Chanfreinage et rayon d'arête des jeux de barres

La barre rectangulaire sort du laminoir avec des angles vifs et sort de la cisaille ou du poinçon avec une bavure par-dessus. La plupart des fabricants cassent ces arêtes. Demandez pourquoi et vous obtiendrez plusieurs réponses : le service isolation l'a demandé, le plan indique R3, cela évite que les opérateurs se coupent les mains. Les trois se tiennent, et elles appellent des rayons différents.

La plage de travail dans la profession va grosso modo de R2 à R10 mm, choisie d'après les dimensions de barre, la classe de tension et l'environnement d'installation. C'est une description de la pratique, non une exigence normative, et la distinction compte davantage qu'il n'y paraît.

Ce que disent réellement les normes

Un certain nombre de pages de constructeurs de machines et de fournisseurs de barres affirment qu'IEC 61439 « exige que les jeux de barres en cuivre soient chanfreinés », et certaines vont plus loin en citant un minimum de R3 pour les systèmes au-dessus de 800 V, attribué conjointement à IEC 61439 et à UL 891.

C'est faux, et le dire sans détour importe, car des ingénieurs l'ont inscrit dans leurs propres spécifications internes sur la foi d'un article de blog de fournisseur.

IEC 61439-1 ne mentionne le rayon d'arête nulle part. Ce qu'elle fait, c'est fixer des exigences de distance d'isolement et de ligne de fuite, en tirant sa logique de dimensionnement de la coordination de l'isolement d'IEC 60664-1, puis exiger que l'ensemble fini supporte un essai de tenue diélectrique. Le rayon d'arête est un moyen technique de satisfaire ces dispositions. Ce n'est pas une exigence nommée, et il n'existe aucun numéro d'article à citer à ce titre. Il en va de même pour UL 891.

Ce n'est pas une remarque de pédant. Si vous croyez le rayon imposé, vous appliquerez un R3 uniforme à tout et cesserez de réfléchir. Si vous le comprenez comme un moyen, vous appliquerez R2 là où R2 suffit, R8 là où vous avez un problème de champ, et rien du tout là où la barre sera étamée et boulonnée à plat avec 25 mm d'air de chaque côté.

Le problème de champ, dans les termes mêmes de la norme

IEC 60664-1 est inhabituelle parmi les normes de sécurité en ce qu'elle reconnaît directement la géométrie des électrodes. L'article 5.1.3 s'ouvre en indiquant que la forme et la disposition des parties conductrices influencent l'homogénéité du champ et, par conséquent, la distance d'isolement nécessaire pour tenir une tension donnée.

Elle scinde ensuite les tables de distances d'isolement en deux cas.

Le cas A est celui du champ inhomogène. Le modèle le plus défavorable retenu par la norme est une électrode pointue de 30 µm de rayon de pointe face à un plan de 1 m × 1 m. Les distances d'isolement du cas A peuvent être utilisées quelle que soit la forme des parties conductrices, et sans essai de tenue en tension. C'est pourquoi elles sont plus grandes.

Le cas B est celui du champ homogène, défini comme un champ à gradient de tension pratiquement constant, l'exemple illustratif étant deux sphères de rayon chacune supérieur à l'intervalle qui les sépare. Les distances d'isolement du cas B sont plus petites. Elles ne sont admises que si la forme et la disposition des parties conductrices ont été conçues pour obtenir ce gradient constant, et toute distance d'isolement inférieure à la valeur du cas A doit être vérifiée par un essai de tenue en tension.

Pour une tension assignée de tenue aux chocs de 2,5 kV, l'écart entre les deux cas est l'écart entre environ 1,5 mm et environ 0,6 mm d'air. Dans un ensemble compact où la séparation entre phases est la contrainte qui fixe la largeur d'armoire, ce n'est pas une erreur d'arrondi.

Reste la note attachée à la table des distances d'isolement en régime permanent : le dimensionnement sans décharges partielles n'est pas possible en conditions de champ inhomogène. Au-dessus d'environ 2,5 kV crête, indique la norme, le dimensionnement sur les valeurs de claquage peut ne pas garantir un fonctionnement exempt d'effet couronne, en particulier pour les champs inhomogènes, et il faut alors soit adopter des distances d'isolement plus grandes, soit améliorer la répartition du champ.

Améliorer la répartition du champ, c'est précisément ce que fait un rayon d'arête. Non comme substitut à la distance d'isolement, mais comme ce qui vous permet d'utiliser la plus petite valeur, et comme ce qui vous tient à l'écart de décharges partielles permanentes à espacement géométrique égal.

Notez aussi que la ligne de fuite ne fonctionne pas ainsi. Elle est fixée par la tension de service, le degré de pollution et le groupe de matériau, et arrondir le cuivre ne raccourcit pas le chemin de fuite exigé. À ligne de fuite égale, le rayon vous achète donc un champ plus uniforme et une chance d'accéder à la distance d'isolement du cas B. Il ne vous achète rien sur le chemin superficiel.

