Considérations à prendre en compte dans le choix de fusibles
Coordination entre fusibles et autres appareils
a) Dans ce cas, le fusible limiteur de courant est utilisé comme protection d'appoint pour l'autre appareil. De ce fait, dans le cas de défauts importants, seul le fusible limiteur de courant doit fonctionner alors que l'appareil associé ne doit fonctionner que dans le cas de surcharges ou de petits défauts. Ce comportement est obtenu en choisissant les caractéristiques du fusible et de l'autre appareil de telle sorte qu'elles conduisent à une caractéristique composite de la forme illustrée. Celle-ci doit évidemment provoquer une élimination de défaut suffisamment rapide pour protéger correctement le circuit associé à tous les niveaux de courant.
a = autre appareil
b = fusible
Les autres critères à respecter sont :
b) Le point d'intersection (A) des courbes doit être à un niveau de courant inférieur au pouvoir de coupure de l'autre appareil.
c) Pour prendre en compte les cas où le fusible limiteur de courant isole le circuit, l'autre appareil doit être capable d'acheminer correctement le courant maximum de défaut et lorsqu'il est soumis à un défaut, il doit avoir un pouvoir de fermeture suffisant pour les valeurs d'I²t et de courant coupé limité du fusible.
Sélectivité et coordination
La sélectivité des surintensités est définie comme « la coordination des caractéristiques d'au moins deux dispositifs de protection contre les surintensités pour que, lorsqu'une surintensité se produit dans des limites définies, seul le dispositif censé fonctionner dans ces limites réalise la coupure, tandis que les autres restent inactifs ».
La plupart des circuits contiennent plusieurs dispositifs de protection et certains d'entre eux sont en pratique placés en série. Ils doivent tous être coordonnés pour obtenir une sélectivité adéquate dans toutes les conditions de défaut afin que seule l'interruption minimum nécessaire pour isoler la condition de défaut se produise.
La coordination des dispositifs de protection du circuit est conditionnée par leurs caractéristiques de fonctionnement et il y a plusieurs possibilités de configuration. Par exemple, un réseau peut comporter un nombre considérable de fusibles qui doivent être choisis pour réaliser la sélectivité, ou bien un fusible doit fonctionner en série avec un disjoncteur déclenché par un relais de protection. Ces situations sont examinées séparément grâce à un réseau simple illustré ci-dessous.
Protection par fusibles
L'utilisation d'un système radial tel que celui illustré ci-dessous est très courante, tout comme l'utilisation d'un fusible majeur (ou fusible amont) dans la connexion d'alimentation (PD4) et des fusibles mineurs (ou fusibles en aval) dans chaque circuit de charge (PD1, 2 et 3).
Il est clair que les fusibles mineurs doivent avoir une caractéristique temps/courant adaptée à la protection de leurs circuits de charge et qu'un défaut sur une charge particulière doit causer uniquement le fonctionnement de son fusible mineur associé. Le fusible majeur en amont (PD4) achemine aussi le courant de défaut, mais il ne doit ni fonctionner, ni être endommagé.
Pour les défauts qui n'engendrent que des courants relativement faibles, les temps d'arc, par rapport aux temps de préarc, sont faibles et de ce fait, la sélectivité peut être prévue en comparant les courbes temps/courant du fusible majeur avec celles des fusibles mineurs. Tant que les courbes des fusibles mineurs sont sur la gauche du fusible majeur, c'est-à-dire que les fusibles mineurs fonctionnent plus rapidement, la sélectivité est réalisée.
À des niveaux de courant de défaut plus élevés (qui conduisent à la fusion du fusible mineur en moins de 100 ms), le temps d'arc du fusible mineur doit être pris en compte. Ceci est réalisé en prenant en compte les valeurs d'I²t au lieu des valeurs temporelles. Il faut que l'I²t de préarc du fusible majeur dépasse l'I²t total de fonctionnement du fusible mineur avec une marge acceptable (environ 40 %).
Un système intégré protégé par des fusibles est parfait pour cette application et crée le minimum de perturbation dans le système. La standardisation des caractéristiques des fusibles gG garantit que la sélectivité entre les fusibles peut être réalisée avec un rapport de 1,6/1 des courants assignés pour la plupart des situations concrètes. Le rapport 1,6/1 représente deux échelons de la série de calibres R10. Par exemple, la sélectivité sera réalisée grâce à un fusible aval de 100 A et un fusible amont de 160 A.
Un cas particulier concerne la sélectivité entre des fusibles placés de chaque côté d'un transformateur. Dans ce cas, le rapport de transformation réel doit être pris en compte.
Protection par fusibles et autres appareils
Dans ce cas, le critère général est similaire à celui de la sélectivité entre deux fusibles : seul le dispositif en aval doit fonctionner. C'est ce dernier qui doit être choisi en premier, car ses caractéristiques temps/courant doivent offrir la protection nécessaire à son circuit associé. Ensuite, le circuit en amont doit avoir une caractéristique qui assure la sélectivité.
