanique ». Plusieurs raccordements « mécaniques » peuvent exister, ceci est fonction de la masse elle-même (du volume de métal), les règlements / normes sont à consulter pour connaître ces détails. Les masses « électriques » et « mécaniques » sont connectées sur un collecteur général. Et (encore un conseil….), sur « votre site », lorsque vous voyez des terres « mécaniques » non branchées ou même mal connectées, et si cela ‘ne vous concerne pas’, sachez que vous participez activement à la corrosion des équipements et que peut être vous aurez une part de responsabilité dans le futur accident du à un défaut électrique….

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5.4. PROTECTION DES PERSONNES ET DU MATERIEL 5.4.1. Protection individuelle C’est le ‘kit’ classique de chantier pour un opérateur : casque, gants, chaussures de sécurité, lunettes, ‘coverall’, protection auditive,…. Un opérateur ne doit pas intervenir sur une installation électrique mais il peut conseiller, et se doit même de corriger des non mesures de sécurité de la part d’un électricien. Protection individuelle d’un électricien, spécificité : Combinaison: à manches longues (pour éviter les brûlures par arc), en coton (résistant au feu) sans fermeture métallique (zip en plastique ou boutons) Casque, lunettes : en matériau non conducteur Outillage individuel adapté : Matelas en matériau isolant pour travailler en armoire électrique BT Outillage individuel à main isolés et en bon état Figure 162: Outillage individuel Pas d’outillage métallique pour intervention dans les armoires BT sous tension (scie, mètre à ruban,….) Outillage électrique à main : Classé en catégories de 0 à 3 (de 0 à III) qui sont les classes d’isolation Catégorie 0 Outil ou appareil métallique connecté sur réseau domestique (220 ou 110V), sans raccordement à la terre. En cas de défaut, le 220V est ‘touché’ directement. Interdit aussi bien sur chantier qu’en appareil électroménager « à la maison » * Figure 163: Appareil catégorie t Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Des appareils électroménagers de cette catégorie sont sur le marché en France (en provenance d’Asie par la net ou autre….). Attention, si un accident se produit, les assurances « ne marchent pas » et sur un chantier, un site, encore moins... Catégorie I Appareil à carcasse métallique raccordé au réseau (220V) avec un conducteur de terre dans le câble d’alimentation. Autorisé pour les appareils fixes, non autorisé pour les appareils mobiles Figure 164: Appareil catégorie I A la maison, la télé, le frigo, le chauffage doivent obligatoirement être branchés avec une connexion terre Catégorie II Outil à main ou appareil semi fixe (électroménager) alimenté par le réseau (220V) à carcasse en matière isolante, le constructeur garantissant la non possibilité de contact en cas de défaut intérieur. Figure 165: Appareil catégorie II Autorisé sur site en zone sèche (et ‘safe’) uniquement et avec l’alimentation protégée par système différentiel * Les circuits de prises de courant (à la maison aussi) sur lesquels les appareils mobiles sont branchés se doivent obligatoirement d’avoir un système de déclenchement en cas de courant de défaut résiduel c'est-à-dire une protection par détection différentielle 30mA agissant sur un interrupteur ou un disjoncteur (voir chapitre la BT). Un appareil catégorie II est un appareil à « double isolation » avec marquage par un « double carré » (marquage international) * La réglementation n’impose pas un raccordement à la terre par le câble d’alimentation pour ce type d’appareil mobile. Il est toutefois fortement Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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recommandé de brancher cette perceuse (en exemple) sur une prise de courant protégé par dispositif différentiel. Le mandrin et l’axe d’induit de cette même perceuse sont métalliques, vous allez toucher cette masse métallique en manipulant la perceuse (sans la débrancher) et il peut y avoir une détérioration interne mettant en contact la partie rotative et le 220V. Catégorie III : Outil ou appareillage alimenté par une tension de sécurité < 50 V CA en zone sèche et < 25 V CA en zone humide Les outillages courant sont en 24V maximum alimentés par une source 24V individuelle sur site.* Figure 166: appareil catégorie III * Attention, obligatoire sur site : si le 24V CA n’est pas distribué par circuit prise de courant 24V, il faut un transfo de sécurité pour un outil à main, un seul outil devant être connecté Par exemple : (1 perceuse=1 transfo + 1 meuleuse=1 transfo + 1 baladeuse=1 transfo) Bien entendu, les tensions inférieures sont encore plus sécurisantes : le 6V pour un train électrique, le 6V pour un outil à main sur bloc batterie,…etc… L’habilitation électrique : Sur un site vous devez avoir une autorisation particulière et individuelle en suivant une formation « C18510 » (référence de la norme). Sans cette autorisation vous n’êtes tout simplement pas autorisé à entrer dans une salle électrique.

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5.4.2. Protection mécanique ‘ IP’ Tout matériel électrique et instrumentation a un ‘degré’ de résistance à la pénétration d’eau et de poussière plus ou moins important suivant son indice ‘IP’ établi lors de sa fabrication, indice écrit sur la plaque signalétique d’identification.

Figure 167: Luminaire Ex et IP67 Par exemple, ce luminaire est non seulement ‘Ex’ pouvant être monté en zone à risque, mais aussi IP67 c’est-à-dire, selon le constructeur ‘6’ pour entièrement étanche aux poussières et ‘7’ pour résistant à l’immersion. En complément (non obligatoire) un indice de résistance aux chocs de 10 Joules. L'indice de protection IP caractérise le niveau d'étanchéité des produits. Le premier chiffre correspond au niveau de protection contre les corps solides et le second chiffre contre les liquides.

Indice de protection

Corps solide

Corps liquide

IP

6

5

Table 12: Indice de protection

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Indice

Pour le premier chiffre

Pour le second chiffre

0

Aucune protection

1

Protection contre les corps solides Protection contre les chutes verticales de supérieurs à 50mm gouttes d'eau

2 3

Aucune protection

Protection contre les corps solides Protection contre les chutes d'eau avec une supérieurs à 12mm inclinaison de 15° maximum Protection contre les corps solides Protection contre l'eau en pluie supérieurs à 2,5mm

4

Protection contre les corps solides Protection contre les projections d'eau supérieurs à 1mm

5

Protection contre la poussière

Protection contre les jets d'eau

6

Protection totale contre la poussière

Protection contre les vagues

7

Protection contre les effets de l'immersion

8

Protection contre les effets de l'immersion prolongée Table 13: Les indices de protection

5.4.3. Les travaux électriques En tant qu’opérateur même sans être responsable d’un site, vous avez à approuver, à décider de travaux d’ordre électriques pour lequel il vaut mieux savoir : Travaux électriques : Aucun travail électrique n’est autorisé sous tension en BT et HT Les travaux sous tension ne sont autorisés qu’en TBT avec outils isolés (une clé en travers de cosses + et – d’une batterie va faire beaucoup de dégâts) Un travail sous tension peut être décidé mais avec l’établissement d’une procédure spécifique et l’utilisation d’outillage spéciaux entièrement isolés et en BTA uniquement pour nos applications sur site. Tout travail en BT et en HT implique l’isolation complète de l’installation concernée avec toutes les précautions requises pour la non présence de tension et non retour accidentel de tension : départ consigné avec verrouillage, cadenassage. Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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En BT sous tension, ne sont autorisés que les interventions et en BTA Les interventions consistent en : • Prise de voltage avec appareil adapté pour dépannage d’une installation • Manœuvres de test ou d’essais • Un balisage et une sécurisation des équipements en interventions • Le passage à un travail sous coupure quand le résultat du dépannage implique le remplacement d’un appareil ou la modification d’un câblage. En HT, aucune intervention n’est autorisée sous tension Permis électriques : Le permis électrique est un permis complémentaire au permis de travail principal qui ne peut être émis seul. Modalités d’établissement de ce permis à voir sur chaque site. Le permis électrique n’est pas réservé à un travail d’électricien mais pour tout travail qui implique la mise hors tension d’un équipement et ceci pour pouvoir travailler en toute sécurité sans craindre par exemple le démarrage intempestif d’une pompe, l’allumage ‘inattendu’ d’une rampe d’éclairage Le permis électrique consiste principalement en une séquence d’isolation (ou consignation) d’alimentation(s) électrique(s) avec signatures et manipulations par du personnel habilité pour. Le permis électrique inclus également les séquences de déconsignation. L’opérateur de quart signe le permis électrique en ouverture et en fermeture.

5.4.4. La protection cathodique Cours spécifique à ce sujet dans le cursus opérateur. La corrosion étant produite par un courant électrique sous le principe d’une pile avec anode et cathode, l’on produit un contre courant afin de contrecarrer les effets de ce courant naturel dans les masses métalliques. Deux méthodes : Anodes sacrifiés : l’on détruit des jeux d’anodes rapportées sur la structure Injection de courant : une source à courant continu injecte un courant inverse du phénomène naturel.

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5.5. EXERCICES 53. Un piquet de terre est raccordé ‰ Au regard de terre ‰ à la boucle de terre des masses ‰ à une phase 54. Le conducteur de terre dans un câble d’alimentation électrique est de couleur ‰ Rouge ‰ Noire ‰ Vert- jaune ‰ Indifférent 55. Le conducteur de neutre est présent pour une source d’alimentation (transfo ou générateur) quand le raccordement est en configuration : ‰ Triangle ‰ Étoile ‰ Étoile / triangle 56. La tension d’alimentation de sécurité (courant alternatif) en zone humide est de : ‰ 48V ‰ 60V ‰ 24V

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57. La baladeuse que j’utilise pour regarder à l’intérieur d’un réservoir d’eau en zone non dangereuse (non hazardous area) peut être alimentée : ‰ En 220V depuis une prise à proximité ‰ En 48V depuis une prise à proximité ‰ En 24V en parallèle avec la perceuse et la meuleuse que je dois utiliser ‰ En 24V sur le secondaire d’un transfo de sécurité (unique branchement) 58. Le boîtier d’alimentation de mon ordinateur est en isolation classe I, je n’ai pas besoin de fil de terre avec l’alimentation 220V ‰ Vrai ‰ Faux 59. Le boîtier d’alimentation de mon ordinateur est en isolation classe II, je n’ai pas besoin de fil de terre avec l’alimentation 220V ‰ Vrai ‰ Faux 60. Soit une alimentation tri avec neutre, 380V entre phase, entre phase et neutre il y a : ‰ 380V ‰ 220V ‰ 0V 61. Soit une alimentation tri avec neutre, 380V entre phase, entre Phase et Terre il y a ? ‰ 380V ‰ 220V ‰ 0V

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62. Je suis en régime TT, quelle tension entre Neutre et Terre : ‰ 380V ‰ 220V ‰ 127V ‰ 0V (environ) 63. Un réchauffeur de gaz est alimenté par un câble 4G70 mm², que veut dire le G ? Je dois rajouter un câble de terre pour le raccordement aux masses du site ‰ Vrai ‰ Faux 64. Un électricien doit remplacer du câble dans une armoire BT, il peut le faire sous tension, c’est lui le spécialiste ‰ Vrai ‰ Faux 65. Un électricien doit effectuer un dépannage (troubleshooting) dans une armoire BT, il peut le faire sous tension, c’est lui le spécialiste ‰ Vrai ‰ Faux 66. Un électricien, spécialiste HT, doit remplacer un fusible 6kV dans une cellule HT, il peut le faire sous tension : ‰ Vrai ‰ Faux

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6. LES ARMOIRES HAUTE TENSION Les photos et schémas sont extraits d’un catalogue de marque ABB, Le matériel ABB est communément installé sur les sites Total

6.1. LE POSTE HT C’est un assemblage de cellules ‘modulaires’ que l’on associe en fonction des besoins Le poste HT est dans une salle électrique dédié à cette fonction, bien souvent cette salle admet également la partie BT Figure 168: Poste HT (1) L’accès d’un poste HT est réservé au personnel habilité ayant suivi une formation spécifique C18510 et ayant reçu un certificat personnel et individuel autorisant l’entrée dans le même. Un chef de site de même qu’un « technicien de surface » sans habilitation ne doit pas pénétrer dans un poste (même BT) sans cette autorisation. Figure 169: Poste HT (2) Le but est d’avoir l’ensemble du personnel averti des dangers de l’électricité pour qu’il n’effectue pas des actions inconsidérées mettant en jeu sa propre vie et celle des autres ; par exemple le balayeur nettoyant à grande eau ou un « touriste » allant trop près des pièces sous tension Figure 170: Poste HT (3)

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L’opérateur (habilité) a accès dans le poste, devant et derrière les cellules pour effectuer les manœuvres qui lui sont autorisées et faire les relevés sur les appareils de mesure en façade. Ces mesures s’effectuent principalement sur un appareil propre à chaque cellule regroupant les protections et les valeurs électriques (ici le REF452 pour le matériel ABB)

Figure 171: Schéma unifilaire de tableau UniGear Le schéma unifilaire de tableau UniGear à architecture avec REF542 plus appropriée à effectuer, en plus des protections et des mesures du tableau, la commutation automatique et manuelle (ATS).

Les boucles HT (enterrées) G

Sous station A

G

10 MVA 6kV

SA1

10 MVA 6kV

6kV

Poste principal

SA2

6kV Cellule interrupteur

SP1

X départs sur poste A

SP2 Sous station B X départs sur poste principal SB1 6kV

Câble de boucle enterré

SB2

X départs sur poste B

Figure 172: Boucles HT Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Sur site (on shore et offshore) une distribution HT peut comporter plusieurs sous-stations alimentés en boucle fermée (tous les interrupteurs sont fermés) ou en boucle ouverte (un des interrupteurs est ouvert Par exemple, sur le schéma ci-dessus, si l’on veut travailler en cellules de la sous station ‘A’, l’on ouvrira non seulement les interrupteurs SA1 et SA2, mais aussi SP2 et SB1, le poste ‘B’ reste alimenté par SP1 et SB2. Verrouillages de boucles et de cellules HT Dans l’exemple ci-dessus, le poste ‘A’ doit être isolé mais les manœuvres d’ouvertures et de fermetures des interrupteurs dans les 3 postes (P + A + B) s’effectuent selon une procédure très stricte avec une séquence d’opérations pour les ouvertures (et/ou fermetures) des différents interrupteurs/sectionneurs/disjoncteurs HT incluant des verrouillages par clés et/ou cadenas et des mises à la terre des câbles HT pour les « décharger » (effet capacitif) lorsqu’ils ne sont plus sous tension. Figure 173: Verrouillages de boucles Les verrouillages de sécurité sont classés en deux catégories: ceux de série [1-2-3] et ceux disponibles sur demande [4-5], voir tableau ci-après. Les premiers sont prévus par les réglementations et donc nécessaires à garantir la séquence correcte des manoeuvres; les autres peuvent être fournis sur simple demande.

