Pour les alimentateurs de cotes modérées, disons jusqu’à 600 / 800A, les câbles sont préférés, tandis que pour les cotes plus élevées (supérieures à 1000A), la préférence est d’opter pour des conducteurs solides (systèmes de bus LT) pour des raisons de sécurité, de fiabilité, de maintenance, de coût, d’apparence et de facilité de manipulation. Pour des cotes plus élevées, un plus grand nombre de câbles peut devenir lourd et difficile à entretenir et peut poser des problèmes de localisation des défauts. Les connexions pleines prolongées du côté alimentation à l’extrémité réceptrice à travers des barres omnibus sont appelées conduits de bus. Ces barres omnibus sont logées dans une enceinte en tôle.
La principale préoccupation sera de traiter les courants importants plutôt que les tensions. Les courants importants sont plus difficiles à gérer que les tensions en raison de l’induction mutuelle entre les conducteurs et également entre le conducteur et l’enceinte. Cet article détaille les types de systèmes de bus à enceinte métallique et leurs paramètres de conception pour sélectionner la taille correcte des sections de conducteurs et des boîtiers de bus pour une estimation de courant et une tension de système requises.
Types de systèmes de bus à enceinte métallique
Un système de bus peut être l’un des types suivants, selon son application:
– Non séparé
– Séparé
– Phase isolée
– Réseau ascendant (systèmes de bus verticaux)
– Bus aérien (système de bus horizontal)
Système de bus de phase non séparé
Dans cette construction, toutes les phases du bus sont logées dans une enceinte métallique avec un espacement adéquat entre elles et également avec l’enceinte mais sans barrières entre les phases comme le montre la figure – 1. Étant vif, c’est la méthodologie la plus largement utilisée pour tous les types de systèmes LT.
Système de bus de phase séparé
Dans cette construction, toutes les phases sont logées dans une enceinte métallique comme précédemment mais avec une barrière métallique entre chaque phase comme le montre la figure 2. Les barrières métalliques fournissent le blindage magnétique requis et isolent magnétiquement les barres omnibus les unes des autres.
L’enceinte peut être en MS ou en alliage d’aluminium et les barrières choisies peuvent être du même métal que l’enceinte. La réalisation d’une barrière métallique a pour but non seulement d’envelopper les phases contre les courts-circuits mais aussi de réduire l’effet de proximité d’une phase sur l’autre en arrêtant le champ électrique produit par les conducteurs porteurs de courant à l’intérieur de la barrière elle-même. Il fonctionne maintenant comme une enceinte avec un agencement d’entrelacement équilibrant sensiblement les champs produits par les conducteurs et n’autorisant qu’un champ modéré dans l’espace.
Ceux-ci sont généralement utilisés pour des cotes plus élevées 3000A et plus sur tous les systèmes de tension. Ceux-ci, contrairement aux premiers, sont préférés sur un système HT.
Système de bus de phase isolé (IPB)
Utilisé pour les très grandes cotes de 10 000 A et plus. Dans cette construction, les conducteurs de chaque phase sont logés dans une enceinte métallique non magnétique séparée pour les isoler complètement les uns des autres avec les avantages suivants.
– Il élimine les défauts de phase en phase.
– Il minimise les effets de proximité entre les principaux conducteurs porteurs de courant des phases adjacentes à presque zéro en raison du blindage magnétique.
– Le système de bus est facile à manipuler, à plier et à installer.
Réseau ascendant (système de bus vertical)
Utilisé en formation verticale pour alimenter les étages individuels d’un immeuble de grande hauteur. Il s’élève du bas du bâtiment et se dirige vers le dernier étage. Pour réduire le coût, les cotes peuvent être dans un ordre décroissant après tous les trois ou quatre étages, car après chaque étage, la charge de cet étage sera réduite.
Bus aérien (système de bus horizontal)
Contrairement à une colonne montante haute, le système de bus aérien fonctionne désormais horizontalement, sous le plafond à une hauteur appropriée, pour distribuer l’énergie aux points de charge légers et petits. Dans un système de barres omnibus aériennes, l’alimentation peut être exploitée à partir de n’importe quel nombre de points pour alimenter les points de charge juste en dessous via un boîtier enfichable analogue à celui utilisé sur un secteur montant.
Paramètres de conception et Conditions de service pour un Système de bus à boîtier métallique
Un système de bus se verrait attribuer les valeurs nominales suivantes
– Tension nominale
– Fréquence nominale
– Niveau d’isolation nominal
– Tenue en tension de fréquence de puissance
– Tenue en tension d’impulsion
– Estimation maximale continue
– Estimation nominale de courant de courte durée
– Valeur nominale de crête momentanée du courant de défaut
– Durée du défaut
Effets de court-circuit
Le but est de déterminer la taille minimale des conducteurs porteurs de courant et de décider du montage arrangement.
Un court-circuit entraîne un courant excessif dû à la faible impédance du circuit défectueux entre la source d’alimentation et le défaut. Ce courant excessif entraîne une chaleur excessive dans les conducteurs porteurs de courant, ce qui génère ainsi des effets électromagnétiques et des forces électro-dynamiques d’attraction et de répulsion entre les conducteurs et leur structure de montage. Ces forces sont réparties uniformément sur la longueur des conducteurs.
L’effet d’un court-circuit nécessite désormais de tenir compte de ces deux facteurs (effets thermiques et forces électro-dynamiques) lors de la conception de la taille des conducteurs porteurs de courant et de leur structure de montage, qui comprend des supports mécaniques, le type d’isolateurs et le type de matériel, en plus de la distance longitudinale entre les supports et de l’écart entre les conducteurs de phase à phase.
