Vérification de l'échauffement selon IEC 61439, voie par voie

La vérification de l'échauffement est le moment où la qualité de fabrication des jeux de barres devient une constatation d'audit. Tout le reste de la vérification de conception d'un ensemble peut se régler sur le papier par quelqu'un qui n'a jamais touché le cuivre. Pas celle-ci, car la grandeur vérifiée est produite par des raccordements qu'un monteur a réalisés à la clé dynamométrique.

La plupart des documents publiés s'arrêtent à nommer les trois voies. Ce qui décide du succès d'un projet, ce sont les conditions limites de chaque voie, ce que le facteur de diversité assigné multiplie réellement, et quelles variables de fabrication font bouger le résultat. Les références d'articles ci-dessous renvoient à IEC 61439-1

Les trois voies

L'article 10.10.1 les énumère sans détour. La vérification doit être faite par une ou plusieurs des méthodes suivantes :

a) Essai, article 10.10.2. Un ensemble physique, en charge, dans un laboratoire accrédité.

b) Dérivation des caractéristiques assignées pour des variantes similaires à partir d'une conception essayée, article 10.10.3. La voie de comparaison : vous disposez déjà d'une disposition essayée et vous attribuez des caractéristiques à ses variantes selon des règles énoncées.

c) Calcul, par deux méthodes distinctes avec deux plafonds de courant différents. L'article 10.10.4.2 couvre un ensemble à compartiment unique ne dépassant pas 630 A ; l'article 10.10.4.3 couvre un ensemble ne dépassant pas 1600 A par la méthode d'IEC TR 60890.

Deux contraintes surplombent les trois. Toutes les voies sont limitées à des fréquences assignées inférieures ou égales à 60 Hz pour les méthodes de calcul, et pour les ensembles assignés au-dessus de 60 Hz, l'article 10.10.1 exige une vérification par essai ou par dérivation d'une conception essayée à la même fréquence. La combinaison est permise et courante : un ensemble à plusieurs sections peut voir différentes sections vérifiées par différentes voies.

La voie c) en détail, parce que c'est celle qui comporte les petits caractères

La voie du calcul est celle vers laquelle se tournent la plupart des fabricants, car elle ne demande aucun laboratoire. C'est aussi celle qui comporte les conditions qui disqualifient le plus souvent un projet une fois la conception figée.

La méthode 630 A (10.10.4.2)

Un bilan de pertes. La perte de puissance totale des composants et des conducteurs à l'intérieur de l'enveloppe est comparée à la capacité de l'enveloppe à la dissiper sans que l'air interne ne dépasse la température maximale de fonctionnement d'aucun appareil. Rapide, conservatrice, et étroite.

Conditions, qui doivent toutes être satisfaites :

• Les données de pertes de puissance de tous les composants incorporés sont disponibles auprès du fabricant du composant.
• Les pertes de puissance sont réparties à peu près uniformément à l'intérieur de l'enveloppe.
• Le courant assigné de chaque circuit ne dépasse pas 80 % du courant thermique conventionnel à l'air libre (Ith), ou du courant assigné (In), des appareils de connexion et composants de ce circuit.
• Les pièces mécaniques et les matériels installés n'entravent pas significativement la circulation d'air.
• Les conducteurs transportant plus de 200 A, ainsi que les éléments de structure adjacents, sont disposés de façon à minimiser les pertes par courants de Foucault et par hystérésis.
• Tous les conducteurs présentent une section minimale établie sur 125 % du courant admissible du circuit associé.
• L'échauffement de l'enveloppe en fonction de la perte de puissance installée est connu, qu'il provienne du fabricant de l'enveloppe, d'un essai selon 10.10.4.2.2, ou du fabricant de l'équipement de refroidissement lorsqu'un refroidissement actif est installé.

