Disjoncteurs et fusibles

Prérequis

Connaissances de base en électricité (tension, courant, résistance, puissance) et des lois fondamentales comme la loi d'Ohm. Compréhension des notions de circuit électrique simple et des risques liés à l'électricité.

Explication théorique

INTRODUCTION Les disjoncteurs et les fusibles sont des composants fondamentaux de la sécurité électrique. Leur rôle principal est de protéger les installations électriques et les équipements qui y sont connectés contre les surintensités, qui peuvent se manifester sous forme de surcharges ou de courts-circuits. Sans ces protections, une surintensité pourrait entraîner un échauffement excessif des conducteurs, détériorer les équipements, provoquer des incendies ou des électrocutions. LES FUSIBLES Un fusible est un coupe-circuit à fusion. Il se compose d'un fil conducteur calibré (élément fusible) logé dans un corps isolant et connecté à des bornes. Lorsque le courant traversant le fusible dépasse une certaine valeur pendant une durée donnée, l'effet Joule provoque l'échauffement et la fusion de l'élément fusible. Cette fusion crée une coupure physique du circuit, interrompant ainsi le passage du courant. Un fusible est un dispositif de protection à usage unique : une fois qu'il a fondu, il doit être remplacé. Caractéristiques principales des fusibles : - COURANT NOMINAL (In) : C'est le courant maximal que le fusible peut supporter en permanence sans fondre. - POUVOIR DE COUPURE (PdC) : C'est le courant de court-circuit maximal que le fusible est capable d'interrompre en toute sécurité sans être détruit. Il est généralement très élevé. - COURBE DE FUSION : Elle décrit la relation entre le courant de défaut et le temps de fusion. Les fusibles sont classifiés par des lettres (ex: gG pour usage général, aM pour la protection de moteurs). LES DISJONCTEURS Un disjoncteur est un appareil électromécanique capable d'interrompre automatiquement un circuit électrique en cas de surintensité (surcharge ou court-circuit) et de le rétablir manuellement ou automatiquement après résolution du défaut. Contrairement au fusible, un disjoncteur est réarmable. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT DES DISJONCTEURS : - DÉTECTION DES SURCHARGES : Elle est généralement assurée par un bilame thermique. Le bilame est composé de deux métaux ayant des coefficients de dilatation différents. Lors d'une surintensité prolongée (surcharge), le bilame s'échauffe, se déforme et déclenche un mécanisme d'ouverture des contacts. Cette protection est inversement proportionnelle au courant : plus le courant est élevé, plus le temps de déclenchement est court. - DÉTECTION DES COURTS-CIRCUITS : Elle est assurée par un dispositif magnétique (bobine). Lors d'un court-circuit, l'augmentation brutale et très importante du courant génère un champ magnétique intense dans la bobine. Ce champ attire une palette, qui active instantanément le mécanisme de déclenchement, ouvrant les contacts. Cette protection est quasi-instantanée. CLASSIFICATION DES DISJONCTEURS SELON LEURS COURBES DE DÉCLENCHEMENT MAGNÉTIQUE : Les disjoncteurs sont caractérisés par leurs courbes de déclenchement (courbes B, C, D, K, Z) qui définissent le seuil de courant de court-circuit pour le déclenchement instantané : - COURBE B : Déclenchement entre 3 et 5 fois In. Pour les circuits avec des charges peu inductives (résistances, éclairage). - COURBE C : Déclenchement entre 5 et 10 fois In. La plus courante, pour les circuits généraux (prises, petits moteurs). - COURBE D : Déclenchement entre 10 et 14 fois In. Pour les charges avec des courants d'appel élevés (moteurs puissants, transformateurs). AUTRES CARACTÉRISTIQUES DES DISJONCTEURS : - COURANT NOMINAL (In) : Le courant que le disjoncteur peut supporter en continu. - POUVOIR DE COUPURE (Icu ou Icn) : Le courant de court-circuit maximal que le disjoncteur peut couper en toute sécurité. Exprimé en kA. - SÉLECTIVITÉ : Capacité des dispositifs de protection à se coordonner afin que seul le dispositif le plus proche du défaut déclenche, minimisant ainsi l'interruption de service. La sélectivité peut être totale (pour tous les niveaux de courant de défaut) ou partielle. - FILIATION : Technique permettant d'installer un disjoncteur avec un pouvoir de coupure inférieur à celui requis en amont d'un autre disjoncteur de plus grande capacité, sous réserve d'une coordination appropriée qui limite le courant de court-circuit. (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable). CHOIX ET INSTALLATION Le choix entre un fusible et un disjoncteur, ainsi que leur dimensionnement, dépendent de plusieurs facteurs : le type de charge, le courant nominal de l'équipement, les courants de court-circuit prévus, la sélectivité désirée et les normes d'installation applicables. Les fusibles sont souvent privilégiés pour leur pouvoir de coupure très élevé et leur coût unitaire faible, tandis que les disjoncteurs sont appréciés pour leur réarmement et leur flexibilité. Les protections doivent être dimensionnées pour être supérieures au courant d'emploi du circuit, mais inférieures au courant admissible des conducteurs et des équipements, afin de les protéger efficacement.

