Comment bien choisir son disjoncteur ?

Les disjoncteurs sont partout. Si une technologie, un produit ou un équipement fonctionne à l’électricité, il y a de fortes chances qu’il contienne au moins un disjoncteur pour assurer la sécurité des utilisateurs et des composants internes. Un disjoncteur est un dispositif qui ouvre automatiquement un circuit pour arrêter le passage du courant lorsqu’un courant de surcharge prédéterminé est détecté. Il le fait sans s’endommager, de sorte qu’il peut être réarmé lorsque le courant revient à la normale. Le courant de surcharge peut se produire pour de nombreuses raisons, mais il est potentiellement dangereux pour le personnel et les équipements. Cela est vrai pour les applications électriques dans les milieux marins, les véhicules, les programmes militaires, les équipements de télécommunication et de datacom, l’automatisation industrielle, les appareils ménagers, le CVC et les énergies renouvelables, pour n’en citer que quelques-uns.

Types de disjoncteurs

Avec une telle variété d’applications pour les disjoncteurs, il n’est pas surprenant qu’il existe une grande variété de conceptions et de capacités adaptées à tous les besoins. Les ingénieurs qui choisissent des disjoncteurs doivent tenir compte des homologations requises par leur secteur d’activité, du courant et de la tension nominaux nécessaires, du type d’entrée électrique que le disjoncteur verra, de la capacité d’interruption souhaitée, ainsi que des délais ou des protections d’appel élevées nécessaires. Ces besoins détermineront la technologie globale du disjoncteur à utiliser, ainsi que les détails des capacités du disjoncteur que votre Fournisseur de matériel électrique pourra vous procurer. Il existe trois grandes catégories de disjoncteurs : hydraulique-magnétique , thermique, et fuite d’équipement et défaut de terre.

Disjoncteur Hydraulique-magnétique

Les disjoncteurs hydrauliques-magnétiques se composent d’une bobine de détection de courant en série avec un ensemble de contacts. La bobine entoure un tube à retard non magnétique. Le tube, à son tour, contient un noyau de fer mobile sollicité par un ressort. L’ensemble de la bobine forme un électro-aimant. Lorsque les contacts sont fermés, le courant circule dans la bobine et crée un champ magnétique. Le champ magnétique agit sur le noyau dans le tube à retard selon la règle de la main droite, l’attirant au centre de la bobine. L’augmentation du courant renforce le champ magnétique et, par conséquent, la force avec laquelle le noyau est attiré dans la bobine. Au fur et à mesure que le noyau pénètre dans la bobine, le volume accru de métal magnétique intensifie le champ magnétique, ce qui augmente la force électromagnétique. En cas de surintensité, le noyau est attiré avec encore plus de force dans le noyau et vers la pièce polaire. Une fois que le noyau est entièrement dans la bobine, l’armature est attirée magnétiquement vers la pièce polaire. L’armature se déplace, déverrouillant le mécanisme de déclenchement et ouvrant les contacts pour couper le circuit. La partie « hydraulique » de cette technologie de disjoncteur fait référence au fluide contenu dans le cylindre non magnétique qui contient le noyau magnétique. La viscosité de ce fluide détermine si le disjoncteur subit un retard court, moyen ou long dans sa réaction aux courants dépassant le seuil de déclenchement. Ce dispositif est souvent utilisé lorsque le courant peut fluctuer, mais pas au point d’endommager l’équipement, ou, plus couramment, sur un équipement qui nécessite un fort courant d’appel, comme un moteur électrique. Les courts-circuits créent une condition de surintensité instantanée, une accumulation immédiate de champ magnétique et un déclenchement instantané, quel que soit le type de retard. Les disjoncteurs hydrauliques-magnétiques ont l’avantage d’être largement insensibles aux changements de température ambiante. La bobine de détection du courant n’est pas sensible à la température ; la viscosité du fluide hydraulique varie avec la température, de sorte que la courbe de retardement peut changer légèrement lorsque la température augmente ou diminue. En outre, ces disjoncteurs n’ont pas besoin de se réchauffer pour obtenir la courbe de retardement souhaitée. Ils peuvent également être réinitialisés immédiatement après la correction d’une condition de surcharge. Ce type de disjoncteur est couramment utilisé dans les applications de centres de données et de télécommunications, les applications haute tension comme les installations d’énergie renouvelable et les véhicules électriques, et dans les environnements à température extrême.