Figure 174: Verrouillages de sécurité de série

Figure 175: Verrouillages de sécurité (en option)

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La présence de ces verrouillages doit être prévue par les procédures de service et de maintenance de l’installation. Leur présence garantit le plus haut niveau de fiabilité même dans le cas d’erreur accidentelle et permet d’obtenir un système de verrouillage “exempt d’erreurs” garanti par le constructeur. Clés L’utilisation de verrouillages à clé est particulièrement important dans la réalisation de logiques de verrouillage entre des unités du même tableau, ou bien d’autres tableaux de moyenne, basse et haute tension. Les logiques sont réalisées au moyen de distributeurs ou bien en reliant les clés à un anneau.

Figure 176: Verrouillages à clés Le chariot des appareils [6] peut être bloqué dans la position débrochée et la clé de verrouillage peut être retirée de son siège seulement quand les appareils sont dans cette condition. Les manoeuvres de fermeture [7] et d’ouverture [8] du sectionneur de terre peuvent être bloquées à l’aide de clés; celles-ci peuvent être retirées de leur siège seulement quand le sectionneur se trouve dans la position opposée au verrouillage à réaliser. Ces verrouillages peuvent également être appliqués au sectionneur de terre des applications de barre. Les manoeuvres d’embrochage/débrochage des appareils [9] et d’ouverture/fermeture du sectionneur de terre [10] peuvent être condamnées à l’aide de verrous à clé, qui interdisent la commande des leviers de manoeuvres. Le verrouillage à clé peut également être appliqué au sectionneur de terre des applications de barre. Les clés peuvent toujours être enlevées de leur siège. Cadenas

Figure 177: Verrouillage par cadenas Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Les portes des compartiments appareils [11] et ligne [12] peuvent être bloquées dans la position fermée à l’aide de cadenas. Les cadenas peuvent être appliqués aux deux versions de fermeture prévues, avec vis moletées et poignée centrale. Les manoeuvres d’embrochage/débrochage des appareils [13] et d’ouverture/fermeture du sectionneur de terre [14] peuvent être condamnées en mettant des cadenas aux fentes de commande des leviers de manoeuvres. Le cadenas peut également être appliqué au sectionneur de terre des applications de barre. Les obturateurs métalliques de cloisonnement [15] peuvent être bloqués à l’aide de deux cadenas indépendants dans les deux positions, ouverte et fermée. Aimants de verrouillage

Figure 178: Aimants de verrouillage Les cellules peuvent comporter ces éléments complémentaires, internes aux cellules sans action manuelle. En tant qu’opérateur, assurez vous que toutes les procédures, les logiques de verrouillage existent sur ‘votre’ site. Ne signez aucun permis de travail en HT s’il n’est pas accompagné de la dite procédure. Il n’y aucune excuse pour ne pas l’utiliser, la HT ne pardonne pas en cas d’erreur, c’est pour cela que ce paragraphe comporte plusieurs pages qui ne vous concernent pas directement mais qui vous aideront à ‘vérifier’ la bonne séquence des travaux de l’électricien.

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6.2. CELLULES HT Le modulaire des cellules HT (source ABB mais représentation identique à tous les constructeurs). Au projet, les cellules sont assemblées en fonction des besoins, avec des éclissages entre les bornes et jeux de barres tri s’ajoutant dessus ou derrière les cellules Schéma unifilaire des unités typiques

Type IF

Type BT

Type R

Type RM

Type M

Type IFD

Type IFDM

Type DF

Figure 179: Schémas unifilaire des unités types Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Exploration & Production Les Utilités L’Électricité IF - Arrivée/Départ avec sectionneur, disjoncteur, fusible, mise à la terre, TC et TP BT - Coupleur mesures avec sectionneur, disjoncteur, mise à la terre, TC R - Remontée jonction de raccordement avec TP RM - Remontée avec mesures : TP et sa protection sectionneur fusible M - Mesures avec mise à la terre, TP et sa protection sectionneur fusible IFD - Arrivée/Départ direct avec mise à la terre, TP et TC IFDM - Arrivée/Départ direct avec mesures avec mise à la terre TC, TP + protection DF - Unité interrupteur sectionneur avec interrupteur, fusible, mise à la terre, TC

Schéma unifilaire des applications de barre

Transformateurs de courant TC

Transformateur de tension TP

Entrée sous conduit

Sectionneur de terre

Figure 180: Schémas unifilaire des applications de barre TP : transformateur de potentiel pour transformateur de tension

Symboles graphiques

Disjoncteur

Contacteur

Transformateur Transformateur de tension de courant

Interrupteur sectionneur

Barre de sectionnement

Sectionneur

Prise et fiche

Fusible

Terre

Sortie sous câble

Sortie en barre

Figure 181: Symboles graphiques Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Différenciation : même différence pour les appellations en HT et en BT Sectionneur : sans pouvoir de coupure, pour isolement seulement, ouverture hors charge Interrupteur : coupure en charge du courant pour il lequel il a été fabriqué Disjoncteur : interrupteur équipé d’un système autonome de coupure automatique (mécanique et/ou électrique) en cas de surintensité Contacteur : coupure en charge, commande par système électromagnétique (bobine) lui-même contrôlé par un circuit auxiliaire. Légende des composants (sur schémas ci-dessus) Composants standard : trait noir Accessoires :

trait bleu

Solutions alternatives :

trait rouge

La mise à la terre Elle est systématiquement présente sur toute cellule se raccordant sur un câble d’arrivée ou de départ. Présente également quand un accès interne pour travaux est nécessaire (sur TP par exemple). En fonctionnement normal, le sectionneur de mise à la terre est en position ouverte, verrouillé avec les autres appareils qui eux sont enclenchés. En position fermé (en contact avec la terre, les verrouillages, les cadenas empêchent la fermeture des interrupteurs, contacteurs, sectionneurs, interrupteurs.

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6.3. PROTECTIONS DANS LES CIRCUITS HT Déclenchements circuit principal Les cellules sont équipées d’organes de coupure puissance, voyons plus en détail les disjoncteurs, interrupteurs, sectionneurs, contacteurs. Figure 182: Disjoncteur sous vide embrochable Le disjoncteur est doté d’une commande mécanique à accumulation d’énergie. Le déclenchement est libre et il permet donc des manœuvres d’ouverture et de fermeture, indépendantes de l’opérateur. Figure 183: Disjoncteur sous gaz SF6 embrochable Le système des ressorts de commande est à rebandage manuel ou à l’aide d’un moto réducteur. L’on utilise pour la coupure du gaz type « SF6 », car il est de fabrication aisée et, raison principale, c’est un excellent ‘amortisseur’ d’arc qui apparaît lors d’une coupure

Figure 184: Contacteur sous vide (ou SF6) avec fusibles Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Les unités DF référence ABB) sont équipées d’interrupteurs- sectionneurs type NAL. Ces unités sont employées pour la manoeuvre et la protection de lignes et de transformateurs ou dans les centrales électriques pour les transformateurs des services auxiliaires. Figure 185: Interrupteur-sectionneur

Commandes des protections et mesures : Seules, 2 mesures sont effectuées : la tension et l’intensité. Mesures de courant par phase, pour le neutre, de courant vers la terre, mesures de tensions entre phases, entre phases et neutre, potentiel avec la terre, mais uniquement ‘U’ et ‘I’ ; A partir des valeurs de tension et d’intensité, les diverses puissances, le facteur de puissance (cos φ), etc, sont calculés Aucune mesure n’est effectuée (directement) en HT (?) Les valeurs de tension sont ramenées en basse tension (autour de 100V) au moyen de TP (Transformateur de Potentiel) et de TC (Transformateur de Courant). Dans les cellules HT, les parties sous haute tension (> 1000V) ne sont jamais accessibles lorsque ces mêmes cellules sont en service. Seules les tensions et intensité transformées par les TP et TC sont accessibles pour les mesures et le dépannage dans le compartiment BT de la cellule HT.

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Transformateurs toriques de courant : Les transformateurs de courant sont de type isolé dans la résine et ils sont employés pour l’alimentation de mesures et protections. Ces transformateurs peuvent être à noyau fermé ou ouvrable. Ils peuvent être employés aussi bien pour la mesure des courants de phase que pour la détection du courant de défaut à la terre. Ils sont conformes aux normes CEI 60044-1.

Figure 186: Transformateur torique de courant Note : ne jamais laisser ouvert le secondaire d’un TC (primaire en service), s’il n’est pas utilisé, le secondaire du TC doit être court-circuité. Transformateurs de tension Les transformateurs de tension sont de type isolé dans la résine et ils sont employés pour l’alimentation de mesures et protections. Ils sont disponibles dans la version à montage fixe ou sur chariots démontables et débrochables. Ils sont conformes aux normes CEI 60044-2. Les dimensions sont en accord au standard DIN 42600 Ces transformateurs peuvent être à un ou deux pôles, avec des performances et des classes de précision adaptées aux exigences fonctionnelles des instruments qui leur sont raccordés.

Figure 187: Bloc de 3 TP en cellule ABB

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Unités de protection par départ, chaque type de protection possède un code (voir table ci-après), l’ensemble de ces protections est regroupé sur un relais de référence propre au fabricant Exemples pour un départ protection moteur :

Figure 188: Protection typique pour moteurs de niveau standard

Figure 189: Protection typique pour moteurs à exigences élevées

Les TC et les TP alimentent un relais à choisir dans la gamme adaptée :

Figure 190: Une gamme des relais ABB Merlin Gérin (un autre fabricant présent sur les sites Total) effectue les protections multifonctions avec le relais type « Sepam » Figure 191: Relais type "SEPAM"

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Code

En anglais - original

En français – traduction / explication

27

System undervoltage

Manque de tension

27D

Positive sequence undervoltage

Manque de tension différentielle

27R

Remanent undervoltage

Tension rémanente (après coupure)

32P

Real over power

Moteur devenant générateur

Reactive over power (field loss)

Surpuissance reactive (perte excitation)

Phase under current

Sous courant (moteur en sous charge exemple, pompe ayant perdu l’amorçage)

Temperature monitoring (Pt 100)

Température excessive (enroulements/paliers)

46

Negative sequence unbalance

Phases déséquilibrées (rupture de phase, inversion, ‘I’ phases trop différents,…)

47

Phase rotation direction check

Contrôle d’ordre des phases

48

Excessive starting time

Temps de démarrage trop long

49

Thermal overload

Surintensité du relais thermique

50

Instantaneous phase overcurrent

Surintensité instantanée de phase

51

Time phase current

Surintensité retardée (temps réglable)

Locked rotor

Rotor bloqué

51N

Time earth fault

Défaut terre retardé (temps réglable

51V

Voltage restrained over current

Faible voltage et surintensité (protection générateur en cas de court-circuit)

System overvoltage

Surtension

Neutral voltage displacement

Tension du neutre (pour système non à la terre, surveillance de la tension du neutre)

66

Starts per hour

Démarrage par heure (limitation du nombre)

67

Directional over current

Surintensité directionnelle (inversion)

Directional earth fault

Défaut terre directionnel (courant de défaut inversé – par capacitance, alimentation parallèle de transfo

81

Over frequency

Surfréquence

81

Under frequency

Sousfréquence

87B

Busbars differential

Défaut différentiel sur le jeu de barres

87G

Generator differential

Défaut différentiel alim. Générateur

87M

Motor differential

Défaut différentiel départ moteur

87T

Transformer differential

Défaut différentiel départ transformateur

32Q/40 37 38/49T

51LR

59 59N

67N

Figure 192: Code international pour la numérotation des protections HT / BT(1) Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Code

Control and monitoring

26

External thermal relay

30

Alarm

63

Buccholz detection of gas, pressure

68

Logic discrimination

69

Inhibit closing

86

Lockout relay

74

Trip circuit supervision, detection of plugged connectors

79

Recloser

Figure 193: Code international pour la numérotation des protections HT / BT (2) En utilisation pour les électriciens, cette table peut vous aider à comprendre et à quoi servent ces numéros sur le schéma unifilaire et sur les cellules HT. Des sigles existent aussi pour ces fonctions que vous pourrez découvrir sur site dans les documents concernés. Protection homopolaire : Simplement pour savoir ce que çà veut dire. C’est un terme bien souvent employé en parlant du « poste HT » mais bien souvent mal interprété…. La protection homopolaire est la protection d’un jeu de barres HT d’un ensemble de cellules contre les défauts de terre au niveau des cellules elles-mêmes Si un défaut de terre se produit, il faut un système pour le mesurer, et si le défaut est trop important, il faut déclencher Il faut créer un « neutre artificiel », qui peut être fait avec des résistances (utilisé en BT principalement) mais ici l’on emploie un « transformateur homopolaire » dont le neutre des enroulements primaires est relié à la terre (au travers d’une impédance pour limitation du courant). Le secondaire de ce transfo est ‘chargé’ au minimum avec une résistance Un courant de défaut du jeu de barres retournera au générateur (ou transfo) au travers du neutre et des enroulements du transfo homopolaire, un TC détecte ce courant, le transmet à un relais à seuil qui à son tour transmet alarme et déclenchement.

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Armoire HT Générateur

Z

x

Ph1

x

Ph2

x

Ph3

Jeu de barres A

Protection homopolaire

Jeu de barres B

X départ tri avec disjoncteur

Relais à seuil

R

M

Figure 194: Protection homopolaire

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6.4. LA SECURITE DANS LE POSTE HT Le Matériel de marque ‘Catu’ est communément installé sur site Total

Testeur de gant

Figure 195: Gants de protection Attention : les gants ne sont pas à utiliser pour manipuler, approcher des pièces HT sous tension, mais seulement pour manœuvrer en sécurité !! Les gants existent en différentes versions de voltage, choisissez le gant adapté à la tension HT de service. Les gants ont une durée de vie limitée (quelques années). Les gants sont réservés à des manœuvres d’ordre électrique, pas à autre chose.