Formules

• P = U × I

  Puissance électrique en courant continu ou purement résistif.

• P = U × I × cos φ

  Puissance active en courant alternatif monophasé, où cos φ est le facteur de puissance.

• I = P / (U × √3 × cos φ)

  Calcul du courant pour une charge triphasée équilibrée, utile pour dimensionner les protections.

• R_conducteur = ρ × L / S

  Résistance d'un conducteur, où ρ est la résistivité, L la longueur et S la section. Important pour les calculs de chute de tension et de courants de court-circuit.

• Icc = U / Zcc

  Courant de court-circuit, où U est la tension du circuit et Zcc est l'impédance totale du défaut. Simplifié, Icc = U / Rcc, si l'impédance est majoritairement résistive.

Variables et unités SI

Exemples industriels

EXEMPLE NUMÉRIQUE : Dimensionnement d'un disjoncteur pour un moteur triphasé Hypothèses : - Alimentation triphasée : U = 400 V entre phases - Moteur asynchrone triphasé - Puissance utile du moteur (P_utile) : 7.5 kW - Rendement du moteur (η) : 0.88 - Facteur de puissance (cos φ) : 0.85 - Courant de démarrage (Id) : 6 fois le courant nominal (In_moteur) - Conducteurs en cuivre, température ambiante de 30°C, pose en aérien. Données de calcul : - P_utile = 7500 W - U = 400 V - η = 0.88 - cos φ = 0.85 Calcul du courant absorbé par le moteur (courant nominal du moteur, In_moteur) : P_absorbée = P_utile / η = 7500 W / 0.88 = 8522.73 W Pour une alimentation triphasée, la puissance absorbée P_absorbée est donnée par la formule : P_absorbée = U × In_moteur × √3 × cos φ Donc, In_moteur = P_absorbée / (U × √3 × cos φ) In_moteur = 8522.73 W / (400 V × 1.732 × 0.85) In_moteur = 8522.73 W / 587.08 V In_moteur ≈ 14.52 A Choix du disjoncteur : 1. Le courant nominal du disjoncteur (In_disjoncteur) doit être supérieur au courant nominal du moteur. Pour assurer une marge de sécurité et tenir compte des facteurs de déclassement éventuels, on choisit généralement un calibre immédiatement supérieur. On pourrait viser 16 A, 20 A ou 25 A. Si on choisit 20 A pour In_disjoncteur, cela est suffisant pour le courant de service. 2. Le type de courbe de déclenchement pour le moteur : Les moteurs ont un courant d'appel au démarrage élevé (ici, Id = 6 × In_moteur). Un disjoncteur de courbe C (déclenchement entre 5 et 10 fois In_disjoncteur) ou D (déclenchement entre 10 et 14 fois In_disjoncteur) est généralement nécessaire pour éviter les déclenchements intempestifs au démarrage. Calcul du courant de démarrage : Id = 6 × 14.52 A = 87.12 A. Si on choisit un disjoncteur de 20 A (courbe C) : Le seuil de déclenchement magnétique est entre 5 × 20 A = 100 A et 10 × 20 A = 200 A. Le courant de démarrage de 87.12 A est inférieur au seuil bas de 100 A, donc le disjoncteur ne devrait pas déclencher au démarrage. Si on choisit un disjoncteur de 20 A (courbe D) : Le seuil de déclenchement magnétique est entre 10 × 20 A = 200 A et 14 × 20 A = 280 A. C'est encore plus sûr pour le démarrage. Un disjoncteur magnéto-thermique triphasé de 20 A de courbe C serait un choix approprié. Application industrielle concrète : Dans une usine de fabrication, un convoyeur est entraîné par ce moteur de 7.5 kW. La protection par disjoncteur magnéto-thermique assure plusieurs fonctions : - Protection thermique : Le bilame protège le moteur contre les surcharges prolongées, par exemple si le convoyeur est bloqué ou si la charge est excessive. Cela évite que le moteur ne surchauffe et ne brûle son bobinage. - Protection magnétique : La bobine protège le circuit contre les courts-circuits francs (ex: défaut d'isolement entre phases ou phase-terre sévère), coupant instantanément l'alimentation pour limiter les dégâts sur l'installation et le moteur. - Réarmement facile : En cas de déclenchement pour une surcharge temporaire ou un défaut résolu, l'opérateur peut réarmer le disjoncteur après avoir vérifié la cause, réduisant le temps d'arrêt de la production, contrairement à un fusible qui nécessiterait un remplacement. Le pouvoir de coupure du disjoncteur doit être suffisant pour couper le courant de court-circuit maximal prévisible au point d'installation, calculé lors de l'étude d'installation (ex: 6 kA, 10 kA, etc.).

