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La coordination de la protection entre les fusibles, les relais et les dispositifs de surcharge détermine si un contacteur à vide survit aux conditions de défaut ou s'il subit un soudage de contact, un endommagement de l'arc ou une panne complète. Le principe de coordination est simple : chaque dispositif de protection doit fonctionner dans sa zone désignée avant que les dispositifs en amont ne réagissent, isolant les défauts au point de protection le plus proche tout en préservant le service pour les circuits non affectés.
Lors de déploiements sur le terrain dans plus de 200 centres de commande de moteurs industriels, nous avons constaté qu'une mauvaise coordination est à l'origine d'environ 30% d'arrêts de production non planifiés, même lorsque les dispositifs individuels sont conformes à leurs spécifications nominales. Ce guide fournit une méthodologie de coordination pratique pour les ingénieurs qui conçoivent et mettent en service des systèmes de protection des contacteurs à vide.
Les contacteurs à vide excellent dans la commutation répétée de charges dans des conditions de fonctionnement normales. Une unité bien conçue peut effectuer de 100 000 à 1 000 000 d'opérations mécaniques en fonction de la catégorie de charge. Mais cette capacité de commutation a des limites difficiles à franchir.
Le pouvoir de coupure d'un appareil moyenne tension typique contacteur à vide conçu pour des opérations de commutation fréquentes se situe entre 8× et 10× le courant nominal pour un fonctionnement AC-3 (moteur en marche) ou AC-4 (démarrage/raccordement du moteur). Pour un contacteur de 400 A, cela se traduit par un courant d'interruption maximal d'environ 3 200 à 4 000 A.
Comparez ce chiffre au courant de défaut potentiel d'un bus MT industriel. Des valeurs de 20 à 40 kA sont courantes. Dans certaines installations, on observe des valeurs de 50 kA ou plus.
L'inadéquation est grave. Lorsque le courant de défaut dépasse le pouvoir de coupure du contacteur :
La CEI 60947-4-1 définit des catégories d'utilisation précisément parce que les contacteurs ne sont pas des dispositifs de coupure. La norme fait la distinction entre le pouvoir de fermeture (fermeture sur un défaut) et le pouvoir de coupure (ouverture sous l'effet d'un défaut). Dans la plupart des applications MT, le pouvoir de fermeture et le pouvoir de coupure restent bien en deçà des niveaux de défaut du système.
Cette lacune crée une exigence absolue : les dispositifs de protection de secours doivent interrompre les défauts avant que le contacteur ne tente une interruption au-delà de sa capacité.
Les fusibles limiteurs de courant constituent la première ligne de défense contre les courants de défaut potentiels dépassant le pouvoir de coupure du contacteur à vide. Pour choisir correctement un fusible, il faut faire correspondre ses caractéristiques de passage I²t à la capacité de résistance thermique du contacteur.
Trois catégories de fusibles s'appliquent à la protection des contacteurs à vide :
Fusibles de type gG/gL offrent une protection complète couvrant à la fois les conditions de surcharge et de court-circuit. Ces fusibles à usage général conviennent aux applications où des temps d'élimination des défauts modérés sont acceptables.
Fusibles de type aM sont des dispositifs homologués pour les moteurs, conçus pour résister aux courants d'appel au démarrage tout en assurant une protection contre les courts-circuits. Ils ne protègent pas contre les surcharges - un relais de surcharge séparé assure cette fonction.
Fusibles de type aR offrent une action rapide de type semi-conducteur, éliminant les défauts en 5 ms à des courants prospectifs supérieurs à 20 kA. Les installations minières et pétrochimiques privilégient cette combinaison pour les alimentations de moteurs où les contributions de courant de défaut créent des niveaux prospectifs sévères.
La marge de coordination entre le fusible et le contacteur suit la relation :
Fusible I²tlaisser passer ≤ Contacteur I²trésister
Pour un application contacteur haute tension Pour les contacteurs à courant de service de 400 A, l'intensité maximale admissible du fusible I²t pendant l'élimination du défaut ne doit pas dépasser la valeur de résistance du contacteur - généralement 40 000 à 50 000 A²s pour les unités industrielles standard.