En pratique, on rencontre deux configurations. La première où le dispositif en amont est un fusible tandis que les dispositifs en aval sont des disjoncteurs miniatures ou de petite taille comportant une protection contre les surintensités, et la seconde où un disjoncteur est utilisé en amont et des fusibles en aval.
Dans la première configuration, il y a toujours une limite supérieure réelle ou potentielle du courant de défaut jusqu'à laquelle il est possible d'obtenir la sélectivité. Ceci s'explique par le fait que le disjoncteur ou tout autre appareil en aval a toujours un temps de fonctionnement minimum non nul provoqué par un retard dans l'équipement de détection de surintensité et dans le disjoncteur lui-même, en supplément de son propre temps d'arc, qui est rarement inférieur à la durée d'un demi-cycle. En revanche, le temps de fonctionnement du fusible en amont décroit avec l'augmentation du courant, ce qui crée une limite supérieure de courant jusqu'à laquelle il est possible d'obtenir la sélectivité.
Avec la deuxième configuration, il n'y a généralement pas de difficulté à choisir des caractéristiques permettant d'obtenir une sélectivité totale.
Protection des câbles
Des fusibles basse tension avec des caractéristiques gG normalisées sont utilisés pour protéger les câbles. Les règles de sélection et de protection contre les surintensités des câbles ont été définies et incluses dans les lois ou règlementations nationales ou internationales. La Publication 60364 de la CEI concerne les Installations électriques dans les bâtiments.
Dans ces réglementations, le terme « surintensité » concerne à la fois les courts-circuits et les surcharges, une surcharge étant définie comme une surintensité dans un circuit qui est parfaitement sain électriquement. Il est clair qu'une surcharge peut se produire par exemple si un moteur est bloqué ou tourne lentement à cause du couple moteur requis.
Le premier facteur important à considérer est le courant admissible des câbles à protéger. Cette valeur dépend de l'isolement, des matériaux et des dimensions du conducteur. De plus, elle est influencée par la température ambiante de l'environnement dans lequel les câbles sont utilisés et de l'arrangement de l'installation, en particulier l'espacement des câbles et la ventilation. Le courant admissible des câbles pour différentes conditions de fonctionnement a été déterminé et consigné dans les réglementations de câblage mentionnées ci-dessus.
Pour éviter d'endommager le câble, il est essentiel que le courant maximum d'utilisation (IB) d'un câble soit inférieur ou égal à son courant admissible (IZ).
Pour permettre d'acheminer le courant maximum d'utilisation, le fusible doit avoir un courant assigné supérieur ou égal à celui-ci. Et pour fournir une protection appropriée, le courant assigné du fusible ne doit pas dépasser le courant admissible du câble.
Un câble peut acheminer des courants de valeur supérieure à son courant admissible Iz pendant une durée limitée. Les réglementations visant à assurer que la durée de vie de l'isolement ne soit pas réduite de façon significative spécifient que le courant de fonctionnement minimum des dispositifs de protection doit être inférieur ou égal à 1,45 fois le courant admissible du câble (1,45 Iz).
Pour vérifier que les fusibles gG sont capables de protéger les câbles contre une surcharge, un test de protection de surcharge de câble classique a été introduit dans la norme pour fusibles CEI 60269-1.
Lorsque les fusibles sont sélectionnés selon les critères mentionnés ci-dessus, la forme des caractéristiques temps/courant du gG requise par la norme CEI 60269-1 garantit une protection adéquate des câbles pour des surintensités plus élevées.
Dans les applications où des fusibles basse tension sont utilisés pour offrir aux câbles une protection d'appoint ou contre les courts-circuits, il faut s'assurer de la coordination en utilisant des fusibles avec des valeurs d'I²t coupé limité plus faibles que celles que les câbles peuvent supporter. Pour des durées de défaut inférieures ou égales à 5 s, l'I²t admissible des câbles peut être déterminée par la formule :
I²t = K2 a2
Dans laquelle a est la section du conducteur du câble en millimètres carrés et K un facteur dépendant du matériau du conducteur et de la température limite de l'isolant. Les valeurs de K pour différentes combinaisons de conducteurs et d'isolants sont disponibles dans les réglementations. Les valeurs varient entre 76 pour les conducteurs en aluminium avec un isolant en PVC et 143 pour les conducteurs en cuivre avec un isolant thermodurcissable 900C.
La coordination est normalement vérifiée sur la base de la valeur I²t du fusible pour un fonctionnement en 5 s.
Il est à noter que l'I²t admissible du câble n'est pas modifiée par la durée du court-circuit. En revanche, celle du fusible augmente avec le temps de fonctionnement. Il faut donc s'assurer du fonctionnement correct en vérifiant que la valeur I²t du fusible associée avec une interruption en 5 s est plus faible que la valeur admissible du câble.