Figure 196: Exemple d’équipement complet de poste HT ou HT/BT Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 197: Nomenclature et référence ‘Catu’

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Un électricien intervenant dans un poste doit avoir au minimum le kit ci-après. Ce kit est de toute manière le minimum à installer, en permanence dans un pote HT. Il est généralement placé sur un support mural

Figure 198: Kits d'intervention pour postes de transformation A compléter avec un détecteur de tension (perche munie d’une mie à la terre + détecteur)

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7. LES ARMOIRES BASSE TENSION Tension d’utilisation utilisée sur les sites : 400/230V (ou 380/220V) Question : pourquoi c’est l’indication 400/230V qui est indiquée sur les plans et schémas alors que les récepteurs sont en 380 et 220V ? ‰ C’est une nouvelle norme ‰ pour pallier aux chutes en ligne ‰ C’est la même chose Nous considérons ici, les armoires BT distribuant la puissance, les armoires de relayage, et de contrôle sont soit associées à l’instrumentation (avec les PLC), soit intégrées dans des ‘skids’ constructeurs (contrôle des séquences de compresseurs par exemple) La partie contrôle dans les armoires de puissance est représentée par les commandes de démarrage des récepteurs (les moteurs), les commandes de déclenchement (disjoncteurs, relais), la visualisation des alarmes, les commandes venant de l’instrumentation, des armoires à relais, des PLC. La tension des circuits de contrôle est « variable » suivant les utilisations (de 24V à 220V et même 380V)

7.1. LA DISTRIBUTION PRINCIPALE (MCC) Question : vous rencontrerez systématiquement le terme ‘MCC’ (hors de France puisque c’est un sigle anglais), que veut-il dire ? ‰ Management Control Circuit

‰ Motor Control Center

‰ Machine Current Control

Le tableau principal BT est celui qui est alimenté directement par la source d’énergie principale soit le ou les générateur(s) BT, soit le ou les transformateur(s) HT/BT Figure 199: Tableau principal BT Le tableau général Basse Tension est (presque toujours) un assemblage de cellules modulaires comme pour ce schéma en matériel ABB ci contre. Figure 200: Tableau général BT Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Sur les sites Total, les réalisations sont avec le matériel Schneider (Merlin Gérin), ABB, Alstom (Siemens). D’autres fabrications peuvent bien entendu être rencontrées Figure 201: Réalisation en matériel Siemens

7.1.1. Constitution des armoires BT L’appellation MCC se justifie dans la fonction principale de la distribution BT avec les tiroirs de protections. Un départ = un tiroir = un câble départ vers le récepteur Chaque tiroir inclut la protection puissance, les commandes et alarmes (éventuellement) Figure 202: Tiroirs de protections En sous-distribution, les armoires sont dimensionnées en fonction du nombre de circuits et des puissances considérées

Figure 203: Armoires de sous-distribution

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7.1.2. Le matériel dans les armoires BT

Figure 204: Exemple schématique d’un ensemble de distribution (catalogue Schneider)

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Considérons les principaux composants : Disjoncteur général Taille et modèle en fonction de l’intensité maximale. Figure 205: Disjoncteur général (1) Le disjoncteur déclenche automatiquement en cas de surintensité et à fortiori en cas de court-circuit (aval). Il est à enclenchement manuel ou automatique. Une alimentation (transfo ou générateur) = un disjoncteur général Figure 206: Disjoncteur général (2)

Jeu de barres de distribution Barres de cuivre distribuant les 3 phases et le neutre, à l’arrière, sur le côté, au dessus dans les cellules de distribution, non accessible alimentées par le disjoncteur général. Figure 207: Barres de distribution (1) A ne pas confondre avec la barre de cuivre du collecteur de terre qui elle est accessible (et que l’on peut toucher – sans danger) Figure 208: Barres de distribution (2)

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Couplage des jeux de barres Avec plusieurs alimentations, la configuration d’un tableau BT, inclus plusieurs jeux de barres (autant que d’alimentation) et le(s) disjoncteur de couplage (Tiein) entre ces alim.’s.

Transfo HT/BT ‘A’

Disjoncteur général A Jeu de barres ‘A’

Figure 209: Couplage de jeux de barres

Transfo HT/BT ‘B’

x

Disjoncteur général B

x

x x

x

Disjoncteur de couplage jeu de barres

x

x

Jeu de barres ‘B’

En service, avec des Distribution ‘A’ Distribution ‘B’ alimentations par transfo, les alimentations sont rarement mises en parallèle, le ‘tie-in’ étant ouvert ou une alimentation hors service si la charge le permet Tiroirs de distribution : le tiroir embrochable/débrochable Principe de distribution généralisé sur les sites Total. Il autorise une maintenance aisé et un remplacement rapide Chaque tiroir possède un interrupteur (ou disjoncteur) général de coupure qu’il faut ouvrir avant de pouvoir débrocher (verrouillage mécanique) et inversement, que l’on ne peut pas enclencher si le tiroir n’est correctement engagé. Un tiroir a 3 positions Débroché Test (circuit de commande enclenché Embroché (en service) Figure 210: Tiroirs de distribution

Protections : Voir le paragraphe ci-après détaillant fusibles, disjoncteurs, interrupteurs,…

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Départs : Tout ce qui n’est pas en tiroir (appareillage mobile) est donc fixe dans l’armoire, raccordé sur le jeu de barres de distribution et protégeant / alimentant / contrôlant un récepteur avec disjoncteur / contacteur / fusibles / interrupteur / …etc… Raccordements des départs : Soit les raccordements puissance et contrôle en aval des protections incorporées au tableau de distribution. Tous les raccordements de câbles s’effectuent sur bornes ou sur plages de raccordement prévus à cet effet. Le raccordement direct sur l’appareil de protection ou de commande n’est autorisé que pour les « sous départs » d’alimentation domestique. Gaines de raccordement : Sur le côté des protections des départs (par tiroir ou autre), des gaines de remontées de câbles permettent le passage des câbles puissance et commande qui sont raccordés au niveau du tiroir ou de l’appareillage concerné Figure 211: Gaines de raccordement (1) Figure 212: Gaines de raccordement (2) Gaine à câbles

Raccordements terre : Le conducteur de terre est le conducteur le plus important. Toute armoire de distribution est équipée de collecteur de terre servant à raccorder le conducteur « vert jaune » existant dans chaque câble de raccordement puissance ou contrôle.

Tiroirs Barre de terre

Figure 213: Raccordements terre (1) Câbles de raccordement Réseau de terre

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Armoire mise à la terre indépendamment

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Et s’il n’est pas incorporé au câble de puissance lui-même, le conducteur de terre est (exceptionnellement) séparé des conducteurs de phase mais ‘attachés’ à ceux-ci.

Disjoncteurs modulaires de distribution

Barre de terre

Chaque Câble possède un conducteur de terre raccordé sur un collecteur

Figure 214: Raccordements terre (2)

Réseau de terre

7.2. PROTECTIONS DES CIRCUITS BT DE DISTRIBUTION Les différentes possibilités pour protéger un circuit électrique contre les surcharges sont Fusibles : Fixe ou sur sectionneur Figure 215: Fusible Disjoncteur : Ici avec déclencheur thermique et magnétique Figure 216: Disjoncteur Le départ moteur : Avec sectionneur fusible + contacteur + relais magnétothermique. Une liaison électrique assure le déclenchement du contacteur Figure 217: Départ moteur

Les protections surtension, sous-tension sont des protections générales, nécessitant un relais (adapté) agissant sur le disjoncteur général Les protections pour défaut d’isolement sont au chapitre suivant

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Départs mono, bi, tri et tétra : Ph

N

Mono

Ph

Ph

Ph

Bi

Ph

Ph

Ph

Tri

Ph

Ph

N

Tétra

Figure 218: Départs mono, bi, tri et tétra Représenté avec des fusibles, notez que le conducteur de neutre n’est pas protégé en mono, il peut l’être en tétra avec une distribution tri+N déséquilibrée Attention, ne pas confondre distribution mono et bi (bi pour 2 phases qui doivent être toutes deux protégées). Le neutre ne doit pas être coupé en régime TN-C (Pourquoi ?) Le même principe de distribution mono, bi, tri, tétra s’applique au disjoncteurs qui aura 2, 3 ou 4 pôles avec neutre protégé ou non et au départ moteur

7.2.1. Fusibles Les fusibles sont un élément de faiblesse voulue introduite en série dans le circuit électrique. Ils sont composés d’un conducteur qui a une certaine résistance, calibré pour supporter le courant nominal, mais également pour fondre lorsque le courant est excessif pendant un temps donné. Dans un tel cas, il fond et interrompt le circuit. Caractéristiques définissant un fusible : Le courant nominal : par exemple Inom =10 Amp. C’est ce que le fusible laisse passer à coup sûr sans fondre Le courant de fusion Le pouvoir de coupure

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Le courant de fusion :

Figure 219: Temps de fusion Le fusible a une courbe comme celle ci-dessus, propre à chaque fabricant. Pour le fusible 10 Amp, je suis certain qu’il fondra au bout de 2 heures avec un courant de 1,6 In soit avec 16 Amp., mais je ne suis pas certain du tout qu’il fondra au bout de 2 heures avec 1,3 In (soit 13 Amp.). Les fabricants proposent différents temps de fusion pour un même courant nominal, en termes courant on parle de fusibles super rapides, rapides, normaux ou retardés ; Ci après un table indicative correspondant aux coefficients de fusion, qui vous permettra de ne pas vous étonner si vous avez un récepteur en surchauffe protégé par fusible ((çà a même pas fondu, et mon appareil est foutu…)

Table 14: Coefficients de fusion Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Le pouvoir de coupure: Souvent “ignoré”, cette fonction est très importante. Lorsqu’un court-circuit apparaît, il s’établit et est maximum dans un temps de l’ordre des dizaines de microsecondes et le courant sera ce que la source (transfo, générateur) peut donner en courant avec une tension voisine de zéro. Le courant atteint est de l’ordre des dizaines de kA et le fusible doit être capable d’ouvrir le circuit au lieu de fondre et de fermer ce même circuit. Les différents types de fusibles : les plus utilisés sont les cylindriques et à couteaux

Figure 220: Différents types de fusibles Type cylindrique : Utilisation industrielle et domestique séries gG et aM Figure 221: Fusible cylindrique Figure 222: Exemple de fusible cylindrique

Table 15:Dimensions des fusibles cylindriques

Dimensions 8.5 x 31.5 mm 10 x 38 mm 14 x 51 mm 22 x 58 mm

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A 8.5 10 14.3 22.2

B 31.5 38 51 58

C 6.3 10 13 16

D -7.5 7.5

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Type à couteaux : Utilisation industrielle

Type gG

Type aM Figure 223: Fusibles à couteaux

Différence gG et aM : Les premiers (gG) sont avec une courbe de fusion plus rapide et sont communément employés pour les circuits d’éclairage, de chauffage. Les fusibles aM avec aM signifiant Accompagnement Moteur peuvent ‘tenir’ une surintensité un peu plus longtemps, intensité telle que le courant de démarrage d’un moteur. Généralement les fusibles gG sont avec inscriptions noires, les aM, inscriptions vertes. Accessoires pour fusibles : Les porte fusibles : pour type cylindrique

Figure 224: Porte fusibles Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Ceci est une barrette de neutre, Rappel à ce qui a été dit plus haut, pas de fusible pour le neutre Figure 225: Barre de neutre Idem pour le type à couteaux, le neutre est une barre. Quelques autres porte fusibles (matériel à commande manuelle)

Sectionneur Télémécanique

Interrupteur fusible Socomec

Interrupteur fusible Télémécanique

Figure 226: Porte fusibles à commande manuelle Rupture fusible : Les fusibles peuvent être équipés de percuteurs actionnant un « micro-switch » lui-même intervenant sur le circuit de commande d’un contacteur ou d’un disjoncteur télécommandé ceci pour éviter le fonctionnement des moteurs sur « deux pattes » qui grillent inévitablement au bout de quelques dizaines de minutes. Le système mécanique de transmission de rupture fusible est peu fiable, ceci associé au fait qu’un fusible peut ‘griller’ à une valeur inférieure à son Intensité nominale, a entraîné l’abandon de cette protection au profit du disjoncteur en tant que protection moteur (avec le disjoncteur, un problème sur une phase seulement amène immédiatement la coupure)

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7.2.2. Disjoncteurs

Attention

A gauche : l’interrupteur

A droite : Le disjoncteur

Figure 227: Interrupteur

Figure 228: Disjoncteur

Les interrupteurs : Cet appareil ci contre est également un interrupteur et comme dans l’exemple ci-dessus pour le NS160 de Merlin Gérin, un interrupteur et un disjoncteur peuvent être (à la base) le même appareil avec les mêmes organes de coupure, les mêmes accessoires (de déclenchement, d’alarme). Le disjoncteur a un « truc » en plus, il est équipé d’un système autonome de déclenchement contre les surcharges de courant. Figure 229: Interrupteur

Figure 230: Interpact de Merlin Gérin

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Figure 231: ‘Change-over’ switch avec Interpact’s

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Utilisation des interrupteurs de puissance:

MCC Tableau principal

Arrêt d’urgence Obligatoire

Protection par disjoncteur

Câble de liaison

Tableau local

Interrupteur

Figure 232: Protection par disjoncteur en amont et interrupteur en aval Sur site Total, cette configuration est rarement employée, elle est pourtant suffisante et répond aux normes et à la sécurité électrique : un disjoncteur en amont et un interrupteur en aval L’on trouve (sur site Total) 2 disjoncteurs rigoureusement identiques, l’un au tableau principal, l’autre au secondaire, soit la même protection en série, c’est un luxe superflu, la fonction première d’un disjoncteur est de protéger la ligne (le câble). Caractéristiques du disjoncteur : Un disjoncteur est un appareil électromécanique capable d’établir, de supporter et d’interrompre un courant dans un circuit électrique, même en cas de surcharge et de court-circuit. Un disjoncteur protège l’installation contre les surcharges thermiques et contre les courts-circuits. En outre il doit être capable d’interrompre le circuit quel que soit le courant qui le traverse, jusqu’à son pouvoir de coupure ultime ICU qui est de quelques dizaines de kilo ampères. En version multipolaire, il est capable d’établir, de surveiller et d’interrompre simultanément les 3 phases d’une alimentation triphasée, même si le défaut ne se produit que sur une phase.