Tableau : Exemple de coordination fusible-contacteur
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Courant nominal du contacteur | 400 A |
| Tension du système | 7,2 kV |
| Courant de défaut prospectif | 25 kA |
| Résistance I²t du contacteur | 50 000 A²s |
| Fusible sélectionné | 250 A HRC |
| Fusible I²t @ 25 kA | 35 000 A²s |
| État de la coordination | ✓ Protégé |
Des essais sur le terrain dans des exploitations minières ont démontré que la puissance des fusibles ne devait pas dépasser 125% de la puissance thermique du contacteur à vide. Lorsque le temps d'élimination du fusible à un courant de défaut maximal est inférieur à 10 ms, le contacteur subit une énergie d'arc minimale pendant le défaut, ce qui prolonge la durée de vie du contact de 40 à 60% par rapport à des systèmes mal coordonnés.
[Regard d'expert : la sélection des fusibles dans la pratique]
- Choisir des fusibles dont les valeurs I²t sont inférieures d'au moins 20% aux valeurs de résistance des contacteurs pour tenir compte des tolérances de fabrication.
- Vérifier les performances du fusible à la température ambiante réelle - I²t augmente de 5-8% à 40°C par rapport aux conditions nominales de 25°C.
- Remplacer les fusibles provenant du même lot du fabricant afin de maintenir des caractéristiques de coordination cohérentes.
- Consigner les numéros de modèle et de lot des fusibles dans les dossiers de l'étude de coordination pour référence ultérieure.
Les relais de protection offrent des caractéristiques temps-courant réglables qui se coordonnent avec les fusibles en amont et les surcharges thermiques en aval. Contrairement aux fusibles, les relais peuvent être réinitialisés et leurs réglages ajustés pour s'adapter aux conditions changeantes du système.
Relais à temps minimum inversé (IDMT) suivent les courbes standard de la CEI - Standard Inverse (SI), Très Inverse (VI), Extrêmement Inverse (EI), et Long-Time Inverse (LTI). Le temps de fonctionnement du relais diminue à mesure que le courant de défaut augmente, selon une relation mathématique définie.
Relais à temps défini offrent des délais fixes quelle que soit l'intensité du courant au-dessus de l'interrupteur. Ils conviennent aux applications nécessitant des temps d'élimination prévisibles indépendamment de la gravité du défaut.
Relais instantanés fonctionnent sans délai intentionnel pour les défauts de grande ampleur. Les réglages de ramassage sont généralement compris entre 6× et 12× le courant de pleine charge afin d'éviter les déclenchements lors de l'appel d'air au démarrage du moteur.
Le temps total d'élimination des défauts comprend plusieurs éléments :
Le relais doit se déclencher avant le seuil d'endommagement thermique du contacteur à tous les niveaux de courant de défaut. Selon la norme IEC 60947-4-1 exigences de coordination, La coordination de type 2 exige que le contacteur reste opérationnel après l'élimination du défaut sans soudure de contact ou dommage permanent.
Flux de travail de coordination :
Un malentendu courant : les relais de surcharge protègent la charge (enroulements du moteur, diélectrique du condensateur), et non le contacteur à vide lui-même. Le contacteur doit toujours être protégé par un fusible ou un disjoncteur en amont contre les courants de défaut dépassant son pouvoir de coupure.
Relais de surcharge thermique utilisent des éléments bimétalliques qui se déforment sous l'effet d'un courant soutenu. Les classes de déclenchement définissent le temps de réponse :
Relais de surcharge électronique offrent des courbes de déclenchement programmables, la détection des pertes de phase, la surveillance des défauts à la terre et des fonctions de mémoire thermique. Les capacités de communication numérique permettent une surveillance et un réglage à distance.
La pile de protection complète fonctionne comme suit :
Dans les centres de commande de moteurs fermés fonctionnant à une température ambiante de 40°C, les réglages de surcharge nécessitent une réduction de 10-15% par rapport aux valeurs indiquées sur la plaque signalétique. La fiabilité du pouvoir d'ouverture et de fermeture du contacteur à vide dépend directement d'une protection adéquate contre les surcharges, qui empêche les surintensités soutenues d'accélérer l'érosion des contacts.
[Regard d'expert : mise en service d'un relais de surcharge]
- Vérifier la polarité et le rapport du TC avant d'alimenter les relais de surcharge électroniques.