Disjoncteur Thermique

Les disjoncteurs thermiques utilisent une bande bimétallique électriquement en série avec le circuit. Lorsque le courant augmente, la bande devient plus chaude, mais un métal se déforme davantage que l’autre en réponse au changement de température. Cette déformation inégale fait plier toute la bande, ce qui coupe le circuit et déclenche le disjoncteur. Ce disjoncteur de conception simple peut être facilement réarmé après le déclenchement. Il peut également servir d’interrupteur principal pour le circuit. Son principal inconvénient, cependant, est que son fonctionnement est affecté par la température ambiante. Lorsque le milieu ambiant est chaud, le disjoncteur subit des déclenchements intempestifs à des courants inférieurs à son point de consigne souhaité. De même, le disjoncteur peut ne pas se déclencher au seuil de courant souhaité si la température ambiante est trop basse. Ces disjoncteurs simples se trouvent souvent dans le cadre d’un ensemble de disjoncteurs, qui peut également comprendre un disjoncteur magnétique pour réagir aux conditions de court-circuit et un actionneur pour engager ou désengager manuellement le circuit.

Fuite d’équipement et défaut de terre

Les disjoncteurs à fuite d’équipement et à défaut de terre combinent la fonction d’un disjoncteur à défaut de terre (GFCI) avec la protection réglable contre les surintensités d’un disjoncteur hydraulique-magnétique. Les disjoncteurs GFCI comparent le courant qui retourne à l’alimentation (neutre) à celui qui quitte l’alimentation (phase). La polarité de l’enroulement de phase et de l’enroulement neutre étant opposée, un courant égal dans chacun d’eux, indiquant un fonctionnement normal, produirait des forces électromotrices (FEM) positives et négatives qui s’annulent exactement. Si un courant fuit vers la terre, une force électromotrice résultante non nulle est détectée par l’électronique du disjoncteur et entraîne un déclenchement qui stoppe le flux de courant. Ce système de détection du courant est extrêmement sensible, ce qui permet aux disjoncteurs de placer les équipements en mode de circuit ouvert sécurisé en cas de défaut à la terre qui ne déclencherait pas normalement un disjoncteur standard. L’électronique allume également une LED lors du déclenchement pour montrer aux utilisateurs que le déclenchement est dû à une fuite à la terre et non à une surintensité. Le fait de pouvoir diagnostiquer rapidement la cause d’un déclenchement permet d’éviter de graves dégâts matériels et de réduire les risques d’incendie. Ces disjoncteurs sont couramment utilisés dans les applications marines pour la protection contre les défauts à la terre de la branche CA. Ils peuvent également être utilisés avec des générateurs portables et des circuits principaux à courant alternatif.

Applications avancées des disjoncteurs

Chaque technologie de disjoncteur remplit une niche spécifique lorsqu’il s’agit de protéger les circuits et les équipements. Aujourd’hui, les disjoncteurs sont plus que jamais nécessaires, car les appareils sont de plus en plus dépendants de l’électronique intelligente et connectés à l’Internet des objets. Les applications croissantes et émergentes s’appuient sur les disjoncteurs, notamment ceux de la catégorie Hydraulique-Magnétique, pour protéger les appareils électroniques sensibles et maintenir l’alimentation en toute sécurité de leurs applications. Les centres de données, les installations d’énergie solaire, les environnements difficiles et les technologies émergentes ne sont que quelques-uns des domaines où les disjoncteurs intelligents font la différence.

