DC breaker : Disjoncteurs pour applications courant continu 24 – 48 V

Le courant continu est utilisé depuis longtemps et dans de nombreux domaines.
Il apporte d’importants avantages, notamment d’immunité aux perturbations électriques.
De plus, les installations courant continu sont maintenant simplifiées car elles bénéficient du développement des alimentations avec convertisseurs électroniques et des batteries.

> Réseau de communication ou de mesure :
– Réseau téléphonique commuté 48 V DC.
– Boucle de courant 4-20 mA.

> Alimentation électrique des automates programmables industriels :
– API et périphériques (24 ou 48 V DC).

> Alimentation auxiliaire à courant continu secourue :
– Les relais ou unités de protection électronique des cellules HT.
– Les déclencheurs d’ouverture / fermeture d’appareillage.
– Des relais BT de contrôle commande.
– Des voyants de signalisation.
– Des motorisations de disjoncteur ou d’interrupteur.
– Des bobines de contacteur de puissance.
– Des appareils de contrôle-commande et supervision avec communication et pouvant être alimentés à travers une alimentation secourue séparée.

> Application éolienne 24 à 48 V DC :
– Résidences isolées.
– Cabanons, bungalows, refuges de montagne.
– Pompage, éclairage public.
– Appareils de mesure, acquisition de données.
– Relais de télécommunications.
– Applications industrielles.

Les types de réseaux à courant continu

Suivant les types de réseaux continus représentés ci-dessous, on peut identifier les risques encourus par l’installation et définir le meilleur moyen de protection.

Pour toutes ces configurations Schneider Electric propose une solution de protection unique qui ne dépend que du besoin en courant nominal In et de l’intensité de court-circuit Icc au point de l’installation concernée.
Le second point important dans la solution Schneider Electric, est que la protection est réalisée par des disjoncteurs non-polarisés pouvant fonctionner efficacement quel que soit le sens du courant continu.

Solution de protection courant continu 24 – 48 V

Les performances indiquées dans les tableaux ci-dessous correspondent aux défauts les plus critiques suivant la configuration du réseau.
> Coupure sur un pôle.
> Défaut entre polarité et terre (Défaut A).

Solution standard en fonction du réseau et des besoins de l’installation (In / Icc)
En plus des paramètres que nous allons voir dans les pages suivantes, les tableaux suivants permettent de visualiser l’offre de disjoncteurs en fonction du courant nominal de la charge et du courant de court- circuit au point de l’installation.
> Calibre du disjoncteur.
> Pouvoir de coupure du disjoncteur.

Solution 1 pôle protégé (1P)

Solution 2 pôles protégés (2P)

Solution 1 pôle protégé (1P+N)
Utilisation particulière de la gamme iDPN dans un réseau avec une polarité reliée à la terre et le sectionnement des 2 pôles : solution compacte (1P+N en 18 mm).

Les contraintes liées aux applications “courant continu”

En courant continu les inductances et les capacités ne perturbent pas le fonctionnement de l’installation en régime établi. Les capacités sont chargées et les inductances ne s’opposent plus à une variation du courant.
Par contre elles créent des phénomènes transitoires lors des manœuvres d’ouverture ou de fermeture du circuit, pendant lesquelles le courant varie.
Les charges réelles possèdent les deux caractéristiques et génèrent des phénomènes oscillatoires.

Nature de la charge
Charge inductive
Une charge inductive aura tendance à allonger la durée de coupure ou d’établissement du courant car l’inductance L s’oppose alors à la variation du courant (Ldi/dt).
Le phénomène transitoire sera caractérisé essentiellement par une constante de temps imposée par la charge et dont la valeur correspond à peu près à la durée de coupure ou fermeture que devra supporter l’appareillage.
En outre, lors de la coupure ce dernier devra pouvoir supporter un supplément d’énergie emmagasiné dans la self pendant le régime établi.
Une charge inductive nécessite donc une attention particulière vis à vis de sa constante de temps.
Une valeur faible (typiquement < 5 ms) facilite la coupure.

Charge capacitive
Une charge capacitive provoquera lors d’une manœuvre de fermeture un appel de courant du à la charge du condensateur, pratiquement en court-circuit au début du phénomène.
A l’ouverture il tendra à se décharger.
La constante de temps est en général très faible (< 1 ms) et son effet est secondaire par rapport à l’appel de courant. Une charge capacitive nécessitera une attention particulière sur les pointes de courant d’appel ou de décharge.

Constante de temps L/R

Lors de l’apparition d’un court-circuit aux bornes d’un circuit à courant continu, le courant croit de l’intensité d’utilisation (< In) à l’intensité de court-circuit Icc dans un temps qui dépend des valeurs de la résistance R et d’inductance L de la boucle en court-circuit. L’équation qui régit le courant dans cette boucle est : U = Ri + Ldi/dt. L’établissement du courant court-circuit se ramène (en négligeant In devant Icc) à une loi de la forme : i = Icc (1 - exp(-t/τ)), où τ = L/R est la constante de temps d’établissement du court-circuit. En pratique, on considère qu’au bout d’un temps t = 3t le court-circuit est établi, la valeur de exp(-3) = 0,05 étant négligeable devant 1. L’établissement d’un court-circuit est ainsi d’autant plus rapide que la constante de temps correspondante est faible (ex : circuit de batterie).

En général, la valeur de la constante de temps du réseau est calculée dans le cas le plus défavorable, aux bornes du générateur.

Les courbes de déclenchement

Comme en courant alternatif, on peut choisir une solution en fonction des courants d’appels générés par les charges.
En courant continu on obtient les mêmes courbes de déclenchement thermique qu’en alternatif. C’est uniquement les seuils magnétiques qui sont décalés d’un coefficient √2 par rapport aux courbes en alternatif.