Méthode de mesure

1. S'assurer de la consignation et de la mise hors tension complète du circuit à tester. 2. Vérifier l'absence de tension à l'aide d'un Vérificateur d'Absence de Tension (VAT) aux bornes du dispositif. 3. Pour un FUSIBLE : Mesurer la résistance de l'élément fusible avec un multimètre en position ohmmètre. Une valeur très faible (proche de 0 Ω) indique que le fusible est intact. Une valeur infinie (circuit ouvert) indique que le fusible est fondu. 4. Pour un DISJONCTEUR : S'assurer que le disjoncteur est en position 'ON' (fermé). Mesurer la résistance entre les bornes d'entrée et de sortie du pôle. Une valeur très faible (proche de 0 Ω) indique que le contact est fermé et en bon état. Répéter pour chaque pôle. Actionner le disjoncteur en position 'OFF' (ouvert) et vérifier l'absence de continuité (résistance infinie) entre les bornes. Cela permet de vérifier l'état des contacts et le bon fonctionnement mécanique de l'interruption. 5. Lors d'un déclenchement du disjoncteur : Relever la position de la manette pour déterminer si le déclenchement est thermique ou magnétique (souvent une position intermédiaire ou une indication spécifique sur le disjoncteur). Réarmer uniquement après avoir identifié et corrigé la cause du défaut.

Instruments nécessaires

Multimètre numérique (avec fonction ohmmètre et voltmètre AC/DC), Vérificateur d'Absence de Tension (VAT), Pince ampèremétrique (pour des mesures de courant en service, après le dispositif de protection et avant de tester le dispositif lui-même, afin de vérifier son bon dimensionnement).

Procédure de contrôle

Vérification visuelle de l'intégrité (pas de traces de brûlures, de fissures). Test de continuité à l'ohmmètre (0 Ω = OK pour un fusible/disjoncteur fermé, Infini Ω = coupé). Pour un disjoncteur, test mécanique du bouton de déclenchement (si présent) et de la manette ON/OFF.