La méthode 1600 A (10.10.4.3)

Mêmes règles de déclassement à 80 % et de conducteur à 125 %, l'échauffement lui-même étant déterminé par la méthode d'IEC TR 60890 plutôt que par un simple bilan de pertes. Elle ajoute deux conditions géométriques qui piègent les conceptions à plusieurs compartiments :

• Il n'y a pas plus de trois cloisons horizontales dans l'ensemble ou dans la section évaluée.
• Pour les enveloppes à compartiments et à ventilation naturelle, la section des ouvertures de ventilation de chaque cloison horizontale vaut au moins 50 % de la section horizontale du compartiment.

Au-dessus de 1600 A, les deux voies de calcul se ferment. Vous êtes sur l'essai ou sur la dérivation d'une conception essayée, et c'est une décision à prendre avant de construire, non après.

La norme est franche sur la raison de ces marges : l'article 10.10.4.1 indique que, les températures locales réelles des parties actives ne pouvant pas être calculées par ces méthodes, certaines limites et marges de sécurité sont nécessaires et sont incluses. Le déclassement à 80 % et le dimensionnement des conducteurs à 125 % sont ces marges. Ce n'est pas un excès de prudence dont une meilleure analyse permettrait de s'affranchir.

Le déclassement à 80 % en pratique

Le déclassement n'est pas une note au dossier. Il change la nomenclature.

Un circuit de 200 A ne peut pas utiliser un appareil de 200 A. Il lui faut un appareil dont le courant à l'air libre vaut au moins 250 A, réglé ou fixé à 200 A, ou un calibre supérieur réglé plus bas. La perte de puissance retenue dans le calcul est la perte à 200 A, mais l'appareil lui-même doit être un calibre 250 A ou au-delà. La règle sur les conducteurs s'y ajoute : un circuit de jeu de barres principal de 200 A se dimensionne sur 1,25 × 200 = 250 A, et cela vaut pour tous les conducteurs internes de l'ensemble.

Vient ensuite l'itération. Les sections de conducteurs sont d'abord choisies pour une température d'air interne supposée. Une fois que le calcul produit les températures d'air réelles, il peut falloir changer des composants et des conducteurs et relancer le calcul. Deux ou trois passes sont normales, et chacune peut changer la section de barre, ce qui change le motif de perçage, ce qui change l'outillage. Arrêtez la voie de vérification avant de détailler le cuivre, pas après.

Le facteur de diversité assigné, et ce qu'il fait réellement

Le RDF est le terme le plus mal compris de la norme, et l'essentiel du malentendu vient de l'idée qu'il s'agirait d'une réduction appliquée à l'intérieur du calcul. Ce n'en est pas une.

L'article 5.4 le définit : la valeur réduite du courant assigné, attribuée par le fabricant de l'ensemble, à laquelle les circuits de départ peuvent être chargés en permanence et simultanément, en tenant compte des influences thermiques mutuelles. Il peut être énoncé pour des groupes de circuits ou pour l'ensemble complet. Deux clauses de la définition font le travail. Le RDF multiplié par le courant assigné des circuits doit être supérieur ou égal à la charge supposée des circuits de départ, et le RDF s'applique lorsque l'ensemble fonctionne à son courant assigné InA.

Le RDF est donc une caractéristique déclarée, non une donnée d'entrée de calcul. L'article 10.10.1 le dit exactement : la capacité de transport des circuits à vérifier est déterminée par le courant assigné et le RDF. Il définit ce que vous vérifiez.

Là où le RDF entre dans la voie d'essai

Dans les méthodes d'essai, le RDF est explicite et physique.

• Article 10.10.2.3.5, vérification de l'ensemble complet : les circuits d'arrivée et de départ sont chargés à leurs courants assignés, ce que la norme énonce comme équivalent à un facteur de diversité assigné de 1. Rapide, conservateur, et cela ne prouve rien sur la diversité puisqu'aucune n'a été supposée.
• Articles 10.10.2.3.6 et 10.10.2.3.7 d) : l'ensemble est vérifié en chargeant le circuit d'arrivée à son courant assigné et les unités fonctionnelles de départ à leur courant assigné multiplié par le facteur de diversité. C'est là qu'un RDF déclaré inférieur à 1 se gagne réellement.