Caractéristiques des différentes courbes et leurs applications :

Exemple
Protection du cable 4 mm² alimentant une charge à In = 30 A avec un calibre 32 A et une courbe de déclenchement permettant d’absorber le courant de démarrage de cette dernière.

Continuité de service des solutions

Sélectivité des protections en courant continu
La sélectivité est un élément essentiel qui doit être pris en compte dès la conception d’une installation base tension pour permettre une continuité de service de l’énergie électrique.
La sélectivité consiste à assurer la coordination entre deux disjoncteurs placés en série, de telle sorte qu’en cas de défaut seul le disjoncteur placé immédiatement en amont du défaut déclenche.

Il est défini un courant Is de sélectivité tel que :
> I défaut < Is : seul D2 élimine le défaut, sélectivité assuré. > I défaut > Is : les deux disjoncteurs peuvent déclencher, sélectivité non assurée.

La sélectivité peut être partielle ou totale jusqu’au pouvoir de coupure du disjoncteur aval. Pour une sélectivité totale, il faut que les caractéristiques de l’appareil amont soient au-dessus de celles de l’appareil aval.
Comme pour le courant alternatif, on retrouve les mêmes principes de conception des installations en courant continu. Seules les valeurs limites des courants changent dans l’utilisation en courant continu.

On retrouve ainsi les mêmes notions de sélectivité :
> Totale : jusqu’au pouvoir de coupure de l’appareil aval. Les essais Schneider Electric ont été réalisés jusqu’à 25 kA ou 50 kA suivant le pouvoir de coupure des appareils concernés.
> Partielle : indication du courant limite de sélectivité Is. En dessous de cette valeur la sélectivité est assurée, au-dessus l’appareil amont participe à la coupure.
> Nul : aucune sélectivité assurée, les disjoncteurs amont et aval déclencheront.

Coordination avec les charges

Le choix des caractéristiques du disjoncteur dépend du type de charge en aval de l’installation.
Le calibre en fonction de la taille des câbles à protéger et les courbes en fonction du courant d’appel des charges.

Choix du produit en fonction de l’appel de courant de la charge
Lors de la mise en service de certaines charges “capacitives” on observe de très grands courants d’appel sur les premières millisecondes de fonctionnement.
Les graphiques suivants montrent les courbes moyennes de non déclenchement en continu des produits Schneider Electric pour cette plage de temps (50 µs à 10 ms).

Ces informations permettent de choisir en fonction des caractéristiques de la charge, le produit le mieux adapté : courbe et calibre.

Exemple
Dans le cas de l’utilisation d’un iC60 avec une charge ayant des pics de courant de l’ordre de 200 In au cours de 0,1 premières millisecondes, un produit de courbe C ou D devra être installé.

La protection des personnes

Pour cette plage de tension (24-48 V DC), la protection des personnes (protection différentielle) n’est pas obligatoire.
En effet, d’après les normes en vigueur, la valeur minimale du courant de fibrillation If ventriculaire chez l’homme est de l’ordre de 25 mA en courant alternatif (50 Hz) alors qu’il est au delà de 50 mA en courant continu.
Le tableau ci-dessous reprend les données en fonctions des normes et des conditions:

Avec Z correspondant à l’impédance de l’être humain dans les différents types d’environnement, If le courant traversant le corps et Uf la tension de contact minimale pour atteindre le courant de mise en danger.
Dans des conditions normales d’utilisation, cette plage de tension (< 50 V) n’est donc pas dangereuse pour l’homme.

Exemples d’applications

Applications industrielles
Contrôle des cuves agro-alimentaires avec des convertisseurs pour sondes et autres capteurs 24 V DC
> Réseau isolé :
– Icc = 25 kA.
– In = 40 A.

iC60L 2P 40 A + convertisseurs 24 V

Pilotage de la mesure du processus industriel par des relais de contrôle 12/24/48 V DC
> Réseau isolé :
– Icc = 20 kA.
– In = 40 A.

iC60H 2P 40 A + relais statiques DC

Protection de l’alimentation par générateur de courant continu 24 V DC
> Réseau mis à la terre :
– Icc = 10 kA / In = 63 A.
– Icc = 10 kA / In = 20 A.

iC60N 2P 63 A + iC60N 2P 20 A + charges DC

Applications tertiaires
Distribution en contrôle commande de l’éclairage de sécurité d’un centre commercial 48 V DC
> Réseau point milieu :
– Icc = 20 kA.
– In = 125 A.

NG125H 3P 125 A+ contacteurs de puissance

Aéroport, éclairage de sécurité pour balisage des pistes 48 V DC
> Réseau isolé :
– Icc = 50 kA.
– In = 80 A.

NG125L 2P 80 A + télérupteurs

Protection du réseau Phaseo de courant continu 24 V DC
> Réseau mis à la terre :
– Icc1 = 10 kA / In = 40 A.
– Icc2 = 10 kA / In = 2/4/6 A.

iC60N 2P 40 A + iC60N 2P 2/4/6 A + entrées automate + charges DC

La solution coupure réseau Phaseo permet l’alimentation en 24 V DC de l’installation (ou d’une partie) en cas de coupure de la tension réseau :
> Pendant toute la durée de la coupure afin de permettre la continuité de service de l’installation.
> Pendant un temps limité afin de permettre :
– La sauvegarde de données.
– La mise en position de repli d’actionneurs.
– La mise en route d’un groupe électrogène.
– L’arrêt des systèmes d’exploitation.
– La transmission de données de télésurveillance.