Symptômes de panne

Déclenchement intempestif ou fréquent du disjoncteur. Absence de tension sur le circuit aval malgré la présence de tension amont (fusible fondu ou disjoncteur déclenché). Échauffement anormal du dispositif de protection ou des conducteurs. Odeur de brûlé, traces de fumée ou noircissement autour du dispositif.

Causes probables

Surcharge du circuit (trop d'appareils connectés, puissance absorbée trop élevée). Court-circuit franc (défaut d'isolement entre phases, phase-terre ou phase-neutre). Court-circuit léger (défaut d'isolement partiel, échauffement). Composant défectueux en aval du circuit (moteur bloqué, résistance défaillante). Vieillissement ou défaillance interne du fusible/disjoncteur (fatigue du bilame, contacts usés). Erreur de dimensionnement (calibre trop faible pour la charge normale).

Erreurs fréquentes

Remplacer un fusible fondu par un fusible de calibre supérieur sans identifier la cause du défaut, ce qui peut entraîner des dommages graves aux équipements ou un incendie. Réarmer un disjoncteur à plusieurs reprises sans investigation ni correction du défaut, risquant d'endommager davantage l'installation. Utiliser un disjoncteur avec une courbe de déclenchement inadaptée (ex: courbe B pour un moteur), entraînant des déclenchements intempestifs. Ignorer les facteurs d'environnement (température, mode de pose) qui peuvent nécessiter un déclassement des protections ou des conducteurs. Ne pas vérifier le pouvoir de coupure du disjoncteur, il doit être supérieur au courant de court-circuit maximal au point d'installation.

Précautions de sécurité

Consigner l'installation avant toute intervention : couper l'alimentation au sectionneur général, verrouiller le sectionneur et étiqueter. Vérifier l'absence de tension sur toutes les phases et entre phases et terre. Porter les Équipements de Protection Individuelle (EPI) appropriés : gants isolants, lunettes de sécurité, vêtements de travail ignifuges. Effectuer les opérations uniquement si l'on possède l'habilitation électrique requise pour le niveau de tension et le type d'opération (ex: B1V, BR, BC pour les travaux basse tension en France).

Références

• Normes d'installation électrique (ex: NF C 15-100 en France, CEI 60364 au niveau international) — référence à vérifier
• Documentation technique des fabricants de disjoncteurs et fusibles — référence à vérifier
• Ouvrages de référence sur la protection des réseaux électriques — référence à vérifier

Questions fréquentes

• Quelle est la différence fondamentale entre un disjoncteur et un fusible ?

  Un fusible est un dispositif à usage unique qui doit être remplacé après avoir fondu pour interrompre un courant de défaut. Un disjoncteur est réarmable et peut être réactivé manuellement après un déclenchement, une fois le défaut éliminé.

• Pourquoi y a-t-il différentes courbes de disjoncteurs (B, C, D) ?

  Ces courbes définissent les seuils de courant de court-circuit pour le déclenchement instantané. Elles permettent d'adapter la protection au type de charge : courbe B pour les charges résistives, C pour les usages généraux et petits moteurs, D pour les charges avec forts courants d'appel (gros moteurs, transformateurs), afin d'éviter les déclenchements intempestifs au démarrage tout en assurant la protection.

• Qu'est-ce que le pouvoir de coupure d'un dispositif de protection ?

  Le pouvoir de coupure est le courant de court-circuit maximal que le disjoncteur ou le fusible est capable d'interrompre en toute sécurité, sans être endommagé ni mettre en danger l'installation ou les opérateurs. Il est exprimé en ampères (A) ou kiloampères (kA).

• Un disjoncteur protège-t-il aussi contre les chocs électriques ?

  Les disjoncteurs magnéto-thermiques standard protègent contre les surintensités (surcharges et courts-circuits). Pour la protection des personnes contre les chocs électriques indirects (défauts d'isolement), un dispositif différentiel à courant résiduel (DDR) est nécessaire, souvent intégré ou associé au disjoncteur.