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Il comporte deux types de déclencheurs : Le déclencheur thermique, Qui actionne l’appareil après un certain temps en cas de surcharge ; Le déclencheur magnétique, Qui intervient immédiatement en cas de court-circuit. Figure 233: Déclencheur thermique et déclencheur magnétique

Le déclencheur thermique Agit comme le fusible, il lui faut un temps de « chauffe » pour déclencher à son intensité nominale (Inom), valeur de caractéristique

Temps

Plus l’intensité est grande et plus il déclenche vite

Inom (Intensité nominale)

Figure 234: Échelle logarithmique pour le temps et intensité d'un déclencheur thermique

Le déclencheur magnétique Agit (presque) instantanément, c’est la Temps protection contre les courants de démarrage trop importants ou devenant soudainement Inom 100s trop important (rotor bloqué) et bien thermique entendu le court-circuit. 10s Le déclenchement du disjoncteur est après quelques dizaines de ms du à l’inertie mécanique

1s

magnétique

100ms

Figure 235: Graphique pour le temps et 10ms intensité d'un déclencheur magnétique Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

Inom

1

10

Inom

100 1000 10k Intensité en Amp;

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Le pouvoir de coupure Il est à associer aux fonctions thermiques et magnétiques. C’est la ‘capabilité’ de l’appareil à « tenir » un courant très important (les kilo-ampères d’un courtcircuit) pendant quelques dizaines de millisecondes, le temps que le déclenchement magnétique opère après le délai du à l’inertie. Déjà ‘évoqué’ avec les fusibles : un courant ce court-circuit (Icc) s’établit en quelques dizaines de microsecondes Figure 236: Pouvoir de coupure

Temps

Inom magnétique

100s 10s

Inom thermique

1s

Pouvoir de coupure

100ms 10ms

1

10

Inom

100 1000 10k Intensité en Amp;

Et en associant ces 3 fonctions, l’on obtient la courbe de déclenchement d’un disjoncteur magnétothermique : ‘1’ : thermique - ‘2’ : magnétique

Figure 237: Courbe de déclenchement disjoncteur magnétothermique Regarder la ‘façade’ d’un disjoncteur, vous voyez ce ‘signe cabalistique’ parmi les caractéristiques techniques. C’est, en fait, ce qui représente la courbe de déclenchement que vous ne trouvez pas sur un interrupteur.

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Technologie d’un disjoncteur : (modulaire) Un disjoncteur est constitué de plusieurs éléments, comme le montre la figure ci-contre : Les pièces enveloppes : coquille (1) et couvercle ; Les pièces spécifiques pour la coupure de courant et l’extinction de l’arc: chambre de coupure (2), tôle d’arc (3), vis de réglage (4), sous-ensemble serrure (5) ; Les déclencheurs : sousensemble thermique (6), sous-ensemble magnétique (7). Figure 238: Constitution d'un disjoncteur Choix et sélection d’un disjoncteur : Un disjoncteur est caractérisé (critères de sélection) par Intensité nominale, (essentiellement), ‘on dit’, un disjoncteur 20A Tension nominale, service en CC ou CA de 24 à 690V Nombre de pôles, de 2 à 4 pôles Pouvoir de coupure, Type de déclencheur : thermique (seul) ou magnétique (seul) ou les deux. Le choix de celui-ci est fonction de la charge qu’il faut connaître, par exemple un moteur prend au démarrage 3,5 In, l’on prend un déclencheur thermique correspondant à l’intensité pleine charge (multiplié par 1,1 ou 1,15, ou 1,2) et un déclencheur magnétique 4 à 5 fois In Et il ne reste plus qu’à choisir le disjoncteur sur un catalogue constructeur, vous avez quelques centaines de pages à consulter (par type !) , ne vous trompez pas ! Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Il y a ‘le choix’ entre le : Modulaire, modulaire à cause du ‘pas’ de 9mm de large uniformisé pour tous les constructeurs. Protection In jusque 100/125A Compact : jusque 800A Protection générale : de 600 à 3200A (Schneider) et 6000A (Siemens) Figure 239: Disjoncteur modulaire, disjoncteur compact et disjoncteur général (heavy duty) Et dans votre choix vous devriez aussi spécifier s’il faut Contact auxiliaire : pour indication ouvert / fermé en circuit commande/contrôle Contact de défaut : signalisation déclenchement Bobine de déclenchement Mx pour déclenchement à émission de courant Bobine de déclenchement Mn pour déclenchement à manque de tension Système différentiel : paragraphe suivant Etc… Il y a encore un autre paramètre important relatif au pouvoir de coupure (breaking capacity), c’est la valeur de crête (making capacity) du courant de court-circuit à couper L’intensité du ‘pouvoir de coupure’ est exprimée en valeur efficace (Ieff) et l’intensité de crête est la valeur maximale que peut atteindre le courant sur charge inductive en valeur instantanée (jusque 2,5 fois la valeur efficace de Icc) Ce n’est pas si simple de choisir le « bon disjoncteur », nombre d’électriciens (de base…) ‘se plantent’ d’ailleurs. Ci-après quelques compléments d’information pour choisir et pour vous évier de dire lorsque vous remplacerez un disjoncteur ‘à la maison’ : j’comprends pas, j’ai mis un 10A, le circuit ne prend que 2A et ça déclenche ?

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Sélection déclenchement magnétique : Le choix de la protection thermique (Ith) est relativement simple, c’est l’intensité nominale. La protection magnétique (Im) d’un disjoncteur est Soit fixe :’ x’ fois l’intensité nominale ou une valeur préétablie. Soit réglable : n’existe pas pour les modulaires mais pour les Compacts et Masterpacts Pour les modulaires : le déclenchement Im est donc ‘x’ fois Ith et ce en 4 catégories Catégorie ‘A’ : 2 à 3 fois In Catégorie ‘B’ : 3 à 5 fois In Catégorie ‘C’ : 5 à 10 fois In Catégorie ‘D’ : 10 à 20 fois In Le déclenchement In correspondant à Ith donné par le constructeur comporte une approximation, la valeur Im est en conséquence une approximation puisque c’est un produit de In, ce pourquoi le déclenchement Im ne peut être une valeur fixe. Cette classification (la courbe de déclenchement) de ‘A’ à ‘D’ est une nouvelle norme internationale acceptée par (presque) tous les constructeurs (ABB, Siemens, Général électric,…). Figure 240: Courbe de déclenchement Le français Schneider/ Merlin-Gérin se fait « tirer l’oreille » pour suivre ces normes et vous risquez de trouver encore les classifications propres à Merlin-Gérin (L, U, Z, D,…) donnant des « courbes » de Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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déclenchement (presque) identique mais seulement avec des appellations différentes Ci-contre les courbes de déclenchement des appareils modulaires de marque Siemens, en bleu, le déclenchement thermique, les autres couleurs correspondent aux 4 versions des déclenchements magnétiques Et pour la sélection, ne pas oublier le pouvoir de coupure. Pour les disjoncteurs MerlinGérin, dans la référence, c’est une lettre qui s’ajoute à la fin (N, L, H, …) lettre correspondant (suivant le type) à par exemple 6kA, 10kA, 15kA,… En reprenant l’exemple du disjoncteur de 10A déclenchant pour une charge de 2A, c’est normal si c’est un type à courbe ‘A’ ou ‘B’, il faut prendre au moins un type ‘C’ si en l’occurrence la charge est une rampe de tubes luminescents (fluos) qui prennent un pic de 10 fois (minimum) l’intensité en amorçage.

2A

Figure 241: Courbe de déclenchement d’un disjoncteur 10 A avec courant en abscisse et temps en ordonnée 10A

Figure 242: Déclencheur thermique et magnétique réglable Pour les ‘plus gros’ disjoncteurs, ils sont (généralement) équipés de déclencheurs thermiques et magnétiques réglables. C’est le ‘bloc’ rajouté à un interrupteur, ici pour un NS250 (Merlin-Gérin) équipé d’un déclencheur 250A, la valeur thermique (Ith) est réglée à 250 x 0.96 = 240A, le déclenchement magnétique est 8 x Ith = 8 x 240 = 1920A

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Sélectivité : De même que pour les fusibles, c’est une association « en cascade » des déclenchements

CB1 CB4

Figure 243: Sélectivité Le même appareil (général ou compact) peut être équipé de plusieurs déclenchement magnétiques (2 à 6 suivant type et constructeur), chaque seuil de courant Im ayant un délai (temps) réglable avant de « libérer » le déclenchement. Le disjoncteur général doit au moins être équipé de plusieurs seuils de déclenchement magnétiques réglables en temps pour les différents seuils, ceci afin de ne pas déclencher avant les disjoncteurs secondaires Figure 244: Seuils de déclenchement Et si, sur votre site, le disjoncteur général n’est muni que d’un seul seuil de déclenchement (par souci d’économie…), ne vous étonner pas si c’est lui qui déclenche, ce type d’appareil a une réponse plus rapide (10millisecondes) qu’un disjoncteur compact (20millisecondes), vous aurez un ‘shutdown’ général, mais n’engueulez pas l’électricien, il ne peut rien faire… , il faudra que « quelqu’un » autorise la commande d’un déclencheur « adéquate ».

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Contacteur/disjoncteur ou disjoncteur télécommandé : C’est un principe utilisé sur nombre de sites industriels pour la commande et protection de moteurs de faibles (et moyennes maintenant) puissances. Peut-être y en a-t-il ou y en aura-t-il sur les sites Total. Cet appareil regroupe la protection thermique du disjoncteur et la possibilité de ‘marche / arrêt’ avec le système contacteur, le tout sur le même appareil donc plus économique et tout aussi fiable qu’un disjoncteur ‘normal’ associé à un contacteur. Figure 245: Disjoncteur télécommandé

7.2.3. Relais thermique/magnétique Où, relais magnétothermique que vous trouverez dans les tiroirs des MCC sur tous les sites Total. Il est obligatoirement associé à un contacteur (qui coupe le courant principal) et à une protection fusible qui assure le pouvoir de coupure

Relais magnéto thermique

Il ne doit pas être associé à un disjoncteur puisque celui-ci a les mêmes fonctions, thermiques et magnétiques. Thermique

Figure 246: Relais magnéto -thermique

Magnétique

Suivant les ‘calibres’ et dimensions, il est fixé directement sous le contacteur ou câblé en armoire, en tiroir, sur platine. Figure 247: Relais thermique (1)

Il peut être thermique uniquement (les 2 représentation). Un contact auxiliaire déclenche le contacteur

Figure 248: Relais thermique (2)

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7.2.4. PROTECTION DU PERSONNEL EN TABLEAU / RESEAU BT Les différentes possibilités pour protéger un circuit électrique contre les défauts électriques, les défauts d’isolement sont avec la protection générale (les contrôleurs permanents d’isolement), et avec la distribution, la protection différentielle (residual current detection system)

7.2.5. Contrôleur permanent d’isolement : le CPI C’est la surveillance du réseau de distribution BT à partir de la source d’énergie (générateur ou transformateur) L’un des plus employés en France et sur site est le « Vigilohm » de Merlin Gérin dans diverses versions. D’autres constructeurs proposent un matériel équivalent avec un autre nom, mais le terme « Vigilohm » est bien ancré chez les électriciens français et vous saurez que ‘l’on’ parle du CPI (Contrôleur Permanent d’Isolement Figure 249: Contrôleur d'isolement Les premiers CPI généraient un courant continu (ils existent toujours), dorénavant, c’est un courant alternatif à faible fréquence et avec un format « spécial » qui est généré. L’appareil est branché entre la distribution et la terre. Le courant généré se superpose au courant réseau et passe par les « isolements » pour revenir à sa source, le CPI, qui mesure le courant de retour et établit la valeur de la résistance (ou résistivité) du réseau concerné. C’est l’indication (permanente) que vous voyez sur l’appareil

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Exploration & Production Les Utilités L’Électricité Générateur BT ou Transfo

x

Ph1

x

Ph2

x

Ph3

Armoire BT

400 V 400 V

Jeu de barres A

Jeu de barres B

400 V

Le CPI est un générateur d’un courant « spécial » qui n’est reconnu que par lui-même

Z CPI

2ème X départ tri avec disjoncteur

M

CPI Si plusieurs sources d’énergie existent, une autre surveillance est nécessaire pour l’autre circuit de distribution

Figure 250: Principe de raccordement / fonctionnement du CPI en régime IT Le principe fonctionne également en régime TT et même avec un neutre non distribué (enroulements triangle), il suffit de faire un neutre artificiel.

Générateur BT ou Transfo

En fonctionnement « normal », le CPI mesure la résistance du réseau avec toutes les résistances d’isolement en parallèle et indique une grande résistance (pour un faible courant de (fuites) Un défaut apparaît, circuit bleu, en parallèle (circuit rouge), le CPI fait passer « son » courant par une faible résistance, le courant CPI augmente, la résistance mesurée diminue, au seuil sélectionné, le CPI émet une alarme et/ou un signal de ‘trip’

x

Ph1

x

Ph2

x

Ph3

CPI

M

Figure 251: CPI

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XM200

Merlin-Gérin TR22

TR5

Socomec ALD590

Figure 252: Différents types de CPI Localisation du courant de défaut : Sur site, quand le « Vigilohm » n’indique plus de Méga Ohms mais passe au kilo Ohms, il faut (sérieusement) commencer à s’inquiéter. Si le réseau est important, une multitude de faibles courants défauts amènent en parallèle un courant de ‘fuite’ conséquent, il faut rechercher les défauts les plus importants, là où la résistance d’isolement est la plus faible. Figure 253: Recherche de défauts L’électricien, en recherche de défaut d’isolement est bien souvent « embêté ». Il n’a pas d’excuse si l’installation est avec un XM200 (ou équivalent) et s’il dispose d’un kit de détection Les pinces, le boîtier de lecture et en route…. Les pinces ne sont pas des pinces ampèremètriques, ce n’est pas un système différentiel. Figure 254: Différents types de pinces Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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On peut mettre la pince sur une phase, sur plusieurs phases, sur le câble complet, pas de problème, les différentes pinces sont pour les différents diamètres de fil ou câble. Et si l’installation ne possède pas de « Vigilohm », si c’est un autre matériel, il suffit de faire son propre CPI avec un générateur mobile, à brancher entre une phase et la terre (en déconnectant l’autre matériel évidemment), et l’on recherche où passe le courant de défaut. La recherche de défaut va très vite ainsi, pas des heures voire des journées de recherche. Ce kit de recherche de défaut ne vaut pas grand-chose, pourquoi s’en passer ! D’autres fabricants proposent des kits de recherche de défaut également, suggérez donc à l’électricien d’en avoir un si ce n’est déjà fait. Figure 255: Kit de recherche de défaut La surveillance et la recherche de défaut par CPI « marche » également pour une distribution en courant continu (instrumentation) puisqu’un courant alternatif est généré par ce CPI.