L'effet couronne, et pourquoi c'est une défaillance lente

L'air s'ionise à environ 3 kV/mm au niveau de la mer en champ uniforme. Un angle de cuivre à 90° avec une cassure d'arête nominale de 0,1 mm concentre le champ d'un facteur qui dépend de la géométrie de l'intervalle, mais la réponse qualitative est que le champ local à l'angle atteint l'ionisation bien avant le champ moyen sur l'intervalle.

Le résultat est une décharge partielle : un claquage local, de faible étendue et auto-extincteur, qui ne franchit pas l'intervalle. Rien ne déclenche. L'ensemble passe son essai de tenue le premier jour. Ce qui se produit à la place, c'est que la décharge produit de l'ozone et des oxydes d'azote qui, en présence d'humidité, attaquent les isolants organiques, et que la décharge elle-même érode directement les surfaces polymères. La défaillance arrive quelques années plus tard, sous la forme d'un défaut de cheminement que personne ne parvient à expliquer à partir des procès-verbaux de mise en service.

C'est là l'argument du rayon en moyenne tension et sur les systèmes plus récents de 800 V à 1500 V DC. Il ne s'agit pas de l'essai de type. Il s'agit de ce que fait l'ensemble entre deux essais de type.

L'isolation ne sait pas tourner un angle vif

L'argument mécanique est plus concret que l'argument électrique et, pour la plupart des tableautiers basse tension, plus immédiatement pertinent.

Chaque méthode courante d'isolation de barre échoue à un angle vif, chacune à sa manière.

La gaine thermorétractable se rétracte radialement et n'épouse pas une transition intérieure à 90°. Elle ponte l'angle. Sous ce pont se trouve une cavité d'air courant sur toute la longueur de la barre, située exactement au point de champ le plus élevé. La gaine de forte épaisseur pour jeux de barres est en outre assez épaisse pour qu'une arête vive la coupe ou l'amincisse pendant la rétraction.

L'enrobage par poudre époxy, appliqué par voie électrostatique ou en lit fluidisé, subit le même retrait par tension superficielle qui affecte tout revêtement organique sur une arête. Le film s'amincit là où vous avez le plus besoin d'épaisseur.

Le film polyimide enroulé ou stratifié sur une barre tend une toile au-dessus de l'angle au lieu de le suivre, et la tension du film se concentre à l'angle en service.

Le surmoulage laisse une ombre d'écoulement à l'angle et, au refroidissement, le retrait du polymère l'écarte d'abord de la caractéristique la plus vive.

Dans les quatre cas, le défaut est le même : une cavité remplie de gaz au point de champ le plus élevé de la géométrie. C'est le pire endroit possible. Dans une cavité de permittivité relative 1 noyée dans un solide de permittivité relative voisine de 4, le champ dans la cavité vaut plusieurs fois le champ dans le solide environnant, tandis que la rigidité diélectrique du gaz est très inférieure à celle du solide. La cavité décharge la première, à chaque alternance, et la décharge érode sa paroi jusqu'à la faire disparaître.

Des travaux sur l'isolation de jeux de barres imprégnée d'époxy ont retracé exactement cet enchaînement : la décharge partielle à l'intérieur d'un défaut de type bulle décompose l'époxy, la pression du gaz monte, et la paroi de la cavité se rompt dès que la pression dépasse sa ténacité. Le site d'amorçage est le défaut, et le défaut se trouve là où la géométrie a rendu impossible à l'isolant de se plaquer.

Un angle arrondi ne rend pas l'isolation meilleure. Il rend possible que l'isolation soit aussi bonne qu'elle l'est sur la partie plane.

Le retrait d'arête des peintures et poudres

L'industrie du revêtement a tranché ce débat il y a des décennies et a inscrit un chiffre.

Lorsqu'un revêtement polymère est appliqué sur une arête vive, poudre ou liquide, la tension superficielle pendant l'étalement et la cuisson écarte la matière de l'arête. L'épaisseur de film sec à l'arête peut tomber à une fraction de l'épaisseur sur le plat adjacent — c'est pourquoi la corrosion de l'acier peint démarre aux arêtes et progresse vers l'intérieur, et non l'inverse.

ISO 8501-3 définit trois degrés de préparation pour les arêtes, les soudures et les imperfections de surface. Le degré P3, le plus poussé, exige que toutes les arêtes soient arrondies avec un rayon d'au moins 2 mm. ISO 12944-3

rend ensuite P3 obligatoire pour les durabilités élevée et très élevée en catégorie de corrosivité C4 et au-delà, ainsi que pour les catégories d'immersion Im1 à Im4.

Ces 2 mm sont l'origine réelle d'un rayon minimal défendable, et ils viennent d'une norme de revêtement plutôt que d'une norme électrique. Si un client vous demande de justifier R2, citez ISO 8501-3, pas IEC 61439.