L'annexe O expose l'arbitrage : la méthode a) demande le moins d'essais, mais la disposition d'essai est plus contraignante que nécessaire et le résultat ne vaut que pour cette disposition.

Là où le RDF n'entre pas : la voie du calcul

Les deux articles de calcul disent la même chose : les pertes de puissance effectives de tous les circuits, conducteurs d'interconnexion compris, doivent être calculées sur la base du courant assigné des circuits. Il n'y a pas de multiplicateur RDF. La diversité entre par une autre porte. La perte de puissance totale est calculée en tenant compte du fait que le courant de charge total est limité au courant assigné de l'ensemble.

La note d'exemple de la norme le rend concret. Un ensemble à compartiment unique assigné à 100 A, limité par les barres de distribution, est équipé de 20 circuits de départ supposés chargés à 8 A chacun. La perte de puissance effective totale est calculée pour 12 circuits de départ à 8 A chacun, car 12 × 8 = 96 A est ce que le calibre d'arrivée de 100 A distribuera réellement. Douze circuits à pleine charge, et non vingt circuits affectés d'un facteur de diversité.

Cette distinction est la distinction pratique. Le guide publié par la BEAMA sur la vérification sans essai le dit aussi clairement que quiconque : le facteur de diversité assigné n'est pas pris en compte lors de la vérification de l'échauffement par calcul, et c'est la combinaison de pertes la plus défavorable, avec des circuits fonctionnant à leur courant assigné, qui sert à répartir le courant assigné de l'ensemble. Quiconque appliquait une réduction RDF dans un tableur TR 60890 calculait un échauffement inférieur à ce que la norme lui permet de revendiquer.

Les valeurs tabulées

Lorsque le fabricant et l'utilisateur ne se sont pas accordés sur les courants de charge réels, les parties produit donnent des valeurs de repli de charge supposée, indexées sur le nombre de circuits principaux ou de départ. Dans les parties 1 et 2, la valeur part de 1,0 pour un circuit d'arrivée et décroît à mesure que le nombre de départs augmente, jusqu'à 0,6 à dix circuits ou plus. Dans la partie 3, pour les tableaux de répartition manœuvrés par des personnes ordinaires, l'échelle se situe un cran plus bas partout et descend jusqu'à 0,5.

Une valeur de 0,4 circule largement en ligne comme bas de cette plage. Elle ne figure pas dans les valeurs tabulées de charge supposée des parties 1, 2 ou 3. Un fabricant peut bien sûr déclarer un RDF inférieur au repli tabulé, puisque le RDF est attribué par le fabricant et que le tableau ne s'applique qu'en l'absence d'accord. Mais si une spécification cite 0,4 comme provenant de la norme, demandez d'où.

L'annexe E de la partie 1 traite des exemples à des valeurs de RDF telles que 0,68. Ce nombre n'est pas une valeur ronde issue d'un tableau ; il découle de l'arithmétique de charge.

Les limites au regard desquelles vous vérifiez

Le tableau 6 d'IEC 61439-1 dit davantage que les deux valeurs qu'on en cite habituellement.

Les bornes destinées aux conducteurs extérieurs isolés sont limitées à 70 K. La note de bas de tableau le qualifie deux fois. Ces 70 K sont une valeur fondée sur l'essai conventionnel de l'article 10.10, et un ensemble utilisé dans des conditions d'installation réelles peut comporter des raccordements dont le type et la disposition diffèrent de ceux de l'essai, produisant un échauffement de borne différent, qui peut être exigé ou accepté. Et lorsque les bornes d'un composant incorporé sont aussi les bornes des conducteurs extérieurs isolés, c'est la plus faible des deux limites applicables qui gouverne : la limite du fabricant du composant et 70 K, en retenant la plus petite.

Les jeux de barres et conducteurs ne reçoivent pas de valeur unique dans le tableau. La ligne énonce que la limite est fixée par la résistance mécanique du matériau conducteur, les effets possibles sur les matériels adjacents, la limite de température admissible des matériaux isolants en contact avec le conducteur, l'effet de la température du conducteur sur l'appareillage qui y est raccordé et, pour les contacts débrochables, la nature et le traitement de surface du matériau de contact.