7.2.6. Protection différentielle C’est le système qui mesure un courant de défaut « résiduel » et qui lorsque ce courant devient ‘dangereux’, le signale ou fait déclencher un appareil de coupure. Un peu de théorie pour comprendre le principe

x

x

x

x I aller = I retour

A Pince ampèremétrique

A Pince ampèremétrique

Composante vectorielle = 0

Charge

Charge

Figure 256: Mesure d’intensité Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Soit une alimentation bipolaire d’une charge (Ph + N ou 2 phases, cela est identique) A gauche, je prends une intensité, l’ampèremètre dévie. A droite, je place la pince sur les 2 conducteurs, le courant mesuré est zéro car au même instant ‘t’ de mesure les 2 courants s’annulent l’un dans un sens et le retour dans l’autre sens.

x

x

x x x I aller = I retour

Id

+ I défaut

Id

« L’ampèremètre » mesure le courant de défaut

Charge

Charge

Retour courant défaut

Retour courant défaut

Figure 257: Mesure de courant de défaut Avec un défaut de terre, une partie du courant retourne à la source par les masses. En alimentation 2 pôles, le courant retour est inférieur au courant aller, mais le « détecteur » mesure maintenant l’équivalent du défaut de fuite, il a mesuré la différence, c’est un détecteur différentiel, ou un détecteur de courant résiduel. (RCD pour Residual Current Detector) En triphasé, sans défaut la composante des 3 intensités est égale à 0 (essayer avec une pince ampèremétrique sur un câble); dès qu’apparaît un défaut il est mesuré par le « détecteur différentiel ».

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Réalisation du détecteur différentiel : Tores séparés connectés sur un relais (à seuil)

Figure 258: Tores fermés, tores ouvrants et relais « Vigirex » connecté sur le ‘secondaire’ du tore Passage du câble dans les tores : Le courant de défaut retourne à la source par la terre et utilise le chemin le plus ‘facile’, soit le conducteur de terre intégré au câble d’alimentation. SI l’on ne passe pas le conducteur de terre « à côté » du tore mais à l’intérieur, la composante défaut passe aussi par ce même tore et aucun courant n’est détecté puisque tous les courants s’annulent. Pour le raccordement au niveau des tiroirs dans les ‘MCC’, la construction prévoit des tores dans les gaines à câbles. Le câble de puissance doit être dénudé suffisamment avant pour faire passer le conducteur de terre sur le côté (et le raccorder à la barre de terre) Figure 259: Passage du câble dans le tore (1) Si vous êtes sur un site en construction, allez voir l’électricien faisant les branchements, vous aurez peut-être le « plaisir » de lui dire qu’il est en train de se planter… Figure 260: Passage du câble dans le tore (1) Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Tores différentiels associés à des disjoncteurs ou des interrupteurs Représentation graphique pour un pôle : le disjoncteur + déclencheur thermique + déclencheur magnétique + déclencheur à courant résiduel (différentiel) Figure 261: Représentation graphique pour un pôle

Disjoncteur différentiel pré monté Caractéristiques : 2 pôles : Phase et Neutre Phase protégée par magnétothermique Thermique à 16 A Magn. à ?? (*) Neutre non protégé (normal) Tension de service : 230V Pouvoir de coupure 10 kA Différentiel : 30 mA Figure 262: Disjoncteur différentiel (*) Merlin Gérin indique la courbe de déclenchement par un ‘sticker’ sur le côté

+ +

=

Disjoncteur différentiel ‘ABB’ 3 pôles le bloc puissance est pour la protection thermique et magnétique, le bloc additif est différentiel 30 ou 300mA

=

Interrupteur différentiel ‘ABB’ Au moins ‘ABB’ fait l’interrupteur d’une autre couleur….. c’est uniquement le bloc différentiel qui fait déclencher automatiquement l’inter.

Figure 263: Disjoncteur différentiel et interrupteur différentiel ABB

Même chose pour le matériel Merlin-Gérin en 2, 3 ou 4 pôles

Figure 264: Disjoncteur Merlin-Gérin Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Les blocs différentiels associés à des appareils modulaires ont des seuils de déclenchement de courant résiduels fixes, 2 valeurs (*): 30mA 300mA Figure 265: Bloc différentiel (1)

+

Figure 266: Bloc différentiel (2) * 10 et 500mA également en application domestique La gamme des modulaires est jusque 60 ou 125A (suivant les constructeurs) pour la protection thermique. La gamme des ‘compacts’ est généralement équipée de déclencheur différentiel à tore séparé Figure 267: Disjoncteur Masterpact avec tore séparé La gamme des disjoncteurs Masterpact est systématiquement équipée à tore séparé

Mais le ‘bloc différentiel’ peut être associé au disjoncteur dans la gamme des ‘compact’ Déclencheur thermique (et) magnétique

Déclencheur différentiel Le seuil de déclenchement du courant résiduel est (généralement) réglable sur les relais séparés ou les blocs additifs en courant (de 0,010 à 11) et en temps (pour la sélectivité différentielle). Faîtes vous expliquer çà par l’instructeur si vous désirez approfondir la question.

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Utilisation des disjoncteurs + différentiels (sur site Total)

x MCC jeu de barres

x

x

Moteur 300mA

Skid 300mA

x

HVAC 300mA

x

x

Armoire 300mA

Prises 30mA

Armoire

x

Etc….. 300mA

éclairage jeu de barres

x

Eclairage Éclairage 300mA 300mA

x

x

Prises 30mA

Prises 30mA

Etc….. 300mA ou 30mA

Figure 268: Utilisation des disjoncteurs + différentiels Les départs depuis la MCC alimentant un récepteur sont avec protection différentielle 300mA sauf les prises de courant (et application spéciale) qui sont protégées 30mA et ce quel que soit la taille de la prise de courant En sous distribution éclairage, les circuits alimentation éclairage (lumière) sont protégés 300 mA, les prises de courant 30mA En alimentation cascade, la sélectivité joue ; la protection amont doit avoir un seuil plus élevé ou un dispositif délai (en temps). Par exemple, le schéma ci-dessus est « faux ». Pour la protection de l’armoire d’éclairage, la protection différentielle MCC sera 500 à 1A ou 300mA retardée 0,5 à 1sec. Faites confiance au projet et à l’électricien pour ces « détails »…

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7.3. CIRCUITS DE DISTRIBUTION Reprenons le schéma d’ensemble déjà présenté plus haut dans ce cours

Figure 269: Circuits de distribution

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La sous distribution : Un câble de puissance sortant d’une armoire (générale ou secondaire) doit être protégé contre les surintensités par soit : fusibles, disjoncteur (thermique et/ou magnétique), relais (thermique et/ou magnétique). Généralement associé à la protection fusible Les interrupteurs et contacteurs viennent en complément d’une de ces 3 protections Un câble de puissance entrant dans une armoire de sous-distribution doit être connecté sur un organe de coupure en charge (interrupteur).

7.3.1. Normal / Secours Ou le Normal / Emergency

Transfo HT/BT ‘B’

Transfo HT/BT ‘A’

Disjoncteur général A Jeu de barres ‘A’

x

Disjoncteur général B

MCC

x

x

x

Distribution ‘A’

x

x

Disjoncteur ‘G’

x Disjoncteur de couplage jeu de barres

G 003 1MW /400V

GE

x

Jeu de barres ‘B’

x

Disjoncteur ‘SB’

Armoire

Secours

x

x

Disjoncteur ‘SA’

Distribution ‘B’

Distribution Secours

Figure 270: Circuits Normal / Secours Les circuits secourus (UPS, éclairage de sécurité, la cuisine, les pompes de sécurité,etc) sont alimentés depuis une armoire Secours spécifique à ces départs jugées suffisamment importants pour être réalimentés en cas de perte d’alimentation principale. Les circuits secourus sont en BT alimentés par un diesel générateur (de très rares exceptions réalimentent en HT avec transfo élévateur).

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En marche ‘normal’, le jeu de barres de l’armoire secours est alimenté par les disjoncteurs ‘SA’ et ‘SB’, l’alimentation par ‘G’ étant ouverte. En mode ‘secours’, c’est l’inverse ‘G’ est fermé ‘SA’ et ‘SB’ sont ouverts. Un dispositif de synchronisation (en principe…) équipe ces disjoncteurs pour coupler le générateur de secours avec le réseau ‘normal’ soit pour les test régulier du générateur (avec mise en charge) soit pour la remise en service de l’installation

7.3.2. Secours / Essentiel Ou Emergency / Essentiel Une « notion » complémentaire existe sur site depuis quelques temps, c’est la différenciation entre le secours et l’essentiel. Après un shutdown (complet avec arrêt des générateurs principaux), pour la remise en service, il peut y avoir des problèmes de disponibilité de puissance de la part du générateur diesel, il faut choisir ce qui est essentiel pour le démarrage (UPS, auxiliaires turbine, …) et ce qui est non indispensable (éclairage, cuisine, HVAC,…) GE

EDG Armoire ’Normal’

Armoire

Secours/Essentiel

Disjoncteur ‘G’

x

Disjoncteur couplage (tie-in)

x

Jeu de barres ‘B’

Jeu de barres Secours

x

x

Disjoncteur ‘SB’

Jeu de barres Essentiel

x x

x

x

x

x

Disjoncteur ‘SA’

Distribution Secours / Emergency

Distribution Essentiel / Essential

Alim. Externe (option ?)

Figure 271: Circuits Secours / Essentiel La fonction ‘essentiel’ seule peut être automatique ou manuelle suivant l’équipement du site. Le retour en conditions normales est de toute façon manuel. Et si vous avez un (gros) problème de puissance de la part du générateur secours, il doit toujours y avoir moyen de connecter un diesel de secours (du secours) sur le jeu de barres essentiel. C’est très rare mais çà s’est déjà produit… le rideau complet avec impossibilité de démarrer, l’EDG refusant toute « collaboration ».

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7.3.3. Circuits secourus en permanence Ce sont les circuits alimentés par : Les onduleurs généralement en 220V Les chargeurs de batterie et leurs jeux de batteries Ces distributions possèdent leurs propres armoires de protection avec le même type de protection que pour les armoires principales. Les batteries de l’onduleur comme du chargeur sont alimentées en permanence et en ‘floating’ sur la distribution afin de garder l’alimentation sans coupure. Attention, les batteries ont une autonomie limitée (10 min à 1 heure suivant les cas), dépêchez vous de redémarrer au moins le diesel pour réalimenter les chargeurs…, en aval les automates (PLC) et certains circuits de télécommunication et d’instrumentation causent beaucoup de problèmes lorsqu’ils sont privés d’alimentation (sans prévenir)… Jeu de barres MCC normal ou emergency ou essentiel suivant configuration

x

x

AC

Onduleur

X

DC

x

x

CPI

x

x

Distribution 220V CA

x

x

Instrumentation , Informatique, Télécom, …

CPI

x

Distribution 48V CC

x

x

Instrumentation , cellules HT, PLC,…

Figure 272: Circuits secourus en permanence Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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7.4. EXERCICES 67. Soit un moteur triphasé de 55,42 kW cos φ= 0,8 alimenté en 3x400V en MCC dont le jeu de barres est spécifié ICC= 30kA, déterminer les caractéristiques des protections requises sachant que ce moteur à un courant de démarrage = 4 In. I th Réglage Ith Im fixe Pouvoir coupure Différentiel

25 40 60 80 sans sans sans sans 100A 100A 200A 300A 10kA 10kA 15kA 10kA 10 ou 30 ou 100 ou 300 ou 500 mA ?

100 sans 500A 20kA

125 0,8 à 1 500A 25kA

160 0,6 à 1 500A 40kA

68. Sur le site, un travail de nuit nécessite l’installation d’un éclairage temporaire. 2 projecteurs de 500W sont nécessaires. Il n’y a pas de raccordement prises à proximité, je suis consciencieux et décide d’installer un disjoncteur de protection de 2x10 Amp (mes lampes ne consomment que 5 Amp, c’est assez) dans l’armoire de puissance juste à côté en le raccordant sur le jeu de barres de l’armoire. A la mise en service, je prends un flash, le disjoncteur fond, et le plant entier déclenche…. Qu’est ce qui s’est passé ? Choisissez dans les explications ci-après et commentez cet évènement qui n’est pas si anodin et pas si improbable…. ‰ Le câble des projecteurs était en court-circuit ‰ Le câble d’alimentation des projecteurs (3G1,5) trop faible ‰ L’intensité de déclenchement 10 Amp trop faible ‰ L’intensité de déclenchement magnétique trop faible ‰ Le pouvoir de coupure du disjoncteur trop faible 69. Je dois travailler avec une perceuse à main, en extérieur sur site industriel en zone humide : la perceuse est classe II, en 220V ‰ Pas de problème, je la branche sur la prise de courant 220V protégé 30 mA diff., à proximité avec une rallonge s’il le faut ‰ Je la ramène en atelier et demande une perceuse adéquate

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70. La même perceuse qu’au dessus (en 3), je dois travailler sur site industriel en salle de contrôle ‰ Pas de problème, je la branche sur la prise de courant 220V protégé 30 mA diff., à proximité avec une rallonge s’il le faut ‰ Je la ramène en atelier et demande une perceuse adéquate 71. Je suis en extérieur, en zone humide, sur site industriel, je dois travailler avec une perceuse, un lapidaire, une baladeuse, qu’est ce qu’il me faut ? ‰ 3 prises de courant 220V protection 30mA diff + 3 appareils 220V ‰ 3 appareils 24V + 3 transfo 220/24V + 3 prises de courant 220V protégés 300mA (en supposant que les prises peuvent être 300mA diff.) ‰ 3 appareils 24V + 1 transfo 220/24V + 3 prises de courant 24V Et ne dites pas, c’est l’électricien qui doit savoir, les travaux sont à faire par un peintre et l’opérateur (en charge) est responsable de la sécurité de ces travaux. Repasser la formation C18510….