Une réserve, pour ne pas survendre l'argument. Une étude systématique publiée dans Progress in Organic Coatings a mesuré l'épaisseur de film sec sur des arêtes d'acier arrondies, sur coupes métallographiques polies, et n'a trouvé aucun effet statistiquement significatif du rayon d'arête sur la couverture du revêtement pour les systèmes testés. Ces travaux portaient sur de l'acier de construction et non sur de la barre de cuivre, et ils ne renversent pas le mécanisme, mais ils rappellent que le procédé d'arrondissage et le système de revêtement peuvent compter autant que la valeur du rayon. Arrondir l'arête est nécessaire. Ce n'est pas à soi seul suffisant.

Chanfrein ou rayon

Ce ne sont pas la même chose et la différence mérite deux minutes de réflexion au stade du plan.

Un chanfrein est un plat biseauté. Un chanfrein de 1 mm × 45° remplace un angle à 90° par deux angles à 135°. Il enlève la bavure, il ôte le caractère coupant du risque de manutention, et il aide légèrement un revêtement. Électriquement, il aide bien moins qu'on ne le suppose, car il subsiste deux discontinuités de surface et le champ s'y concentre toujours, simplement de façon moins sévère.

Un rayon est un véritable arc, tangent aux deux faces, sans aucune discontinuité. C'est ce que veut le champ, et ce que veulent la gaine thermorétractable et le surmoulage.

Pour la sécurité de manutention et pour une barre qui sera boulonnée et laissée nue, un chanfrein convient et se produit plus vite. Pour tout ce qui sera isolé, enrobé, ou exploité au-dessus de quelques centaines de volts avec un entraxe de phases serré, spécifiez un rayon et écrivez-le sur le plan, car « chanfrein 1 mm » et « R1 » seront produits avec des outillages différents et ne se comporteront pas de la même façon.

Le coût en cuivre

Arrondir enlève de la section, et la section, c'est l'intensité admissible.

L'aire retirée à chaque angle vaut R²(1 − π/4), soit environ 0,215 R². Sur une barre de 100 × 10 mm, soit 1000 mm², quatre angles en R5 retirent environ 21,5 mm², un peu plus de 2 %. En R3 sur une barre de 60 × 10 mm, on est autour de 1,3 %. Un chanfrein de 1 mm × 45° sur la même barre 100 × 10 retire 2 mm², soit 0,2 %.

Deux pour cent de conducteur n'a rien de catastrophique, mais ce n'est pas rien non plus sur une barre dimensionnée sans marge, et cela s'ajoute au déclassement que vous avez déjà pris pour l'enveloppe et le groupement. Si vous êtes proche de la limite, passez la géométrie dans le calculateur d'intensité admissible avec et sans la perte aux angles avant de vous engager sur un grand rayon pour une barre fortement chargée.

Les mains, les gants, et la raison pour laquelle la plupart des ateliers le font vraiment

Une arête de cuivre cisaillée avec une bavure de 0,2 mm ouvrira un gant d'arc électrique. Elle ouvrira aussi une main. La barre est lourde, elle est manipulée à répétition pendant l'assemblage, et elle est souvent mise en place avec le poids du monteur derrière elle.

C'est la raison pour laquelle un traitement d'arête est spécifié sur des ensembles où il n'existe aucun argument de concentration de champ, et c'est une parfaitement bonne raison. C'est aussi, incidemment, celle qui se mesure, car la consommation de gants et le registre des premiers soins sont des choses qu'un directeur d'usine suit déjà.

Le produire de façon reproductible

Si le rayon d'arête sur barre est traité comme facultatif dans beaucoup d'ateliers, c'est qu'il s'agissait autrefois d'une opération manuelle à la lime ou à la meuleuse — donc irrégulière, lente et pénible.

Deux catégories de machines s'en chargent. Le chanfreinage utilise une broche de fraisage avec un outil de forme pour usiner un chanfrein ou un rayon défini le long de l'arête de barre, y compris autour des arêtes de trous poinçonnés et sur les extrémités. La machine de chanfreinage EMAC-XT fait tourner une broche BT40 jusqu'à 6000 rpm avec un changeur d'outils automatique à six positions, traite la barre de 3 à 15 mm d'épaisseur et de 30 à 230 mm de largeur, et tient ±0,05 mm en positionnement et en répétabilité. Le changeur d'outils compte ici : un outil à chanfreiner, un outil de forme à rayon et un outil d'arête de trou dans le même programme, cela signifie que l'opérateur ne reste pas devant la machine à changer de pince entre deux entités.

L'ébavurage est une opération différente, dans un autre but. Il retire la bavure et pose une petite cassure d'arête non maîtrisée sur tout, arêtes de trous comprises, en une seule passe. La machine d'ébavurage BND800-2 accepte la barre de 0,5 à 50 mm d'épaisseur et de 100 à 800 mm de largeur à 5 à 30 m/min. C'est ce débit qui rend viable d'ébavurer chaque barre plutôt que seulement celles que quelqu'un a signalées.

La distinction à retenir : l'ébavurage rend la barre sûre à manipuler et retire le métal soulevé qui se placerait sinon entre deux faces en contact dans un raccordement boulonné. Il ne produit pas un rayon maîtrisé. Si un plan appelle R3 et que quelqu'un passe la barre sur une ligne d'ébavurage puis coche la case, le problème d'isolation que vous cherchiez à résoudre est toujours là.