Les 105 K figurent dans la note g, comme plafond au-dessus de ces critères : à supposer que tous les critères listés soient satisfaits, un échauffement maximal de 105 K pour les jeux de barres et conducteurs en cuivre nu ne doit pas être dépassé. La note 1 en donne la raison : 105 K correspond à la température au-dessus de laquelle le recuit du cuivre est susceptible de se produire. C'est une limite métallurgique. Atteignez-la et la barre s'adoucit, ce qui est un mode de défaillance mécanique, non électrique.

Les hypothèses d'ambiante sous-tendent tout cela. Les limites du tableau 6 s'appliquent pour une température moyenne de l'air ambiant en service allant jusqu'à 35 °C. L'annexe O ajoute la pointe : températures ambiantes moyenne journalière et de pointe ne dépassant pas respectivement 35 °C et 40 °C. Pendant l'essai lui-même, l'ambiante doit se situer entre 10 °C et 40 °C, mesurée par au moins deux capteurs disposés autour de l'ensemble, à environ mi-hauteur et à environ 1 m, protégés des courants d'air et du rayonnement.

Deux lectures pratiques. D'abord, le plafond de 105 K est rarement la contrainte décisive. Le matériau isolant en contact avec la barre, ou l'appareil sur lequel elle arrive, mord généralement le premier. Ensuite, un ensemble destiné à un environnement plus chaud qu'une moyenne de 35 °C a besoin de limites adaptées, et l'article 9.2 note que si les limites sont modifiées pour couvrir une autre ambiante, les courants assignés des jeux de barres et des unités fonctionnelles peuvent devoir changer avec elles.

Ce que coûte chaque voie et combien de temps elle prend

Il n'existe pas de tarifs publiés pour l'essai d'échauffement accrédité, car le coût est dominé par le nombre de dispositions d'essai et par ce que vous devez construire. De toute façon, c'est la structure du coût qu'il vous faut pour décider.

• Essai : vous construisez un ou plusieurs ensembles représentatifs dans la disposition la plus défavorable, vous les expédiez, et vous payez du temps de laboratoire. L'essai se poursuit jusqu'à ce que l'échauffement atteigne une valeur constante, ce que l'article 10.10.2.3.1 définit en pratique comme une variation, en tous points de mesure y compris l'ambiante, ne dépassant pas 1 K/h. Cela représente typiquement la plus grande partie d'une journée de travail par disposition, avant instrumentation et mise en place. Le courant est amené par des conducteurs d'essai que la norme spécifie en détail. Au-dessus de 800 A, cela signifie des barres de cuivre de dimensions indiquées, avec des longueurs de raccordement d'au moins 3 m, réductibles à 2 m seulement sous une condition de température énoncée. Au-dessus de 4000 A, le fabricant d'origine détermine la disposition, qui fait partie du rapport. Le coût est dominé par la construction de l'échantillon et le nombre de dispositions. Le délai est dominé par la file d'attente du laboratoire, en mois plutôt qu'en semaines pour les forts courants. Ne réservez pas le créneau avant que vos raccordements ne soient réalisés comme ils le seront en production.

• Dérivation d'une conception essayée : la voie la moins chère et la plus rapide lorsque vous détenez déjà la conception essayée, ce qui explique que les fournisseurs de systèmes d'ensembles la vendent dans le lot. Restez dans ses règles et l'essentiel du travail est fait. Sortez-en et vous revenez à l'essai.

• Calcul : pas de laboratoire, donc le coût est du temps d'ingénierie plus des données composants. Le coût invisible est la collecte de données : la condition a) exige les pertes de puissance de tous les composants incorporés, et les obtenir de chaque fournisseur d'appareils pour une nomenclature hétérogène prend plus de temps que le calcul lui-même. Comptez des jours plutôt que des heures pour un premier ensemble, moins ensuite à mesure que les données composants s'accumulent. Le vrai risque est de découvrir en fin d'itération qu'il vous fallait un calibre plus gros ou une barre plus forte : faites donc une passe grossière très tôt.

