Comment calculer la section d'un jeu de barres en cuivre ?

1. Introduction au dimensionnement des barres omnibus

Précis barre omnibus en cuivre Le dimensionnement est essentiel pour garantir une circulation du courant électrique sûre, fiable et efficace. Les barres omnibus répartissent les courants élevés dans les appareillages de commutation et les tableaux de distribution. Un dimensionnement inadapté entraîne une surchauffe, des pertes de puissance, une chute de tension et des défaillances potentielles telles que des dommages à l'isolation ou un incendie. Il est donc essentiel de bien comprendre les facteurs qui influencent le dimensionnement ainsi que les méthodes utilisées.

2. Contraintes essentielles en matière de dimensions

La capacité admissible (ampacité) d'un jeu de barres est principalement limitée par l'efficacité thermique (élévation de température), la capacité de courant et la chute de tension. L'élévation de température est généralement l'un des facteurs les plus importants, en particulier dans les locaux. La chaleur générée par les pertes $I ^ 2R$ doit être dissipée afin de maintenir la température dans les limites autorisées.

Une formule simplifiée pour ΔT est symétrique par rapport à la perte de puissance et inversement proportionnelle à l'emplacement de la dissipation thermique. ΔT ≈ 1 000 × perte de puissance / (1,1 × surface en cm²) ΔT ≈ 1,1 × surface en cm² / (1 000 × perte de puissance). Il s'agit d'une approximation qui ne tient pas compte de l'ensemble du transfert de chaleur.

La transmission de chaleur par les liaisons réduit les pics de température dans votre zone. La méthode du réseau thermique évalue la circulation de la chaleur en tenant compte du coefficient de transfert (α), de la surface (A), de la résistance thermique (R) et de ΔT. Une valeur élevée de ΔT peut indiquer une apport de chaleur extérieure ou une dissipation réduite.

Dans le cas des courts-circuits, ΔT suppose que la chaleur est absorbée par le conducteur, le transfert de chaleur étant négligeable pendant cette brève période. Les paramètres à prendre en compte sont le temps (T), les températures initiale (Θ1) et maximale admissible (Θ2), la section (A) et le courant efficace (I).

Les versions complètes évaluent le comportement thermique en régime permanent, en tenant compte de l'intensité du courant, de la section transversale, de la longueur, de la variation de la résistivité du produit et de la résistance de contact. Les propriétés du matériau telles que la résistivité (ρa), la conductivité thermique (λ) et le coefficient de température (α0) sont importantes. ΔT est inversement proportionnel à la section transversale.

La chute de tension dépend de l'intensité du courant et de la résistance des barres omnibus. L'impédance en courant alternatif est supérieure à celle en courant continu en raison d'effets liés à la régularité, tels que les effets de peau et de proximité.

3. Critères de conception requis

Pour déterminer correctement les dimensions, il est indispensable de disposer d'informations précises concernant les problèmes électriques et environnementaux :

• Courant continu optimal : Courant de fonctionnement en régime permanent.
• Température ambiante optimale : Élément essentiel pour les calculs thermiques. Une température ambiante plus élevée réduit la capacité de transfert thermique. Des normes telles que la CEI 61439-1 fixent des limites (par exemple, +40 °C max., moyenne sur 24 heures de +35 °C).
• Élévation de température admissible : Température maximale admissible au-dessus de la température ambiante, définie par des critères (CEI, UL, ANSI) et des indices d'isolation. Exemples : la norme ANSI C37.20 autorise une élévation de 65 °C au-dessus d'une température ambiante de 40 °C avec un revêtement en argent, et de 30 °C sans revêtement. La norme BS 159 autorise une augmentation de 50 °C par rapport à une température ambiante moyenne de 35 °C. Le classement actuel est établi à partir d'essais d'augmentation de température.

Autres caractéristiques techniques :

• Type existant (AC/DC) et régularité (A/C) : Cela a des répercussions sur la circulation actuelle.
• Configuration des versements : L'espace, la circulation de l'air, les barres parallèles, l'espacement, l'alignement ont une incidence sur la dissipation de la chaleur et la répartition actuelle.
• Produits de barres omnibus pour les logements et les locaux commerciaux: Résistivité, conductivité, coefficient de température.
• Thérapie par surface : Cela influe sur la dissipation de la chaleur par rayonnement.
• Altitude : Cela peut nécessiter une réduction de la puissance nominale.
• Court-circuit existant et durée : En cas d'erreur, soumettre à vérification.