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8. LA SECURITE EN ELECTRICITE Les équipements électriques et instrumentation pour zone à atmosphère explosive (Hazardous Areas) sont classés Ex (ATEX) et sont obligatoirement à installer dans ces zones. Un appareil non spécifié Ex (ATEX) ne doit jamais être monté en zone explosive. Voir le cours spécifique. Une seule remarque ici : aucun appareil Ex ne peut être ouvert sous tension en zone à atmosphère explosive. L’électricien ne doit pas remplacer les lampes avec la tension présente, ne doit pas ouvrir un coffret, une armoire sous tension. Une seule exception, les circuits protégés par barrière intrinsèque, en courant faible (4-20 mA et 24V CC) Le matériel présenté en chapitre 8.1 et 8.2. est pour installation en zone « safe » uniquement.

8.1. PRISES DE COURANT SUR SITE (prises industrielles)

Figure 273: Différents types de prises de courant Sur les sites Total, les circuits prises de courant allant vers l’unité sont bien souvent hors service ou non connectés, non enclenchés au tableau Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Sur les sites Total, c’est bien souvent la panique lorsqu’il s’agit de connecter le câble d’une machine quelconque sur les prises de courant disponibles ; çà ne correspond « jamais ». Il existe pourtant une norme internationale, appliquée par bon nombre de pays depuis les ‘années 80’. Un technicien allemand n’aura pas de problème pour connecter son appareil au Japon, un british est à l’aise en Italie et ainsi de suite, un Portugais sur un chantier en France mais dans une usine ‘étrangère’. En France, on y arrive à la même norme internationale mais avec une inertie évidente et par la force des choses, les sites Total ne sont pas équipés comme « les autres »…. En fait, il n’y plus d’excuse pour devoir « batailler » quand il s’agit de faire des branchements sur prises de courant, c’est un projet relativement peu coûteux que de faire l’uniformisation… Ci-après les normes pour les raccordements

8.1.1. Code des couleurs Les normes IEC 309-1 et 309-2 (entre autres) imposent pour toute nouvelle installation que toutes les prises aient une couleur correspondant à la tension disponible sur cette même prise. La couleur n’étant pas une peinture mais une imprégnation dans le matériau (métal, plastique, fibre de verre, nylon, caoutchouc,….) La couleur n’est pas nécessairement sur le corps de la prise mais au moins sur la partie à connecter et sur le couvercle. Cette codification de couleur est : Couleur

Exemple

Gamme de tension

Gamme d’ampérage

Jaune

110 V CA

16 à 63 Amp

Bleu

220 / 230 V CA

16 à 63 Amp

Rouge

380 / 440 V CA

16 à 125 Amp

Noir

500 / 660 V CA

16 / 32 Amp

Violet

24 V CA

16 / 32 Amp

Blanc

40-50 V CA et 20-50 V CC

16 / 3 2 Amp

Table 16 : Codes couleur des prises

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Et avec spécification de fréquence Couleur

Exemple

Gamme de fréquence et tension

Gamme d’ampérage

60 Hz / 440 V

16 / 32 Amp

500 V / 100 à 500 Hz

16 / 32 Amp

Rouge Vert

Peu utilisé

Table 17 : Codes couleur spécification fréquence Une prise 220V est bleue et bleu uniquement, ce n’est pas parce que le rouge admet une tension supérieure que je dois utiliser une prise rouge en 220V Une tension = une couleur

8.1.2. Code d’enfichage Comme pour le code des couleurs, la norme IEC 309-1/2 a unifié la position et la dimension des éléments de contacts sur la prise et la fiche. Il n’y aucune différence d’un constructeur à l’autre, il ne peut y avoir aucune erreur en « mélangeant » les origines (de fabrication). Si vous trouver des configurations différentes, c’est qu’un constructeur essaie d’écouler (peut être) ses vieux stocks…

Configuration

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Couleur

Tension

Fréquence

VIOLET

24 V AC

50 / 6O HZ

BLANC

40 à 50 V CA

50 / 6O HZ

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BLANC

42V

CC

JAUNE

110 V

50 / 60 HZ

50 / 60 HZ BLUE

ROUGE

220 / 230 V

440 V

ROUGE

380 / 410 V

NOIR

500 V

60 HZ

50 / 60 HZ

50 / 60 HZ

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VERT

50 à 500 V

100 à 300 HZ

VERT

>50 to 500 V

>300 to 500 HZ

Table 18 : Codes d’enfichage Avoir ces codes d’enfichage sur un document vous permettra de déceler, les « bricolages » que certains, inévitablement cherchent à faire puisqu’ils n’ont pas de matériel adapté…. , et c’est très dangereux, une prise/fiche bricolé..

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8.1.3. Gamme courant par gamme de tension Norme IEC 309-11 / 2, pour nombre de pôles et calibres en Ampères disponibles dans chaque tension.

110 V Jaune

16A

2P +G

32A

2P + G

63A

2P + G 2P + G

230V Bleu

16A / 32A / 63A

3P + G 3P + N +G 2P + G

400V Rouge

16A / 32A / 63A /125A

3P + G 3P + N +G

500V Noir 24V Violet

63A

3P + G

16A

2P

32A

2P / 3P 2P

42V Blanc

16A / 32A

3P

Application spéciale 440V 6OHZ Rouge 500V 100/300HZ Vert 500V 300/500HZ Vert

16A / 32A

3P + G

16A / 32A

3P + G

16A / 32A

3P + G

Table 19 : Gamme courant par gamme de tension Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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8.1.4. Protection des prises de courant (sockets) Les prises de courant qu’elles soient industrielles ou domestiques (à la maison) n’ont que 4 versions en ampères 16, 32, 63, 125 Ampères (quoique à la maison on se limite à 16 et 32 Amp.). Protection thermique : En toute logique, la prise de courant 16 ampères est protégée par fusible(s) 16 ampères ou disjoncteur 16 Amp. (2. 3 ou 4 pôles). Idem pour 32, 63 et 125 Amp. Mais rien ne vous empêche de protéger une prise 63 Amp par un disjoncteur 32 Amp ou 25 Amp ou 50 Amp. Ceci peut se produire quand vous protéger une machine connectée en permanence sur une prise de courant. Protection différentielle : Prise de courant = 30 mA C’est systématique, une prise de courant est pour protéger un appareil mobile, la réglementation est stricte : 30 mA en protection de courant résiduel de défaut. Même un poste de soudure connecté sur une prise 3+N+T 125 Amp devra avoir une protection 30 Amp diff. Prise de terre : Toutes les prises de courant (sans exception, même à la maison) doivent avoir une fiche de terre incorporée. Cette fiche de terre est raccordée au réseau général de terre par le conducteur de terre (vert-jaune) incorporé au câble d’alimentation. Et si le socle de la prise est métallique, un deuxième conducteur de terre doit connecter la masse métallique au réseau de terre indépendamment. Câbles d’alimentation (prises de courant fixes ou permanentes): Pas de câble flexible, câble à âme rigide ou semi-rigide Ampérage des prises

Section minimum du conducteur alimentation mm²

16

2.5

32

6

63

16

125

25 or 35

Table 20 : Section minimale câbles d’alimentation Ces sections sont les minimales, elles peuvent être supérieures pour des raisons de chute de tension, longue distance, mais jamais inférieure… A la maison, également, la prise 10/16 Amp classique doit être alimentée en 2,5 mm², la prise four 32A en 6 mm², la prise 20Amp en 4 mm² et les circuits « lumière » en 1,5 mm² minimum. Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Câblage et nombre de prise par circuit : Il n’y a pas de norme précise à ce sujet, c’est plutôt la pratique qui détermine le nombre de prises à prévoir par circuit 16A 2P+G: 8 à 10 (à la maison aussi) 16A 3P+G et 3P+N+G : 6 32A 2P+G, 3P+G et 3P+N+G : 4 à 6 63A 3P+G et 3P+N+G : 4 125A 3P+G et 3P+N+G : 2 Quant à la protection / distribution, c’est la ‘logique’ qui régit l’ordonnancement, 16A pour les PC 16A, etc, mono, bi, tri ou tétra Le point commun est la protection différentielle 30 mA P 30 mA

N

P

P

30 mA

P

P

P

P

30 mA

N

Vers réseau terre

Barre de terre

Figure 274: Câblage et nombre de prise par circuit Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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8.1.5. Enfichage / désenfichage des prises de courant (sockets) Encore une autre réglementation internationale qui n’est pas (vraiment) appliquée sur « nos » sites Toutes les prises de courant sur site doivent avoir un système de coupure avec verrouillage mécanique autorisant le branchement et l’enlèvement de la fiche en position ‘power off’’ du commutateur (switch). Figure 275: Prise avec système de coupure (1) Et ce système est beaucoup plus simple que ‘certains’ principes français pour lequel il faut tourner la fiche…. Figure 276: Prise avec système de coupure (2)

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8.2. RACCORDEMENTS ELECTRIQUES MOBILES / TEMPORAIRES Une prise « standard » du paragraphe ci-dessus avec une fiche « standard », ci contre, il suffit d’avoir un câble souple (flexible) de section (x mm²) approprié à l’intensité transportée

Les rallonges : toujours avec du matériel « standard » :

+ +

+ +

Socles + fiches + câble flexibles, l’ensemble adapté = rallonge « sérieuse »

+

+

Et ne croyez pas que cette « configuration » n’arrive jamais…..

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Les sous distribution de PC : Il y a de fortes chances pour que votre site ne soit pas équipé de boîtiers de protection ‘normalisé’. Les PC du site sont protégées en MCC/armoire en salle de contrôle néanmoins ce type de protection peut exister en ateliers, en labo, en salles de cours,…

Ce qu’il ne faut pas faire ou voir dans des raccordements temporaires sur site : 2 fiches mâles

Câble de rallonge dénudé

Fils dénudés sur la fiche

Connexion sur PC sans fiche = renvoi par l’inspecteur du travail

Et ce qu’il vaut mieux faire : S’assurer du bon fonctionnement, du bon état des outils à main Utiliser l’outil à main approprié Ne pas faire de réparation du style bricoleur, demander au spécialiste Détruire, jetez les câbles en mauvais état Utilisez des câbles souples de raccordement au standard d’isolement : H 07-RNF Protéger les câbles temporaires, ne pas les laisser traîner Utiliser les fiches et prises « standard ». En câble mobile, utiliser du câble souple 3G 1,5 mm² minimum, isolé 300V mini. Dans certains pays/endroits, vous trouvez des ‘rallonges’ préfabriquées avec du câble dont l’isolation est < 220V et section des conducteurs < 1mm², et ‘on’ met le feu dans la pièce (c’est arrivé !). N’acceptez pas de tels équipements ! Et encore une fois : Une prise de courant comporte obligatoirement une fiche de terre et est protégée par un dispositif différentiel (à courant résiduel) de 30 mA, chez vous aussi. Les accidents d’ordre électrique sont causés en majeure partie par des mauvais branchements temporaires ou des raccordements avec défaut de connexion sur prise de courant. Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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8.3. LA SÉCURITÉ « A LA MAISON » Deux « choses » principales : La mise à la terre : conducteur de terre ‘partout’ dans la maison La protection différentielle : 30 mA sur la distribution prises de courant, 300mA pour l’éclairage Deux expériences « marquantes » : Après avoir vu l’arrivée de l’électricité dans le village, les équipements minimum dans la maison : quelques lampes et prises protégées par le disjoncteur simplement thermique de ‘EDF’, il était fréquent d’entendre, souvent dans les conversations : « untel est mort, il s’est fait électrocuter ». Plus tard, après les installations (forcées par la réglementation) des terres et des différentiels, cette phrase a pratiquement disparu des conversations… Récemment, sur un site étranger, quelques mois après avoir fait un cours à des électriciens sur le même sujet qu’ici (les bienfaits du différentiel et de la terre à la maison), un électricien se présente l’air grave, et raconte : « Je viens de recevoir un coup de fil de ma femme »…… silence Elle m’a dit, d’un air paniqué : « il n’y a plus d’électricité à la maison » J’ai répondu « ce doit être le disjoncteur qui a déclenché, ce n’est rien » La femme : « ah oui, et aussi, y’a bébé qui a mis les doigts dans une prise » Instantanément, là, c’est moi qui ai paniqué… Elle a continué : « et il pleure » Ouf… la protection différentielle 30 mA a fonctionné, il pleure, ça va, la lumière, ce n’est rien à côté d’un bébé en vie... Et l’électricien a précisé : « si je n’avais pas eu ce cours, je n’aurais pas installé le réseau de terre et la protection différentielle à la maison, et …… »

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8.3.1. Rappel – protection des personnes : Reprenons le graphique vu plus haut pour l’effet du courant électrique traversant un corps humain.

Figure 277: Effet du courant traversant un corps humain Et l’alimentation de « la maison »

Figure 278: Alimentation de la maison Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Les prises de courant et tout ce que l’on y branche, en fonction de leurs états d’appareils mobiles sont à même de présenter des défauts d’isolement, des mauvais contacts. Dès qu’une personne entre en contact avec une tension, le courant s’établit avec la terre. Un interrupteur, un disjoncteur met au plus 50 ms à s’ouvrir après avoir reçu l’ordre de déclenchement, c’est pourquoi, « l’on » a choisi la valeur 30mA sur la courbe ‘2’ ci-dessus en se gardant une marge de sécurité avant de passer en zone ‘3’. Pour les appareils fixes, que l’on n’est pas supposé ‘toucher’, la protection 300mA et un temps de déclenchement de 40 à 50 ms permet de rester en limite de zone ‘3’. Note : EDF propose des différentiels 500mA en protection unique et générale (avant les fusibles) depuis les premières versions de protection de tableau d’abonné. Voyez sur la courbe que 500mA est ‘vraiment’ trop limite, il faut en complément 300 mA et 30 mA.