Unités de distribution d’énergie pour centres de données

Les centres de télécommunications et de données doivent faire rentrer beaucoup d’équipements dans un petit espace, notamment les unités de distribution d’énergie (PDU) qui envoient l’énergie aux serveurs. Les PDU, à leur tour, ont besoin de disjoncteurs pour protéger les appareils électroniques sensibles contre les courts-circuits et les surintensités. Dans ces espaces confinés, les risques d’incendie et de surchauffe sont de réelles préoccupations. Les ingénieurs qui construisent des centres de données recherchent des disjoncteurs compacts, à profil bas, à un ou deux pôles, qui fonctionnent normalement entre 1 et 30 ampères. En raison de la quantité d’énergie utilisée dans ces centres, les disjoncteurs des unités PDU doivent pouvoir interrompre jusqu’à 10 000 ampères en cas de court-circuit. Les centres de données doivent également se conformer aux exigences de l’industrie, telles que UL 489 en Amérique du Nord et IEC EN60947-2 en Europe. Par exemple, la norme UL 489 exige des barrières de bornes et un espacement minimum entre les composants. Dans certains centres de données, les ingénieurs peuvent gagner de l’espace avec un disjoncteur qui sert également de transformateur de courant, capable de surveiller le courant avec une précision de 99 % et de signaler à distance la puissance consommée par chaque appareil connecté à la PDU. De tels transformateurs maximisent également l’efficacité de la distribution de l’énergie et facilitent les ajustements de la charge.

Installations d’énergie solaire

Les installations d’énergie solaire collectent l’électricité créée par un réseau de cellules photovoltaïques et la canalisent vers un point central. Les boîtes de combinaison qui recueillent les flux provenant de différents panneaux voient des tensions et des courants continus élevés. Les circuits de ces boîtes, ainsi que ceux des interrupteurs d’arrêt d’urgence, ont besoin de disjoncteurs pour se protéger des surintensités qui peuvent présenter un risque d’incendie susceptible d’endommager des équipements coûteux et de se propager rapidement dans des installations sans personnel. Pour ces réseaux, les ingénieurs recherchent des disjoncteurs hydrauliques et magnétiques qui fonctionnent avec peu de variation à la fois aux températures élevées et basses que l’installation rencontre en raison de son exposition aux éléments. Certains modèles fonctionnent sans problème entre -40°C et 85°C. Les disjoncteurs compacts contribuent à réduire la taille des boîtiers électroniques. Les disjoncteurs doivent également gérer des courants compris entre 1 et 125 ampères et des tensions de 600 VDC ou plus. À ces niveaux de fonctionnement élevés, l’arc généré lorsque le courant est interrompu peut créer une chaleur importante s’il n’est pas correctement contrôlé. Certaines conceptions utilisent une configuration de bornes qui augmente le flux magnétique. Le champ magnétique puissant qui en résulte pousse l’arc dans la chambre d’arc du disjoncteur. Les plaques de séparation de l’arc dotées de parois de pressurisation intégrées transfèrent rapidement la chaleur hors de l’arc, empêchant ainsi la surchauffe et favorisant l’extinction complète de l’arc. Les disjoncteurs utilisés dans ces environnements doivent répondre aux normes industrielles telles que UL489, UL489B et TUV EN60947-2.