Ces spécifications fournissent des indications sur les options de méthode et le déclassement permettant de déterminer les dimensions requises.

4. Effet de la configuration

La disposition physique et l'environnement ont une influence considérable sur la capacité de charge et le rendement thermique.

Boîtier/Ventilation : Les barres omnibus installées en enceinte ont une intensité admissible inférieure à celle des barres installées à l'extérieur en raison d'une circulation d'air limitée. L'intensité admissible, exprimée en unités, est principalement déterminée par des essais d'élévation de température (UL, ANSI). Les règles simples de calcul de l'épaisseur en fonction du courant ne sont pas fiables pour les systèmes installés en enceinte. La dissipation de puissance doit rester dans les limites de la capacité de l'enceinte. Le refroidissement forcé augmente la capacité par rapport à la convection naturelle.

Barres parallèles / Réduction de la puissance nominale : Des barres identiques augmentent la capacité ; toutefois, un partage inégal se produit en raison des tolérances, des raccordements et de la réactance. Cela nécessite de réduire la capacité de courant totale indiquée en dessous de la valeur correspondant à un nombre spécifique de barres. Les facteurs de réduction augmentent à mesure que le nombre de barres identiques augmente. La capacité des barres $n$ est bien inférieure à $n$ fois la capacité d’une seule barre.

Espacement/Orientation : L'espacement influe sur le transfert thermique et la proximité a des répercussions. Un espacement accru favorise la dissipation thermique et augmente la capacité de charge. Les configurations côte à côte permettent un refroidissement moins efficace que celles en empilement. Optimiser l'espacement entre les nervures et les perforations améliore le transfert thermique. La ventilation horizontale de la surface inférieure est moins fiable.

Équipements compacts/de type sandwich : L'encapsulation permet de réaliser des circuits de petite taille. Un espacement réduit diminue l'inductance, la résistance, la chute de tension et les pertes par dissipation.

Diverses autres variables : Les modules métalliques (en aluminium) réduisent les effets de proximité et l'échauffement des modules. Une installation en hauteur nécessite un déclassement. Des connexions défectueuses provoquent un échauffement du module ; il est essentiel d'assurer une pression de contact suffisante.

Un facteur de condition combiné (K) tient compte des influences suivantes : type de barres (k1), surface (k2), emplacement (k3, k4), débit d'air ($k5) et type existant (k6). La peinture améliore la dissipation (k2 = 1,15). Les facteurs liés à l'emplacement varient (k3 = 1 pour un montage sur le bord, k3 = 0,95 pour un montage à la base, par exemple).

5. Influence des applications en courant alternatif par rapport à celles en courant continu

Le type de courant, en particulier la fréquence de la courant alternatif, influence la circulation du courant par le biais des effets de peau et de proximité, ce qui augmente la résistance au courant alternatif et les pertes.

Effet de peau : La climatisation existante concentre l'air près de la surface, ce qui réduit la surface effective. Ce phénomène est plus marqué à des fréquences plus élevées. La profondeur de peau (épaisseur du courant descend jusqu’à ~ 37%) est d’environ 8,5 mm pour le cuivre à 50 Hz. Cela limite la densité efficace des barres omnibus à moins de 10 mm. Des facteurs ( ys) et des formules empiriques permettent d’estimer les pertes supplémentaires.

Impact de proximité : Les champs électromagnétiques émis par des conducteurs situés à proximité génèrent des courants de Foucault, qui s'accumulent dans certaines zones. Cela augmente la résistance au courant alternatif et les pertes, en particulier lorsque les conducteurs sont très proches les uns des autres. Les pertes de puissance peuvent augmenter plus rapidement que la distance.

Le facteur de distance (K = RAC/RDC) permet d'évaluer l'augmentation de la résistance. Une diminution de l'espacement entraîne une augmentation du facteur de distance et des pertes.

Impact et atténuation intégrés : Ces deux effets augmentent la résistance du climatiseur, les pertes I2R et la chute de tension. Ceci est particulièrement important pour les courants élevés (> 2 000 A) et les réseaux étendus.] Même de faibles augmentations des pertes ont un impact financier. Une réactance déséquilibrée entraîne des déséquilibres de tension et des forces électrodynamiques.