- Tester la protection contre les pertes de phase en déconnectant une phase à tension réduite pendant la mise en service.
- Réglage de la détection de défaut de terre à 50-100 mA pour la sécurité du personnel dans les environnements humides
- Documenter la température ambiante lors de la mise en service - les relais thermiques doivent être recalibrés si la température de fonctionnement diffère de plus de 10°C.
Les différentes applications imposent des défis de coordination distincts. L'appel de courant au démarrage du moteur, les transitoires de mise sous tension du condensateur et le courant de magnétisation du transformateur nécessitent chacun des stratégies de protection spécifiques.
Le démarrage d'un moteur produit des courants d'appel de 6 à 8 fois l'ampérage de pleine charge pendant 5 à 15 secondes lors de l'accélération directe en ligne. Les conditions de blocage du rotor maintiennent ce niveau de courant jusqu'à ce que la protection fonctionne.
Le défi de la coordination : la protection doit résister à l'appel de courant de démarrage normal tout en se déclenchant en cas de blocage du rotor ou de décrochage. Les fusibles de type aM combinés à des surcharges thermiques de classe 20 assurent cette discrimination pour la plupart des applications de moteurs industriels.
Commutation de condensateurs avec des contacteurs à vide crée des conditions transitoires sévères. L'appel de courant peut dépasser 100× le courant nominal pour des durées inférieures à 1 ms. La commutation dos à dos, c'est-à-dire la mise sous tension d'une batterie de condensateurs alors que les autres restent connectés, produit des pics encore plus élevés.
Le redémarrage pendant la mise hors tension présente des risques supplémentaires. Si le contacteur à vide se réenclenche après l'extinction initiale de l'arc, le transitoire de tension qui en résulte peut endommager le diélectrique du condensateur et l'équipement connecté.
Approche de la coordination : les réactances de limitation de courant réduisent l'amplitude du pic d'appel ; les fusibles de limitation de courant à action rapide éliminent les défauts avant que les contacteurs ne soient endommagés ; les contrôleurs de commutation point par point réduisent la gravité des transitoires.
L'appel de courant de magnétisation du transformateur atteint 8 à 12 fois le courant nominal avec des caractéristiques de forme d'onde asymétriques. Le contenu en harmoniques secondes du courant d'appel le distingue du courant de défaut - les relais de protection avec limitation des harmoniques évitent les déclenchements intempestifs pendant la mise sous tension.
Tableau : Résumé de la coordination des demandes
| Demande | Dispositif de surcharge | Dispositif de court-circuit | Défi majeur |
|---|---|---|---|
| Démarrage du moteur | Classe 20 thermique | fusible aM | Passage en revue de l'inertie |
| Banque de condensateurs | Généralement aucun | Fusible limiteur de courant | Crête transitoire, redémarrage |
| Transformateur d'alimentation | Relais IDMT | fusible gG/gL | Appel de courant magnétisant |
Les problèmes de coordination dans le monde réel résultent d'erreurs de conception, de réglages inappropriés ou de modifications du système qui invalident les études de coordination initiales.
Fusibles surdimensionnés : Les ingénieurs choisissent parfois des fusibles avec des “marges de sécurité” excessives. Un fusible de 400 A protégeant un contacteur de 200 A peut ne pas éliminer les défauts assez rapidement pour empêcher le soudage des contacts. Le fusible doit être dimensionné en fonction de la capacité de résistance réelle du contacteur, et non surdimensionné de manière arbitraire.
Mauvaise synchronisation du relais : Lorsque le temps de fonctionnement du relais dépasse la résistance thermique du contacteur à des courants de défaut élevés, le contacteur est endommagé avant que le relais ne se déclenche. Ce mode de défaillance n'apparaît qu'en cas de défaut réel.
L'élément instantané se déclenche lors de l'appel de courant : Le démarrage d'un moteur ou la mise sous tension d'un condensateur produit de brèves pointes de courant qui dépassent les réglages instantanés du relais. Les déclenchements intempestifs perturbent la production sans qu'il y ait de condition de défaut réelle.
Cycle de surcharge à réinitialisation automatique : Les surcharges à réarmement automatique permettent le redémarrage répété de moteurs surchauffés. Le contacteur fonctionne normalement alors que les enroulements du moteur accumulent des dommages thermiques à chaque cycle de redémarrage.