Protection des circuits avec moteurs
Les fusibles à cartouche de limitation de courant à basse tension sont généralement utilisés en conjonction avec des contacteurs à air qui protègent les moteurs à induction AC triphasés. Les fusibles assurent la protection contre les courts-circuits et doivent donc avoir un courant admissible approprié. Les courants plus faibles sont éliminés par la protection de surcharge associée aux contacteurs. Dans ces circonstances, le courant assigné des fusibles ne doit pas correspondre au courant assigné du moteur et en particulier lorsque les moteurs avec démarrage direct doivent être protégés, le choix des valeurs assignées du fusible est conditionné par sa capacité à supporter la crête du courant de démarrage qui est typiquement de 5 à 6 fois le courant de pleine charge. Cela conduit généralement à l'utilisation de fusibles gG avec des courants assignés atteignant jusqu'à deux fois le courant de pleine charge du moteur. De tels fusibles acheminent donc jusqu'à environ trois fois leur courant assigné lors du démarrage.
Les crêtes ne sont pas aussi importantes lorsque d'autres méthodes de démarrage sont utilisées, et de ce fait on utilise des fusibles avec des courants assignés plus faibles, mais ces niveaux sont tout de même dépassés lors du démarrage du moteur. Il faut aussi prendre en compte les courants transitoires élevés qui circulent avec certaines méthodes de démarrage, lors d'une transition entre une connexion et la suivante, comme lors de l'utilisation d'un démarreur étoile-triangle ou d'un démarreur rotorique à résistances.
Comme nous l'avons déjà remarqué, le fusible offre une protection contre les courts-circuits, mais pas contre les surintensités faibles. Des fusibles compacts d'accompagnement aM ou gM gamme complète sont utilisés pour cela. Ils permettent aussi une économie d'espace dans l'équipement associé et sont donc communément utilisés lorsqu'un grand nombre de démarreurs ou de centres de commande sont installés.
Pour les applications à basse tension, les exigences pour les contacteurs et les démarreurs sont disponibles dans la norme CEI 60 947-4-1. Elle comprend les exigences de coordination avec les dispositifs de protection contre les courts-circuits. Les courants de court-circuit conditionnels assignés des contacteurs et des démarreurs protégés par les dispositifs de protection contre les courts-circuits sont spécifiés. Deux types de coordination sont permis : Type « 1 » et Type « 2 ».
La coordination de type « 1 » nécessite que lors des conditions de court-circuit, le contacteur ou le démarreur ne pose aucun danger aux personnes ou aux installations et qu'éventuellement, il ne puisse pas fonctionner ultérieurement sans réparation ou remplacement de pièces.
La coordination de type « 2 » nécessite que lors des conditions de court-circuit, le contacteur ou le démarreur ne pose aucun danger aux personnes ou aux installations et qu'il puisse être utilisé tel quel ultérieurement.2 Le risque de soudure de contact est pris en compte. Dans ce cas, le fabricant doit indiquer les mesures à prendre pour l'entretien de l'équipement.
Il est clair que la coordination de type « 2 » est préférable.2 Durant les dix dernières années, les développements des contacteurs et des démarreurs ont nécessité que le dispositif de protection contre les courts-circuits ait des valeurs relativement faibles d'I²t coupé limité et de caractéristiques de courant coupé limité. Les recommandations de coordination sont fournies par les fabricants de démarreurs en accord avec la norme CEI 60947-4-1.
Le comité des normes pour fusibles à faible tension de la CEI a réalisé une étude de la coordination des fusibles avec les démarreurs et les contacteurs de moteurs et d'après une série de tests, il a été établi que la coordination de type « 2 » est réalisée en utilisant des fusibles aM, gG ou gM qui ont des valeurs I²t de préarc aux alentours de la limite basse spécifiée par la norme CEI 60269-1.
Ce comité de la CEI a produit le rapport technique CEI 61459 concernant un guide d'application à propos de la coordination entre fusibles et contacteurs/démarreurs de moteurs. La figure illustre les paramètres importants dans la région de transition des courants pour une coordination réussie entre les fusibles, les relais de surcharge et les contacteurs.
La capacité de limitation de courants importants des fusibles évite les dommages thermiques du contacteur et de son relais de surcharge associé. Elle empêche aussi les dommages mécaniques grâce au faible courant coupé limité que le fusible laisse passer. Si le contacteur et le relais n'étaient pas protégés par le fusible, les forces électromagnétiques engendrées par le courant de défaut auraient plus de chance de causer des dommages et des soudures de contact pourraient se produire. Les fabricants de démarreurs recommandent des fusibles gG ou gM appropriés pour une coordination de type « 2 ».