Effets thermiques
Avec les dispositifs de coupure normaux, le courant de défaut dure jusqu’à 1 seconde. Ce temps est trop court pour permettre la dissipation thermique du conducteur par rayonnement ou convection. La chaleur totale générée sur un défaut sera ainsi dissipée par le conducteur lui-même. La taille du conducteur doit donc être telle que son élévation de température lors d’un défaut maintienne sa température finale en dessous du niveau où le métal du conducteur commencera à se ramollir. L’aluminium, le métal le plus utilisé pour les câbles d’alimentation, les lignes aériennes de transmission et de distribution ou les applications d’appareillage de commutation LT et HT et de conduits de bus, commence à ramollir à une température d’environ 180 à 200 degrés. C.
En règle générale, sur un défaut, une élévation de température sûre de 100 degrés.C au-dessus de la température finale admissible de 85 degrés.C ou 90 degrés.C du conducteur pendant le service normal, c’est-à-dire jusqu’à 185 degrés.C- 190 degrés.C pendant la condition de défaut est considérée comme sûre et prise comme base pour déterminer la taille du conducteur.
La partie soudée, par exemple au niveau des joints flexibles, doit également être sûre jusqu’à cette température et ne doit pas être utilisée à cette fin où la soudure en laiton est préférée.
Pour déterminer la taille minimale du conducteur pour un niveau requis Isc pour tenir compte des seuls effets thermiques, la formule suivante est utilisée pour déterminer la taille minimale du conducteur pour tout niveau de défaut.
où
qt = élévation de température en 0C
Isc = courant de défaut symétrique en A
A = section transversale du conducteur (mm2)
a20 = coefficient de température de résistance à 20 0C
0,00403 pour l’aluminium pur
0,00363 pour les alliages d’aluminium
0,00393 pour le cuivre pur
q = température de fonctionnement du conducteur à laquelle le défaut se produit dans 0C
K = 1,166 pour l’aluminium et 0,52 pour le cuivre
t = durée du défaut (en secondes)
Exemple-1: Déterminer la taille minimale du conducteur pour un niveau de défaut de 50kA pendant une seconde pour un conducteur en aluminium, en supposant que l’élévation de température soit de 100 degrés.C et la température initiale du conducteur à l’instant du défaut 85 deg.C, la section transversale du conducteur serait
100 = (1.166/100) * (50000/ A) 2. (1+0.00403*85) *1
En résolvant A = 625,6 mm2 pour l’aluminium pur
= 617,6 mm2 pour les alliages d’aluminium
= 416 mm2 pour le cuivre pur
Effets électro-dynamiques :
Le courant de court-circuit est généralement asymétrique et contient une composante CONTINUE. La composante CONTINUE, bien qu’elle ne dure que trois ou quatre cycles, crée une condition sub-transitoire et provoque des forces électro-dynamiques excessives entre les conducteurs porteurs de courant. La structure de montage, les supports de barres omnibus et les fixations sont soumis à ces forces électrodynamiques. Bien que cette force ne soit que momentanée, elle peut causer des dommages permanents aux composants et doit être prise en compte lors de la conception du système de transport de courant et de sa structure de montage. La force maximale dans les jeux de barres plats peut être exprimée par
Fm = Force dynamique maximale estimée pouvant se développer dans un système monophasé ou triphasé sur un défaut
ISC = valeur efficace du courant de défaut symétrique en ampères
k = facteur d’espace, qui est de 1 pour les conducteurs circulaires.
Pour les conducteurs rectangulaires, on peut le trouver à partir du graphique du facteur d’espace (figure-3) correspondant à (S-a) / (a+b)
où
S = espacement central entre deux phases en mm
a = espace occupé par les conducteurs d’une phase en mm
b = largeur des conducteurs en mm
Voir exemple-6
Considérations relatives à la conception
– Température ambiante
– Taille de l’enceinte
– Chute de tension
– Effet de peau et de proximité
Température ambiante
Pour des températures ambiantes plus élevées, la capacité de courant doit être réduite de manière appropriée pour maintenir même température de fin pendant le fonctionnement continu (déclassement). La température finale de l’aluminium est considérée comme sûre à 85-90 degrés.C, à laquelle le métal ne se détériore pas ou ne modifie pas sa résistance mécanique sur une longue période de fonctionnement. Le tableau 1 énumère les températures de fonctionnement admissibles des différentes parties d’un système de bus. Le tableau 2 énumère les facteurs de déclassement pour une température ambiante plus élevée ou une élévation de température plus faible pour la même température finale de 850C ou 900C respectivement.
Taille de l’enceinte
L’enceinte du système de bus fournit la surface de refroidissement pour la dissipation thermique. Sa taille a une incidence importante sur l’élévation de température des conducteurs et donc sur leur capacité de charge en courant. L’effet d’enceinte et les conditions de ventilation de l’environnement dans lequel l’enceinte est installée doivent donc être pris en compte lors de la conception d’un système de bus. Le rapport entre la surface des conducteurs porteurs de courant et la section transversale de l’enceinte servira de base pour déterminer l’effet de dissipation thermique. Le tableau 3 suggère le scénario des facteurs de dissipation approximatifs qui peuvent être considérés comme des déclassifications probables pour un système de bus dans différentes conditions. (À suivre)…