Pas d'étude de discrimination : Lorsque plusieurs appareils se déclenchent simultanément lors d'une panne, il devient difficile de localiser le point de panne réel. Le temps de rétablissement de la production augmente considérablement.
Exemple de cas concret :
Un contacteur à vide de 7,2 kV dans une batterie de condensateurs d'une cimenterie a subi un redémarrage pendant l'ouverture. Le fusible de secours était correctement dimensionné pour l'élimination du défaut boulonné, mais pas pour la tension transitoire de rétablissement après le redémarrage. Résultat : le contacteur a été détruit, le fusible intact - exactement le contraire de la coordination prévue. L'analyse post-incident a révélé que le série de contacteurs haute tension alternatifs avec une suppression améliorée des grèves répétées aurait survécu au même événement.
Une coordination précise nécessite des spécifications précises. XBRELE fournit des fiches techniques complètes pour toutes les séries de contacteurs à vide, incluant :
Pour les applications critiques dans les mines, la pétrochimie ou les installations de traitement des eaux, le support technique de XBRELE aide à la vérification de la coordination, à la sélection des dispositifs de protection et à l'orientation de la mise en service.
Contacter le Équipe de fabrication des contacteurs à vide XBRELE pour obtenir des fiches techniques de coordination, des courbes caractéristiques de courant temporel ou une assistance technique spécifique à l'application.
Q : Que se passe-t-il si je choisis un fusible dont la valeur nominale est supérieure à la résistance thermique du contacteur à vide ?
R : Il se peut que le fusible n'élimine pas les défauts assez rapidement pour empêcher le soudage par contact - le contacteur est endommagé alors que le fusible surdimensionné reste intact, ce qui nécessite à la fois le remplacement du contacteur et une enquête sur les causes profondes.
Q : Comment vérifier la coordination entre le relais et le contacteur lors de la mise en service ?
R : Injecter un courant secondaire dans le relais à l'aide d'un appareil d'essai, mesurer les temps de déclenchement réels à plusieurs niveaux de courant (généralement 3×, 5× et 10×) et comparer les résultats à la courbe de dommages thermiques publiée par le contacteur.
Q : Les relais de surcharge thermique peuvent-ils protéger les contacteurs à vide contre les courts-circuits ?
R : Les surcharges non thermiques fonctionnent trop lentement pour assurer une protection contre les défauts, avec des temps de déclenchement mesurés en secondes plutôt qu'en millisecondes. Les fusibles ou les disjoncteurs doivent fournir une protection de secours contre les courts-circuits.
Q : Quelle marge de coordination dois-je maintenir entre les dispositifs de protection ?
R : La plupart des applications industrielles exigent une séparation minimale de 0,3 seconde entre les courbes temps-courant au courant de défaut maximal afin de garantir un fonctionnement sélectif dans des conditions transitoires et de tenir compte des tolérances de temporisation des relais.
Q : Pourquoi les applications de batteries de condensateurs nécessitent-elles des considérations particulières en matière de coordination ?
R : L'excitation des condensateurs produit des courants transitoires dépassant 100× le courant nominal pendant des durées inférieures à la milliseconde, et le redémarrage lors de la désexcitation crée des transitoires de tension que les schémas de protection standard ne peuvent pas traiter sans réacteurs limiteurs de courant et fusibles à action rapide.
Q : À quelle fréquence les études de coordination de la protection doivent-elles être révisées ?
R : Les études de coordination doivent être examinées à chaque fois que des modifications sont apportées au système - ajout de nouvelles charges, mise à niveau des transformateurs, recalcul des niveaux de défaut ou remplacement des dispositifs de protection - avec une vérification périodique tous les 3 à 5 ans, même en l'absence de modifications du système.
Q : Quelle documentation dois-je conserver pour la coordination de la protection ?
R : Conserver les diagrammes de coordination temps-courant montrant les courbes de tous les dispositifs, les feuilles de réglage des relais avec les valeurs de prise et de cadran temporel, les feuilles de spécification des fusibles avec les données I²t, et les enregistrements de la température ambiante et des niveaux de défaillance du système lors de la mise en service.