Disjoncteur et environnements difficiles

Les équipements qui doivent fonctionner dans un environnement marin, en plein air ou hors route ont besoin d’une électronique capable de gérer des conditions difficiles. De nombreuses applications militaires nécessitent également des équipements capables de résister à des environnements difficiles afin que les pièces soient prêtes à tout. Indépendamment de ce qui se trouve dans l’environnement difficile (projections d’eau, eau salée, poussière ou humidité), ces applications ont besoin de composants électroniques étanches. Les ingénieurs qui spécifient un disjoncteur pour de telles applications recherchent souvent des unités dotées de joints à la fois sur le panneau et sur le basculeur. Ces unités sont suffisamment étanches pour obtenir un indice de protection IP68. Le « 6 » indique que la pièce est complètement étanche à la pénétration de particules solides, tandis que le « 8 » indique qu’elle peut être immergée jusqu’à 1,5 m de profondeur pendant 30 minutes sans dommage. Pour les applications militaires, une spécification parallèle est MIL-PRF-39019F. Les disjoncteurs qui répondent aux exigences des applications militaires en utilisant des pièces du commerce (COTS) sont également conformes aux normes MIL-PRF-55629 et MIL STD 202 qui testent également la résistance aux vibrations et aux chocs. Cette conformité garantit qu’ils peuvent résister à des excursions de 0,060 pouce de vibrations de 10 à 55 Hz et à des vibrations de 10 g, de 55 à 500 Hz, ainsi qu’à des chocs de 100 g, 6 ms, tous deux au courant nominal. Les environnements difficiles comprennent également de larges plages de températures de -40°C à 85°C et des chocs thermiques tels que des augmentations soudaines de -55°C à +25°C ou des diminutions de +85°C à +25°C. Les disjoncteurs hydrauliques-magnétiques excellent dans ce domaine en raison de leur insensibilité aux variations de température. En raison de la grande variété d’applications qui doivent fonctionner dans des environnements difficiles, les fabricants de disjoncteurs fabriquent des unités robustes et étanches comportant jusqu’à trois pôles et conçues pour gérer entre 0,2 et 30 ampères avec une variété d’options de tension.

Disjoncteur et industries émergentes

Le monde de l’électronique évolue plus rapidement que jamais. Des produits autrefois futuristes tels que les véhicules hybrides gaz-électricité sont désormais courants , et les véhicules purement électriques et les composants de bâtiments intelligents deviennent omniprésents. Si ces applications sont diverses, elles ont néanmoins des points communs. Les ingénieurs des secteurs des véhicules électriques et des bâtiments intelligents recherchent des produits compacts, légers et nécessitant peu d’entretien. La possibilité de transmettre des données sur l’utilisation du courant et d’autres informations est également utile dans ces applications. Certains disjoncteurs répondent à ces besoins en fournissant des dispositions de montage sur rail DIN avec des connecteurs de bus à bornes et des contacts auxiliaires en option. Ces contacts auxiliaires peuvent alimenter des voyants lumineux pour signaler à distance l’état du disjoncteur. Ces appareils sont équipés de contacts à frottement pour une plus longue durée de vie. Ils sont également conformes aux normes UL 489 et UL 1077 ainsi qu’aux codes cUL, TUV, CSA et CCC pertinents. Ces disjoncteurs peuvent être spécifiés avec un à quatre pôles et des courants de fonctionnement de 0,1 à 63 ampères. Ils peuvent être spécifiés pour des tensions continues de 80 ou 125 ou des tensions alternatives jusqu’à 480V. Pour les applications à courant plus élevé, comme la recharge de véhicules électriques, les ingénieurs recherchent des disjoncteurs qui peuvent être spécifiés pour des tensions plus élevées allant jusqu’à 600 VAC et des courants allant de 0,1 à 100 Amps.

Choisir le bon disjoncteur

La gamme de disjoncteurs disponibles est presque aussi variée que les applications dans lesquelles ils sont utilisés. Certains sont insensibles à la température tandis que d’autres s’appuient sur les changements de température pour détecter les conditions de surintensité. Certains gèrent en toute sécurité d’énormes courants tandis que d’autres détectent des changements infimes dans des applications à faible courant. Certains sont conçus de manière robuste pour les environnements extrêmes, tandis que d’autres sont rationalisés pour être aussi compacts que possible. Lorsqu’il spécifie un disjoncteur pour une application donnée, l’ingénieur doit tenir compte de nombreux facteurs autres que l’ampérage et la tension nominaux. Il s’agit notamment du temps de réaction, du temps de réinitialisation et de la possibilité de prévoir un délai, de la capacité à résister aux chocs et à exclure les particules et l’eau, des capacités en matière de température et du facteur de forme. Ainsi, bien que le disjoncteur puisse jouer un rôle de soutien dans la conception d’un ingénieur, choisir le bon n’est pas une tâche aisée. Les sociétés de disjoncteurs disposent d’ingénieurs et d’experts en applications qui peuvent aider les ingénieurs à choisir le meilleur disjoncteur pour leur travail.