Coordination entre les disjoncteurs

Seuls des essais en laboratoire permettent de déterminer et de garantir la coordination entre deux disjoncteurs.

Correspondance : CEI 60947-2 et NF EN 60947-2

Le terme de coordination concerne le comportement de deux appareils D1 et D2 placés en série dans une distribution électrique, en présence d’un court-circuit en aval de D2 (cf. Fig. H45). Il recouvre deux notions :

• la filiation ou protection d’accompagnement,

Fig. H45 – Coordination entre disjoncteurs

• la sélectivité.

  Pour déterminer et garantir la coordination entre deux disjoncteurs, il est nécessaire d’effectuer une première approche théorique et de confirmer les résultats par des essais judicieusement choisis.

  La norme CEI 60947-2 annexe A demande aux constructeurs que les résultats soient vérifiés par un grand nombre d’essais et consignés dans des tableaux.

Filiation

La technique de filiation consiste à utiliser le pouvoir de limitation des disjoncteurs en amont pour installer en aval des disjoncteurs, en général standard, ayant des performances moindres. Elle procure de ce fait une simplification et des économies pour

Définition de la filiation

En limitant la valeur crête d’un courant de court-circuit traversant, un disjoncteur limiteur permet l’utilisation, dans les circuits placés en aval de ce disjoncteur, d’appareillages ayant un pouvoir de coupure (disjoncteurs) et des caractéristiques de tenue thermique et électromécanique bien inférieurs à ceux nécessaires sans limitation.

La réduction de la taille physique et des performances requises conduit à de substantielles économies et à la simplification de la conception de l’installation. Il est à noter que :

• en conditions de court-circuit, un disjoncteur limiteur a pour effet pour les circuits situés en aval d’augmenter l’impédance de source,
• pour toutes les autres conditions de fonctionnement, il n’a aucun effet similaire, par exemple, lors d’un démarrage d’un moteur de forte puissance (pour lequel une source à faible impédance est hautement recommandée).

Les disjoncteurs de la gamme Compact NSX à haut pouvoir de limitation présentent ainsi des avantages économiques particulièrement intéressants.

Conditions de mise en œuvre

Correspondance : CEI 60947-2 et NF EN 60947-2

La plupart des normes d’installation nationales autorisent ce type d’association à condition que l’énergie que laisse passer le disjoncteur en amont ne soit pas supérieure à celle que peut supporter sans dommage le ou les disjoncteurs installés en aval bénéficiant du pouvoir de limitation du disjoncteur installé en amont.

La norme CEI 60364-5-53 § 535.2 reconnaît cette association, la norme CEI 60364-4-43 § 434.5.1 permet son application au niveau des pouvoirs de coupure.

Pour la France :

• la norme NF C 15-100 § 535.2 reconnaît cette association dans ces conditions,
• la norme NF C 15-100 § 434.5.1 permet son application au niveau des pouvoirs de coupure.

Pour déterminer et garantir la filiation entre disjoncteurs, le constructeur doit effectuer des essais judicieusement choisis. C’est ainsi que Schneider Electric a toujours pratiqué pour établir les tableaux de filiation qui sont aujourd’hui en parfait accord avec l’annexe A de la norme CEI 60947-2. A titre d’exemple, le tableau de la Figure H46 indique les possibilités de filiation des disjoncteurs iC60, DT40N, C120 et NG125 avec les disjoncteurs Compact NSX 250 N, H ou L pour un réseau triphasé 230-240/400-415 V.

Fig. H46 – Exemple de possibilités de filiation pour un réseau triphasé 230-240/400-415 V

	kA eff.
Pouvoir de coupure du disjoncteur limiteur en amont	150			NSX250L
	70		NSX250H
	50	NSX250N
Pouvoir de coupure renforcé par filiation du disjoncteur en aval	150			NG125L
	70		NG125L
	36	NG125N	NG125N
	30	iC60N/H<=32A	iC60N/H<=32A	iC60N/H<=32A
	30	iC60L<=25A	iC60L<=25A	iC60L<=25A
	25	iC60H>=40A C120N/H	iC60H>=40A C120N/H	iC60H>=40A C120N/H
	20	iC60N>=40A	iC60N>=40A	iC60N>=40A

Avantages de la filiation

Une sélectivité peut-être de type ampèremétrique, chronométrique ou énergétique, et alors être partielle ou totale, ou encore de type logique. Le système SELLIM (brevet Schneider Electric) associe les avantages de la sélectivité et de la limitation.