EDF Compteur ‘bleu’ Fusible(s) sur P

Alimentation EDF P + N ou 3P + N

Disjoncteur

x 500 ou 300 mA

Abonné

Tableau Protection et Distribution Terre abonné

Figure 279: Le raccordement et la protection EDF (ou autre)

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8.3.2. Tableau de distribution ‘abonné’

Figure 280: Tableau de distribution “maison” Ci dessus les protections minimum soit 30 mA pour les circuits prises et 300mA pour “le reste” en protection générale de ces 2 circuits principaux. La sous distribution est par fusible (uniquement sur la phase) mais le fusible (toujours d’actualité) peut être remplacé par un disjoncteur 2 pôles (P+N) avec 1 pôle protégé ( déclencheur magnétothermique), le calibre de protection intensité étant identique fusible / disjoncteur (toutefois : 16A sur prise 2P+T classique) Respectez également la section des conducteurs : 1,5 mm² jusque 10Amp (en éclairage), 2,5 mm² jusque 16A (circuits PC), 4 mm² jusque 20A, 6 mm² jusque 32A. Vous pouvez mettre une protection différentielle sur chaque départ, c’est le disjoncteur concerné qui déclenche dans cette configuration (au lieu de toute la maison). Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Et n’oubliez pas le « fil » de terre.

Figure 281: Tableau d’abonné: taille suivant l’importance de l’installation

8.3.3. Installation électrique en salle de bains La salle de bains, la douche, sont des endroits à haut risques pour le corps humain qui, étant mouillé possède une faible résistance, Des normes spécifiques ont été établies : IEC 364-7-701, 479, 669-1 Les précautions à observer ont 3 aspects : Classification par zones (d’approche) 0, 1 et 2 dans lesquelles l’installation d’appareillage ou appareil électrique est interdite ou limitée L’interconnexion avec un câble de masse relié à la terre pour toutes les masses métalliques La stricte adhérence aux restrictions énumérées dans le tableau ci-après

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Classification par zones:

Figure 282: Zones 0, 1 et 2 aux environs d’une baignoire

Figure 283: Zone 0, 1 et 2 aux environs d’un bac de douche Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 284: Zones 0, 1 et 23 aux environs d’une douche sans bac (1) Avec le pommeau de douche fixé à un flexible, l’axe central, vertical pour le début de définition des zones passe par l’extrémité de l’ensemble flexible / pommeau

Définition des zones (volumes): Volume 0: l’intérieur de la baignoire ou de la douche Volume 1 : au dessus du volume 0 (plan vertical) Volume 2 : à l’extérieur des volumes 0 et 1 (plan horizontal) avec un rayon de 0,60m Volume 3 : à l’extérieur du volumes 2 (plan horizontal) avec un rayon de 2,40m maxi

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Prescriptions pour installation électrique: Volumes

0

1

2

3

Gaines / conduits / câbles

X (b)

II (a)

II (a)

II

Appareillage (interrupteur, prise,….)

X

X (b)

X (b) (a)

Appareil électrique

X 'b)

X (b) (c)

II + RCD 30 (b) (c) (e)

Separation TBTS (d) Diff. 30 mA Separation TBTS (d) Diff. 30 mA (c)

Table 21 : Prescriptions pour installation électrique X : interdit II: accepté en classe II Diff. 30 mA, associé à un interrupteur ou à un disjoncteur (a) Uniquement pour alimenter un appareil dans le volume concerné (b) Sauf si l’appareil est en 12VAC ou 30VDC (c) Chauffage électrique accepté (avec certaines conditions de sécurité) (d) TBTS : Très Basse Tension Sécurité dans la gamme des 50VCA (e) Prise rasoir acceptée mais alimenté par transformateur individuel basses énergie L’assurance ne paiera pas si les distances ne sont pas respectées…..

8.3.4. Les prises de courant de la maison : A l’intérieur (zone sèche) : Pas de contrainte d’IP (classification pour étanchéité), le matériel doit être agréé aux normes (françaises)

Figure 285: Prises à installer dans un cadre ‘adapté’

Figure 286: Prises murales

Toutes les prises doivent une fiche de terre

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Une prise bipolaire (10/16A) doit être alimentée par un câble 3 conducteurs de section 3G2,5 mm² le ‘G’ signifiant conducteur de terre avec isolant de couleur vert-jaune. A l’extérieur ou intérieur (zone humide) : Les prises d’intérieur sujettes à des projections d’eau doivent être au moins IP 55, il en est de même pour les prises installées à l’extérieur même sous abri) Les 'Plexo 55' de Legrand

Plexo 55 = IP55

IP 44-5

Sur tableau intérieur

Figure 287: Différentes types de prises

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8.3.5. Circuits de terre Une barre de terre (collecteur de terre) est incorporée au tableau de protection. Cette barre de terre est reliée à une barrette de coupure (pour vérification de la valeur en ohms de la terre) elle-même reliée à la prise de terre (piquet, câble à fonde de fouille….) Tous les câbles de distribution depuis le tableau ont, incorporés, un conducteur vert-jaune connecté à la ‘barrette’. Toutes les masses métalliques sont interconnectées avec un « fil » vert-jaune 6mm² mini indépendant relié à la barrette (le collecteur) de terre. Tout ce qui est métallique dans la maison

Tableau d’abonné avec ‘x’ disjoncteurs (ou fusibles)

Baignoire métal

Barre de terre Radiateur

Chambranle Barrette de coupure de terre

+ évier, air conditionné,….

Prise de de terre Électrode de terre

Figure 288: Circuits de terre

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Prise de terre

Figure 289: Prise de terre En fond de fouille en fil de cuivre nu 25mm² (à la construction) ou piquet de terre (cuivre ou acier), tube galvanisé, grille, feuillard,…. ,tout ce qui peut faire une bonne ‘dissipation’.

La grille de terre

Le regard de terre ou se trouve la connexion (de qualité) avec le piquet de terre

Piquet de terre

Figure 290: Matériel de prise de terre Barrette de coupure : C’est obligatoire pour toute installation électrique… Figure 291: Barrette de coupure Et sur cette dernière image, « coupons » ce cours. ‘On’ pourrait en dire plus, mais aussi moins. C’est un cours qui se veut simple et adapté au travail de site (sauf pour ce dernier paragraphe…). Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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8.4. EXERCICES 72. Quelle tension est disponible sur cette PC ?

73. Sur quelle surface est-elle montée ?

74. A quel endroit puis-je la trouver sur un site ?

75. Un poste à souder 3Ph-80Amp's + G peut être connecté sur une prise ‰ 3+G 125A ‰ 3+G+N 63A ‰ 3+G 80A 76. Un outillage à main de classe 3 (III), utilisé en zone humide, à l’extérieur a pour tension maximum ‰ 48 V CC ‰ 48 V CA ‰ 24 v CA 77. Le raccordement d’une lampe temporaire 1000W en 220 V CA, 1 Ph+N+G se fait avec un câble parmi les 3 disponibles suivant ‰ 3G2,5 souple ‰ 3x2,5 souple ‰ 3G2,5 rigide

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78. Je désire alimenter le circuit d’éclairage d’un bureau, uniquement les lampes faisant un total de 500W, en 220V, quelle protection je choisis parmi ces 3 ‰ Disjoncteur 2P 16A 30 mA ‰ Disjoncteur 2P 2A 30 mA ‰ Disjoncteur 2P 10A 300mA 79. Le câble raccordant un poste à souder 3 phases prenant un maxi de 80A devra avoir une section de ‰ 16 mm² ‰ 10 mm² ‰ 25 mm² 80. Une machine 400V, 45 Amp est connectée sur une prise de courant ‰ Rouge ‰ Bleue ‰ violette 81. Pour brancher sur une prise une machine 380V 3 ph 24 Amp, la prise doit être ‰ 3P+N+N 32A ‰ 3P+G 16A ‰ 3P+G 32A 82. Une prise de courant 400V 3P+N+G 32A doit être protégée par un disjoncteur ‰ 4P 32A 300mA ‰ 4P 32A 30mA ‰ 4P 32A + G