Pourquoi la qualité de fabrication décide du résultat

Toutes les voies mesurent en dernière analyse la même grandeur physique, et l'article 10.10.2.3.3 la nomme directement : une attention particulière doit être accordée aux raccordements des conducteurs et aux bornes dans les circuits principaux. Les raccordements sont des points de mesure nommés.

La résistance d'un raccordement comporte deux parts. La résistance d'épanouissement, due à la déviation du courant à travers le recouvrement, est fonction du rapport recouvrement/épaisseur et du motif de perçage : des trous de boulons en travers de la largeur de barre la pénalisent davantage que des trous alignés dans la longueur. La résistance de contact est fonction de l'état de surface et de la pression.

L'aire de contact n'est pas l'aire de recouvrement. Seul 1 % environ du recouvrement apparent conduit, par des contacts d'aspérités discrets. La résistance de contact chute fortement avec la pression jusqu'à environ 10 N/mm² et s'aplatit autour de 30 N/mm² ; en dessous d'environ 7 N/mm², il n'est pas conseillé de fonctionner du tout. Comme la pression ne se mesure pas sur site, on la déduit du couple via le coefficient de couple, qui varie d'environ 0,20-0,22 à sec à 0,15-0,16 avec un lubrifiant limite. Le même réglage de clé sur des filets graissés donne environ 30 % de précharge de plus que sur des filets secs. Les valeurs de couple et les instructions de lubrification doivent provenir de la même source, faute de quoi la valeur inscrite dans votre procédure est une fiction.

La préparation de surface est la variable la moins coûteuse et la plus souvent omise. Les faces doivent être planes et fraîchement abrasées immédiatement avant l'assemblage, de sorte que la pression de serrage rompe l'oxyde et établisse un contact métal-métal en autant de points que possible. Une bavure laissée sur la face de raccordement fait le contraire : elle écarte les barres, et l'aire de contact que vous avez calculée n'est pas celle que vous obtenez. C'est pourquoi l'ébavurage appartient à la gamme de fabrication plutôt qu'aux mains du monteur, et pourquoi une ligne comme la BND800-2, traitant la barre de 0,5 à 50 mm d'épaisseur à 5 à 30 m/min, existe tout simplement.

Le matriçage est l'autre levier, et le plus sous-employé. Former une plage de contact maîtrisée concentre la précharge disponible sur une surface définie et plane, au lieu de la laisser se répartir sur un recouvrement qui peut être en contact ou non. Quand un raccordement est thermiquement limite, une plage de contact conçue est souvent une meilleure réponse qu'un boulon de plus.

La précision du motif de perçage alimente directement tout ce qui précède. Une erreur de pas sur un raccordement à plusieurs boulons signifie des boulons qui se contrarient dans des trous surdimensionnés et une précharge répartie inégalement. Un poinçonnage qui tient bien la position ne coûte rien de plus par trou et retire une variable d'un essai que vous payez à un laboratoire. Un centre d'usinage tel que l'IMAC-CENTER 80 travaille à ±0,05 mm. La page sur le procédé de poinçonnage couvre le versant outillage, et l'article sur les motifs de perçage traite la distance au bord et le pas.

Avant de vous engager sur une voie

Dimensionnez la barre à partir d'une source de courants admissibles avec ses facteurs de correction intacts, plutôt qu'à partir d'un tableau en conditions de référence. DIN 43671 donne les courants de la barre de cuivre pour 35 °C d'ambiante et 65 °C de température de barre, avec des corrections pour une ambiante de 0 à 60 °C, une température de fonctionnement jusqu'à 125 °C, et des facteurs pour la disposition des barres et le nombre de barres par phase. À l'intérieur d'une enveloppe à 55 °C d'air interne, ces corrections font la différence entre une barre qui passe la vérification et une qui ne la passe pas.

Notre calculateur d'intensité admissible applique les corrections au lieu de supposer les conditions de référence. Lorsque l'ensemble part sur un marché nord-américain, les limites changent complètement et la barre aussi. Cette comparaison figure dans UL 891 contre IEC 61439.