La limitation du courant se faisant tout au long des circuits contrôlés par le disjoncteur limiteur, la filiation concerne tous les appareils placés en aval de ce disjoncteur. Elle n'est donc pas restreinte à 2 appareils consécutifs et peut être utilisée entre disjoncteurs situés dans des tableaux différents. Il en résulte que l'installation d'un seul disjoncteur limiteur peut engendrer des simplifications et des économies importantes pour toute l'installation aval :

• simplification des calculs de courants de court-circuit en aval, ces courants étant fortement limités,
• simplification du choix des appareils,
• économie sur ces appareils, puisque la limitation des courants de court-circuit permet d'utiliser des appareils moins performants, donc moins chers,
• économie sur les enveloppes, puisque les appareils moins performants sont en général moins encombrants.

Sélectivité

Il y a sélectivité des protections si un défaut, survenant en un point quelconque du réseau, est éliminé par l'appareil de protection placé immédiatement en amont du défaut et lui seul (cf. Fig. H47). L’étude de sélectivité décrite ci-après utilise la terminologie de la CEI 60947-2 pour les différents seuils de déclenchement (voir § 4.2).

Fig. H47 – Sélectivité totale et partielle

La sélectivité entre deux disjoncteurs D1 et D2 est totale si D2 fonctionne pour toute valeur de court-circuit jusqu’au courant de court-circuit franc triphasé au point où il est placé (cf. Fig. H48).

Fig. H48 – Sélectivité totale entre les disjoncteurs D1 et D2

La sélectivité est partielle si D2 fonctionne seul jusqu’à un courant de court-circuit présumé Is inférieur à Icc D2. Au-delà de cette valeur, D1 et D2 fonctionnent simultanément (cf. Fig. H49).

Fig. H49 – Sélectivité partielle entre les disjoncteurs D1 et D2

Principe de la sélectivité selon le type de protection

Protection contre les courants de surcharge : sélectivité ampèremétrique

La sélectivité ampèremétrique est fondée sur l’étagement des niveaux des courants (cf. Fig. H50a).

• Cette technique repose sur le décalage en intensité (vers la droite) des courbes de protection : le réglage de la protection en amont est toujours plus élevé que celui de la protection en aval.
• Cette technique utilisée seule assure une sélectivité totale lorsque le courant présumé de défaut Icc D2 est suffisamment faible (distribution terminale) pour être inférieur au magnétique fixe (ou au seuil de réglage de la protection Court retard) du disjoncteur en amont Isd D1 (la limite de sélectivité est Is = Isd D1).

  Une règle simple pour obtenir une sélectivité totale dans le cas général :

• Ir D1/Ir D2 > 2 ,
• Isd D1 > Isd D2.

Protection contre les courants de court-circuit de faible valeur : sélectivité chronométrique

La sélectivité chronométrique est fondée sur l’étagement des temporisations (cf. Fig. H50b).

Cette technique repose sur le décalage en temps (décalage vers le haut) des courbes de protection :

• le retard intentionnel (∆t), ou la différence des retards intentionnels, entre les déclenchements des disjoncteurs est suffisant pour assurer la sélectivité,
• les seuils des protections Court retard sont aussi suffisamment étagés.

  Cette technique de sélectivité ne peut pas être utilisée seule en BT : elle doit être associée à la technique de sélectivité précédente. La sélectivité est totale lorsque le courant présumé de défaut Icc D2 est inférieur au seuil de réglage de la protection Instantané du disjoncteur en amont Ii D1 (cas du disjoncteur général en amont des disjoncteurs principaux dans les TGBT)

  Combinaison de ces deux techniques (cf. Fig. H50c).

  La règle pour obtenir une sélectivité totale dans le cas général

• Ir D1/Ir D2 > 2,
• Isd D1/Isd D2 > 2,
• ∆t D1 > ∆t D2 (généralement 50% de différence est suffisant),
• Icc D2 < Ii D1.

Fig. H50 – Sélectivité

• 

  [a] Ampèremétrique

• 

  [b] Chronométrique

• 

  [c] Combinaison des 2 techniques

Protection contre les courants de court-circuit de forte valeur : sélectivité énergétique

La sélectivité énergétique repose sur la capacité du disjoncteur aval D2 à limiter l’énergie le traversant à une valeur inférieure à celle nécessaire pour provoquer le déclenchement du disjoncteur amont D1.