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9. GLOSSAIRE

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10. SOMMAIRE DES FIGURES Figure 1: La fée électricité....................................................................................................7 Figure 2: L’aimant ................................................................................................................7 Figure 3: Les lignes de force d’un champ magnétique ........................................................9 Figure 4: Les lignes de latitude et longitude.........................................................................9 Figure 5: Les pôles d'un aimant .........................................................................................10 Figure 6: Attraction entre aimants......................................................................................10 Figure 7: Répulsion entre aimants .....................................................................................10 Figure 8: La boussole ........................................................................................................11 Figure 9: L’aimant permanent ............................................................................................11 Figure 10: L'expérience d'Oersted .....................................................................................12 Figure 11: La règle du tire bouchon ...................................................................................13 Figure 12: L'induction pour un conducteur en "spire".........................................................13 Figure 13: L'électroaimant .................................................................................................14 Figure 14: Noyau ferromagnétique ....................................................................................14 Figure 15: Force électromagnétique et règle des trois doigts de la main droite.................15 Figure 16: Tension induite .................................................................................................16 Figure 17: Simple générateur CA ......................................................................................17 Figure 18: Générateur CA..................................................................................................17 Figure 19: Production de courant alternatif ........................................................................18 Figure 20: La dynamo de vélo ...........................................................................................19 Figure 21: Sinusoïde..........................................................................................................19 Figure 22: Principe génération courant alternatif triphasé .................................................20 Figure 23: Principe de construction d'une génératrice triphasée .......................................20 Figure 24: Représentation du bobinage d’un stator ...........................................................20 Figure 25: Principe du générateur CC ...............................................................................21 Figure 26: Générateur CC simple ......................................................................................21 Figure 27: fem produit par une génératrice CC..................................................................22 Figure 28: Sinusoïde redressée.........................................................................................22 Figure 29: Effet du lisage du couple ..................................................................................22 Figure 30: Rotor avec 6 bobinages....................................................................................22 Figure 31: Composition d'une machine CC .......................................................................23 Figure 32: Machine "Shunt" ...............................................................................................24 Figure 33: Câblage shunt d'une machine CC ....................................................................25 Figure 34: Machine "Série" ................................................................................................25 Figure 35: Câblage « Série » d’une machine CC...............................................................25 Figure 36: Machine "Compound" .......................................................................................26 Figure 37: Sens conventionnel du courant et le sens de déplacement des électrons........37 Figure 38: Analogie entre une installation hydraulique et un circuit électrique...................37 Figure 39: Sens de la tension ............................................................................................38 Figure 40: Résistances en série ........................................................................................39 Figure 41: Résistances en parallèle...................................................................................39 Figure 42: Différents composants électriques....................................................................42 Figure 43: Circuit électrique ...............................................................................................43 Figure 44: Convention de signe .........................................................................................44 Figure 45: Le rendement d'un appareil ..............................................................................46 Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 46: Exemple d'un appareil électrique ......................................................................46 Figure 47: Inductance ........................................................................................................48 Figure 48: Symbole de l’inductance...................................................................................48 Figure 49: Inductances en série.........................................................................................48 Figure 50: Inductances en parallèle...................................................................................48 Figure 51: Inductance idéale en circuit commuté...............................................................49 Figure 52: Représentation graphique de l'inductance idéale .............................................49 Figure 53: Inductance réelle ..............................................................................................49 Figure 54: Représentation graphique de l'inductance réelle ..............................................50 Figure 55: Inductances utilisées en électronique ...............................................................50 Figure 56: Capacitance......................................................................................................51 Figure 57: Symbole du condensateur ................................................................................51 Figure 58: Condensateurs en série....................................................................................51 Figure 59: Condensateurs en parallèle ..............................................................................51 Figure 60: Condensateur idéal en régime commuté ..........................................................52 Figure 61: Représentation graphique condensateur idéal .................................................52 Figure 62: Circuit R-C en parallèle.....................................................................................52 Figure 63: Représentation graphique circuit R-C en parallèle ...........................................53 Figure 64: Circuit R-C en série ..........................................................................................53 Figure 65: Représentation graphique circuit R-C en série .................................................54 Figure 66: Condensateurs électrolytiques..........................................................................55 Figure 67: Condensateurs à film plastique.........................................................................55 Figure 68: Condensateurs céramiques ..............................................................................55 Figure 69: Super condensateurs........................................................................................56 Figure 70: Schéma électrique ............................................................................................56 Figure 71: Schéma électrique simplifié ..............................................................................57 Figure 72: Comportement d'un courant alternatif...............................................................58 Figure 73: Comportement de l'inductance en régime alternatif..........................................59 Figure 74: Comportement du condensateur en régime alternatif.......................................59 Figure 75: Théorème de Pythagore ...................................................................................61 Figure 76: Circuit avec résistance et inductance en série..................................................61 Figure 77: Circuit avec résistance et capacité en série......................................................62 Figure 78: Circuit avec résistance, inductance et capacité en série ..................................63 Figure 79: Circuit avec résistances en parallèle ................................................................64 Figure 80: Circuit avec résistance et inductance en parallèle ............................................64 Figure 81: Circuit avec résistance et capacité en parallèle ................................................65 Figure 82: Circuit avec résistance, inductance et capacité en parallèle.............................65 Figure 83: Mesure courant continu ....................................................................................66 Figure 84: Mesure courant alternatif ..................................................................................66 Figure 85: Puissance en circuit résistif...............................................................................67 Figure 86: Puissance en circuit inductif..............................................................................68 Figure 87: Puissance en circuit R+L (1).............................................................................68 Figure 88: Puissance en circuit R+L (2).............................................................................68 Figure 89: Puissances et le triangle de Pythagore.............................................................69 Figure 90: Puissance apparente ........................................................................................70 Figure 91: Puissance active...............................................................................................70 Figure 92: Puissance réactive............................................................................................70 Figure 93: Distribution triphasée ........................................................................................70 Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 94: Exemple de schéma unifilaire (1)......................................................................79 Figure 95: Exemple de schéma unifilaire (2)......................................................................80 Figure 96: Exemple d’un schéma de principe (1)...............................................................81 Figure 97: Exemple d’un schéma de principe (2)...............................................................82 Figure 98: Exemple de schéma de détail...........................................................................83 Figure 99: Schéma unifilaire simplifié ................................................................................86 Figure 100: Génération d'électricité ...................................................................................87 Figure 101: Représentation unifilaire de schéma de puissance de l'alternateur ................87 Figure 102: Représentation unifilaire de schéma de puissance de générateur triphasé....88 Figure 103: Distribution avec 400 V entre phases .............................................................88 Figure 104: Représentation vectorielle distribution triphasé ..............................................88 Figure 105: Liaisons en HT................................................................................................90 Figure 106: Exemple de câble HT .....................................................................................92 Figure 107: Câbles BT .......................................................................................................93 Figure 108: Couleurs des câbles de puissance .................................................................94 Figure 109: Exemple de câble BT......................................................................................95 Figure 110: Câble de contrôle "âme rigide" .......................................................................96 Figure 111: Câble de contrôle avec âme câblée (semi......................................................96 Figure 112: Câble de contrôle avec âme souple................................................................97 Figure 113: Câble de contrôle "blindé" pour les tranchées ................................................97 Figure 114: Câbles de contrôle..........................................................................................97 Figure 115: Chemins de câbles .........................................................................................99 Figure 116: Distances entre les chemins de câbles en pose horizontale ..........................99 Figure 117: Distances entre les chemins de câbles en pose verticale...............................99 Figure 118: Pose en trèfle ou en alignement ...................................................................100 Figure 119: Tranchée avec une épaisseur de câbles ......................................................101 Figure 120: Tranchée avec deux épaisseurs de câbles...................................................102 Figure 121: Tranchée avec HT et BT deux épaisseurs de câbles ...................................102 Figure 122: Câbles HT.....................................................................................................103 Figure 123: Jonction de câble..........................................................................................103 Figure 124: Extrémité intérieure (en cellule HT) ..............................................................103 Figure 125: Extrémité extérieure (transfo) .......................................................................103 Figure 126: Tête de câble tripolaire pour raccordement intérieur 6/10 (12) kV en cellule HT .................................................................................................................................103 Figure 127: Extrémité unipolaire extérieure (zone polluée) 26 / 45 (52) kV .....................103 Figure 128: Différents types de presse étoupes ..............................................................104 Figure 129: Presse étoupes de type industriel (1) ...........................................................105 Figure 130: Presse étoupes industriel (2) ........................................................................105 Figure 131: Presse étoupes « Ex » pour la Grande-Bretagne et les pays du Commonwealth.........................................................................................................105 Figure 132: Presse étoupes « Ex »..................................................................................106 Figure 133: Cellule HT .....................................................................................................107 Figure 134: Transformateur HT (1) ..................................................................................107 Figure 135: Transformateur HT (2) ..................................................................................107 Figure 136: Les postes de distribution ‘simplifiés’............................................................107 Figure 137: Représentation armoire BT...........................................................................108 Figure 138: Armoire de distribution MCC.........................................................................108 Figure 139: Armoires de « sous-distribution » .................................................................108 Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 140: Moteur électrique 50 MV...............................................................................109 Figure 141: Moteur asynchrone .......................................................................................109 Figure 142: Transformateur de puissance HT/BT (ou BT/HT) .........................................110 Figure 143: Dangers de l’électricité .................................................................................119 Figure 144: Graphique des dangers de l’électricité..........................................................120 Figure 145: Quelques exemples de dangers de l’électricité.............................................122 Figure 146: Dangers d’étincelles associées à des émanations de gaz............................122 Figure 147:Sources de dangers électriques ....................................................................123 Figure 148: Appareil non raccordé à la terre....................................................................124 Figure 149: Appareil raccordé à la terre ..........................................................................124 Figure 150: Neutre non raccordé à la terre ......................................................................125 Figure 151: Neutre connecté à la terre par impédance....................................................125 Figure 152: Neutre TT .....................................................................................................127 Figure 153: Neutre IT.......................................................................................................127 Figure 154: Neutre TN-C .................................................................................................128 Figure 155: Neutre TN-C .................................................................................................128 Figure 156: Neutre TN-C-S..............................................................................................129 Figure 157: Exemples de connexion sur structure...........................................................130 Figure 158: Exemples de bonnes soudures.....................................................................131 Figure 159: Puits de terre ................................................................................................131 Figure 160: Boucles de terre............................................................................................132 Figure 161: Terre "électrique" et "mécanique ..................................................................133 Figure 162: Outillage individuel........................................................................................134 Figure 163: Appareil catégorie t.......................................................................................134 Figure 164: Appareil catégorie I.......................................................................................135 Figure 165: Appareil catégorie II......................................................................................135 Figure 166: appareil catégorie III .....................................................................................136 Figure 167: Luminaire Ex et IP67 ....................................................................................137 Figure 168: Poste HT (1) .................................................................................................143 Figure 169: Poste HT (2) .................................................................................................143 Figure 170: Poste HT (3) .................................................................................................143 Figure 171: Schéma unifilaire de tableau UniGear ..........................................................144 Figure 172: Boucles HT ...................................................................................................144 Figure 173: Verrouillages de boucles ..............................................................................145 Figure 174: Verrouillages de sécurité de série.................................................................145 Figure 175: Verrouillages de sécurité (en option) ............................................................145 Figure 176: Verrouillages à clés ......................................................................................146 Figure 177: Verrouillage par cadenas..............................................................................146 Figure 178: Aimants de verrouillage ................................................................................147 Figure 179: Schémas unifilaire des unités types..............................................................148 Figure 180: Schémas unifilaire des applications de barre ...............................................149 Figure 181: Symboles graphiques ...................................................................................149 Figure 182: Disjoncteur sous vide embrochable ..............................................................151 Figure 183: Disjoncteur sous gaz SF6 embrochable .......................................................151 Figure 184: Contacteur sous vide (ou SF6) avec fusibles ...............................................151 Figure 185: Interrupteur-sectionneur ...............................................................................152 Figure 186: Transformateur torique de courant ...............................................................153 Figure 187: Bloc de 3 TP en cellule ABB .........................................................................153 Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 188: Protection typique pour moteurs de niveau standard....................................154 Figure 189: Protection typique pour moteurs à exigences élevées..................................154 Figure 190: Une gamme des relais ABB..........................................................................154 Figure 191: Relais type "SEPAM" ....................................................................................154 Figure 192: Code international pour la numérotation des protections HT / BT(1) ............155 Figure 193: Code international pour la numérotation des protections HT / BT (2) ...........156 Figure 194: Protection homopolaire.................................................................................157 Figure 195: Gants de protection ......................................................................................158 Figure 196: Exemple d’équipement complet de poste HT ou HT/BT ...............................158 Figure 197: Nomenclature et référence ‘Catu’ .................................................................159 Figure 198: Kits d'intervention pour postes de transformation .........................................160 Figure 199: Tableau principal BT.....................................................................................161 Figure 200: Tableau général BT ......................................................................................161 Figure 201: Réalisation en matériel Siemens ..................................................................162 Figure 202: Tiroirs de protections ....................................................................................162 Figure 203: Armoires de sous-distribution .......................................................................162 Figure 204: Exemple schématique d’un ensemble de distribution (catalogue Schneider) .................................................................................................................................163 Figure 205: Disjoncteur général (1) .................................................................................164 Figure 206: Disjoncteur général (2) .................................................................................164 Figure 207: Barres de distribution (1) ..............................................................................164 Figure 208: Barres de distribution (2) ..............................................................................164 Figure 209: Couplage de jeux de barres..........................................................................165 Figure 210: Tiroirs de distribution ....................................................................................165 Figure 211: Gaines de raccordement (1) .........................................................................166 Figure 212: Gaines de raccordement (2) .........................................................................166 Figure 213: Raccordements terre (1) ...............................................................................166 Figure 214: Raccordements terre (2) ...............................................................................167 Figure 215: Fusible ..........................................................................................................167 Figure 216: Disjoncteur....................................................................................................167 Figure 217: Départ moteur...............................................................................................167 Figure 218: Départs mono, bi, tri et tétra .........................................................................168 Figure 219: Temps de fusion ...........................................................................................169 Figure 220: Différents types de fusibles...........................................................................170 Figure 221: Fusible cylindrique ........................................................................................170 Figure 222: Exemple de fusible cylindrique .....................................................................170 Figure 223: Fusibles à couteaux......................................................................................171 Figure 224: Porte fusibles ................................................................................................171 Figure 225: Barre de neutre.............................................................................................172 Figure 226: Porte fusibles à commande manuelle...........................................................172 Figure 227: Interrupteur ...................................................................................................173 Figure 228: Disjoncteur....................................................................................................173 Figure 229: Interrupteur ...................................................................................................173 Figure 230: Interpact de Merlin Gérin ..............................................................................173 Figure 231: ‘Change-over’ switch avec Interpact’s ..........................................................173 Figure 232: Protection par disjoncteur en amont et interrupteur en aval .........................174 Figure 233: Déclencheur thermique et déclencheur magnétique.....................................175 Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 234: Échelle logarithmique pour le temps et intensité d'un déclencheur thermique .................................................................................................................................175 Figure 235: Graphique pour le temps et intensité d'un déclencheur magnétique ............175 Figure 236: Pouvoir de coupure.......................................................................................176 Figure 237: Courbe de déclenchement disjoncteur magnétothermique...........................176 Figure 238: Constitution d'un disjoncteur.........................................................................177 Figure 239: Disjoncteur modulaire, disjoncteur compact et disjoncteur général (heavy duty) .................................................................................................................................178 Figure 240: Courbe de déclenchement............................................................................179 Figure 241: Courbe de déclenchement d’un disjoncteur 10 A avec courant en abscisse et temps en ordonnée...................................................................................................180 Figure 242: Déclencheur thermique et magnétique réglable ...........................................180 Figure 243: Sélectivité .....................................................................................................181 Figure 244: Seuils de déclenchement..............................................................................181 Figure 245: Disjoncteur télécommandé ...........................................................................182 Figure 246: Relais magnéto -thermique...........................................................................182 Figure 247: Relais thermique (1) .....................................................................................182 Figure 248: Relais thermique (2) .....................................................................................182 Figure 249: Contrôleur d'isolement ..................................................................................183 Figure 250: Principe de raccordement / fonctionnement du CPI en régime IT.................184 Figure 251: CPI................................................................................................................184 Figure 252: Différents types de CPI.................................................................................185 Figure 253: Recherche de défauts...................................................................................185 Figure 254: Différents types de pinces ............................................................................185 Figure 255: Kit de recherche de défaut............................................................................186 Figure 256: Mesure d’intensité.........................................................................................186 Figure 257: Mesure de courant de défaut ........................................................................187 Figure 258: Tores fermés, tores ouvrants et relais « Vigirex » connecté sur le ‘secondaire’ du tore ......................................................................................................................188 Figure 259: Passage du câble dans le tore (1) ................................................................188 Figure 260: Passage du câble dans le tore (1) ................................................................188 Figure 261: Représentation graphique pour un pôle........................................................189 Figure 262: Disjoncteur différentiel ..................................................................................189 Figure 263: Disjoncteur différentiel et interrupteur différentiel ABB .................................189 Figure 264: Disjoncteur Merlin-Gérin ...............................................................................189 Figure 265: Bloc différentiel (1)........................................................................................190 Figure 266: Bloc différentiel (2)........................................................................................190 Figure 267: Disjoncteur Masterpact avec tore séparé .....................................................190 Figure 268: Utilisation des disjoncteurs + différentiels .....................................................191 Figure 269: Circuits de distribution ..................................................................................192 Figure 270: Circuits Normal / Secours .............................................................................193 Figure 271: Circuits Secours / Essentiel ..........................................................................194 Figure 272: Circuits secourus en permanence ................................................................195 Figure 273: Différents types de prises de courant ...........................................................198 Figure 274: Câblage et nombre de prise par circuit .........................................................205 Figure 275: Prise avec système de coupure (1) ..............................................................206 Figure 276: Prise avec système de coupure (2) ..............................................................206 Figure 277: Effet du courant traversant un corps humain ................................................210 Support de Formation EXP-PR-UT010-FR Dernière Révision: 16/04/2007

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Figure 278: Alimentation de la maison.............................................................................210 Figure 279: Le raccordement et la protection EDF (ou autre)..........................................211 Figure 280: Tableau de distribution “maison”...................................................................212 Figure 281: Tableau d’abonné: taille suivant l’importance de l’installation.......................213 Figure 282: Zones 0, 1 et 2 aux environs d’une baignoire ...............................................214 Figure 283: Zone 0, 1 et 2 aux environs d’un bac de douche ..........................................214 Figure 284: Zones 0, 1 et 23 aux environs d’une douche sans bac.................................215 Figure 285: Prises à installer dans un cadre ‘adapté’ ......................................................216 Figure 286: Prises murales ..............................................................................................216 Figure 287: Différentes types de prises ...........................................................................217 Figure 288: Circuits de terre ............................................................................................218 Figure 289: Prise de terre ................................................................................................219 Figure 290: Matériel de prise de terre..............................................................................219 Figure 291: Barrette de coupure ......................................................................................219

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11. SOMMAIRE DES TABLES Table 1: Les unités de base...............................................................................................30 Table 2: Les unités SI dérivées..........................................................................................31 Table 3: Les préfixes .........................................................................................................32 Table 4: Unités techniques « hors normes »......................................................................34 Table 5: Unités anglo-saxonnes ........................................................................................35 Table 6: Analogie entre l’électricité et l’hydraulique ...........................................................38 Table 7: Résistivité et cœfficient de température de quelques matériaux..........................41 Table 8: Code de couleurs des résistances .......................................................................42 Table 9: Relations P, U, I, R courant continu et alternatif (valeurs instantanées) simple phase (circuit résistif)..................................................................................................44 Table 10: Relations pour les résistances, inductances et condensateurs..........................57 Table 11: Combinaison de composants dans une charge .................................................60 Table 12: Indice de protection..........................................................................................137 Table 13: Les indices de protection .................................................................................138 Table 14: Coefficients de fusion.......................................................................................169 Table 15:Dimensions des fusibles cylindriques ...............................................................170 Table 16 : Codes couleur des prises ...............................................................................199 Table 17 : Codes couleur spécification fréquence ...........................................................200 Table 18 : Codes d’enfichage ..........................................................................................202 Table 19 : Gamme courant par gamme de tension..........................................................203 Table 20 : Section minimale câbles d’alimentation ..........................................................204 Table 20 : Prescriptions pour installation électrique.........................................................216

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