Aucune règle générale ne peut être établie : seuls des essais conformément aux normes CEI 60947-1 et -2 peuvent garantir une telle sélectivité

Synthèse des techniques de sélectivité

Sélectivité ampèremétrique 

(cf. Fig. H51) 

• Is = Isd D2 si les seuils de la protection Court retard des deux disjoncteurs, Isd D1 et Isd D2, sont égaux ou très proches,
• Is = Isd D1 si les seuils de la protection Court retard des deux disjoncteurs, Isd D1 et Isd D2, sont suffisamment éloignés.

Qualité de la sélectivité

La sélectivité est totale si Icc2 < Isd D1

Cela implique :

• un faible niveau du courant de court-circuit Icc2,
• une différence importante entre les calibres des disjoncteurs.

La sélectivité ampèremétrique seule est utilisée dans la distribution terminale.

Une règle simple, la sélectivité ampèremétrique est pleinement réalisée si

• Ir D1 / Ir D2 > 2,
• Isd D1 / Isd D2 > 2.

La limite de sélectivité est :

• Is = Isd D1.

Fig. H51 – Sélectivité ampèremétrique

Sélectivité chronométrique

(cf. Fig. H52)

Les seuils (Ir D1, Isd D1) de D1 et (Ir D2, Isd D2) de D2 respectent les règles d’étagement de la sélectivité ampèremétrique.

La limite de sélectivité Is :

• Is ≤ Ii D1 sur les départs terminaux et/ou divisionnaires.

  Des disjoncteurs de catégorie A (suivant CEI 60947-2) en aval peuvent être utilisés avec des disjoncteurs légèrement temporisés en amont.

  Cela permet de prolonger la sélectivité ampèremétrique jusqu’au seuil de protection Instantané Ii1 du disjoncteur en amont.

• Is ≥ Icw D1 sur les arrivées et les départs du TGBT.

  A ce niveau, la continuité de service étant prioritaire, les caractéristiques de l’installation permettent l’utilisation de disjoncteurs de catégorie B (suivant CEI 60947-2) conçus pour un déclenchement temporisé.

  Ces disjoncteurs ont une tenue thermique élevée (Icw ≤ 50 % Icu pour ∆t = 1s).

Qualité de la sélectivité

La sélectivité est totale si :

• sur les départs terminaux et/ou divisionnaires avec des disjoncteurs en amont de catégorie A : Icc D2 < Ii D1

Nota : le courant de court-circuit Icc D2 n’est pas trop élevé.

• sur les arrivées et les départs du TGBT avec des disjoncteurs en amont de catégorie B : Icc D2 ≥ Icw D1

  Même pour des Icc D2 importants, la sélectivité chronométrique assure une sélectivité totale.

Nota : L’utilisation de disjoncteurs de catégorie B impose à l’installation de supporter des contraintes électrodynamiques et thermiques importantes.

De ce fait, ces disjoncteurs ont un seuil instantané Ii élevé, réglable et inhibable, pour protéger éventuellement les jeux de barres.

Fig. H52 – Sélectivité chronométrique

Sélectivité énergétique

• Avec les disjoncteurs traditionnels.

  Lorsque la filiation est mise en œuvre entre deux appareils, elle se fait par le déclenchement du disjoncteur en amont D1 pour aider le disjoncteur en aval D2 à couper le courant.

  La limite de sélectivité a une valeur Is au maximum égale au pouvoir de coupure Icu D2 du disjoncteur en aval (car au delà les deux disjoncteurs déclenchent pour assurer la filiation).

• Grâce à la limitation de courant avec Compact NSX

  La technique de coupure mise en œuvre sur les courants de court-circuit élevés permet d’augmenter naturellement la limite de sélectivité :

  • le disjoncteur D2 (Compact NSX) en aval voit un courant de court-circuit très important. Le déclenchement réflexe le fait ouvrir très rapidement (< 1 ms) avec une très forte limitation du courant de défaut,
  • le disjoncteur D1 (Compact NSX) en amont voit un courant de défaut très limité.

Ce courant génère une répulsion des contacts. Cette répulsion entraîne une tension d’arc limitant encore plus le courant de court-circuit. Mais la pression d’arc est insuffisante pour provoquer le déclenchement réflexe. Ainsi D1 (Compact NSX) aide D2 (Compact NSX) à couper le courant sans déclencher.

La limite de sélectivité Is peut dépasser le pouvoir de coupure IcuD2 du disjoncteur en aval et atteindre le pouvoir de coupure renforcé par filiation.

La sélectivité devient alors totale avec un coût optimisé d’appareils.

Qualité de la sélectivité avec Compact NSX

L’avantage principal des disjoncteurs Compact NSX est de rendre naturelle la sélectivité totale (indépendamment de la valeur du courant de court-circuit Icc D2) dès que :

• l’étagement des réglages Long retard et Court retard est ≥ 1,6,
• l’étagement des calibres nominaux (taille des boîtiers) des appareils est ≥ 2,5.

Une règle simple, la sélectivité entre les disjoncteurs Compact NSX est totale dès que leur rapport de taille est ≥ 2,5.

• Exemple pratique de sélectivité à plusieurs niveaux avec des disjoncteurs Schneider Electric (équipés de déclencheurs électroniques).

  Le disjoncteur Masterpact NT est totalement sélectif avec n’importe lequel des disjoncteurs de la gamme Compact NSX c’est à dire le disjoncteur en aval déclenche seul pour toute valeur de courant de court-circuit jusqu’à son pouvoir de coupure.

  De plus, tous les disjoncteurs Compact NSX sont totalement sélectifs entre eux dès que

  • le rapport entre les tailles de boîtier est 2,5,
  • le rapport entre les réglages des protections est de 1,6.

La même règle s’applique pour la sélectivité totale avec les disjoncteurs modulaires Acti 9 installés en aval (cf. Fig. H53).

Fig. H53 – Quatre niveaux de sélectivité avec les disjoncteurs Schneider Electric : Masterpact NT Compact NSX et Acti 9

Sélectivité logique ou “Zone Sequence Interlocking – ZSI”

La sélectivité logique n'est réalisable qu'avec des disjoncteurs équipés de déclencheurs électroniques conçus à cette fin (Compact, Masterpact).

Ce type de sélectivité est réalisable avec des disjoncteurs équipés de déclencheurs électroniques conçus à cette fin (Compact, Masterpact). Seules les fonctions de protection Court retard ou de protection Terre (GFP) des appareils pilotés sont gérées par la Sélectivité Logique qui nécessite la mise en oeuvre d'un fil pilote reliant tous les dispositifs de protection placés en cascade dans une installation.

En particulier, la fonction protection Instantané - fonction de protection intrinsèque - n’est pas concernée.

Réglages des disjoncteurs pilotés

• temporisation : il est nécessaire de respecter l’étagement des temporisations de la sélectivité chronométrique (∆t D1 ≥ ∆t D2 ≥ ∆t D3),
• seuils : il est nécessaire de respecter l’étagement naturel des calibres des protections (Isd D1 ≥ Isd D2 ≥ Isd D3).

Nota : Cette technique permet d’obtenir une sélectivité même avec des disjoncteurs de calibres proches.

Principes

L’activation de la fonction Sélectivité Logique se fait par la transmission d’informations sur le fil pilote :

entrée ZSI 

• niveau bas (absence de défaut en aval) : la fonction de protection est en veille avec une temporisation réduite (≤ 0,1 s),
• niveau haut (présence de défaut en aval) : la fonction de protection concernée passe à l’état de la temporisation réglée sur l’appareil.

Qualité de la sélectivité

Cette technique permet :

• de réaliser en standard la sélectivité sur trois niveaux ou plus,
• dans le cas d’un défaut directement sur le jeu de barres amont, d’éliminer les contraintes importantes sur l’installation liées à l’utilisation de disjoncteurs à déclenchement temporisé afin d’obtenir une sélectivité chronométrique :

  En sélectivité logique, tous les disjoncteurs sont "virtuellement" à déclenchement instantané.

• de réaliser une sélectivité classique en aval avec des disjoncteurs non pilotés (par la sélectivité logique).

sortie ZSI 

• niveau bas : le déclencheur ne détecte pas de défaut, n’envoie par d’ordre,
• niveau haut : le déclencheur détecte un défaut, envoie un ordre.

Fonctionnement

Un fil pilote relie en cascade les dispositifs de protection d’une installation (cf. Fig. H54). Lorsqu’un défaut apparaît, chaque disjoncteur, qui détecte le défaut envoie un ordre (sortie à niveau haut) pour faire passer le disjoncteur situé juste en amont à sa temporisation naturelle (entrée à niveau haut).

Le disjoncteur placé juste au dessus du défaut ne reçoit pas d’ordre (entrée niveau bas) et de ce fait déclenche quasi instantanément.

Fig. H54 – Sélectivité logique