Techniques de réduction :

• Espacement des impulsions : Réduit l'influence du champ magnétique.
• Entrelacement/Transposition : S'ajuste parmi les barres identiques existantes.
• Géométrie des barres omnibus: Plusieurs barres fines absorbent bien mieux les chocs contre la peau qu’une seule barre épaisse.
• Pièces jointes : Les pièces métalliques (en aluminium) atténuent les effets de proximité.

L'effet mixte est pris en compte par un facteur de correction (S) = aspect de la peau (Sk) * aspect de la proximité (Sp).

6. Méthodes de calcul et exigences

Le dimensionnement repose sur des méthodologies s'appuyant sur des normes de sécurité et de fiabilité. Les techniques permettent de calculer la section requise en fonction de l'élévation de température admissible pour un courant continu, en tenant compte des conditions environnementales et des effets de la climatisation. Ce processus est souvent répétitif [15]

Critères clés :

• IEC 61439 (Appareillage basse tension) : Remarque importante concernant les barres omnibus dans les installations. La norme CEI 61439-2 s’applique aux ensembles PSC ; les valeurs nominales existantes doivent être conformes aux fiches techniques dans les conditions ambiantes spécifiées. Les valeurs nominales existantes doivent rester valables après déclassement ; les barres omnibus principales doivent être dimensionnées pour supporter des courants supérieurs à leur valeur nominale.

1. Vérification de l'augmentation de la température : Ces techniques comprennent notamment les tests de type, le contraste ou le calcul.
2. Confirmation du devis : Autorisé pour des installations ≤ 1 600 A en application de normes telles que la CEI TR 60890. Nécessite un courant nominal du circuit ≥ au courant nominal du modèle. Des limites d’estimation s’appliquent (≤ 1 600 A, composants déclassés à 80%). Pour les compartiments isolés d’une alimentation totale ≤ 630 A, l’estimation est autorisée si les données de pertes sont fournies, si les pertes sont uniformes et si les courants de circuit sont ≤ 80 % de la valeur nominale en air libre.
3. Facteur de diversité classé (RDF): 1,0 pour les barres omnibus primaires droites dans les essais et calculs selon la norme CEI 61439-2.
   Section minimale : les spécifications peuvent indiquer une section minimale (par exemple, 125% pour le courant requis).
4. Dissipation de puissance : La perte totale liée à la mise en service doit rester dans les limites de la capacité de l'unité.
5. Normes UL et ANSI : Utilisé aux États-Unis et au Canada. Le dimensionnement s'effectue généralement à partir d'essais d'élévation de température. Eaton utilise la norme UL/ANSI prévoyant une élévation de 65 °C par rapport à une température ambiante de 40 °C.

• Critères NEMA : Directives relatives à la conception et aux essais.
• Copper Growth Organization (CDA) : Ces ressources comprennent des solutions simplifiées, des méthodes visuelles et des tableaux d'ampacité.
• Données empiriques/formules : À utiliser lorsque la simulation n'est pas envisageable. À utiliser avec prudence et à vérifier.
• Calculs de court-circuit : Les spécifications proposent des solutions pour assurer la résistance thermique et mécanique.

Le choix de la technique dépend de la complexité du système, du niveau de précision requis, du calendrier de mise en œuvre et des normes réglementaires. Les systèmes installés sur site ou ceux qui dépassent les limites de calcul nécessitent une validation physique.

7. Sélection des dimensions physiques

Après avoir déterminé la section transversale requise, choisissez une taille et une densité adaptées. Tenez compte des dimensions de base, de la résistance mécanique, des performances thermiques et de la circulation du courant.

Les barres omnibus en cuivre sont disponibles dans des dimensions rectangulaires standard. Choisissez les dimensions correspondant à l'emplacement prévu (par exemple, pour une longueur de 500 mm, on peut opter pour une section de 50 × 10 mm ou pour plusieurs barres parallèles).

Facteurs à prendre en compte pour le choix des dimensions :

• Dimensions de base : Simplifie l'achat et réduit les coûts.
• Endurance mécanique : Il faut résister au poids, aux forces d'installation et aux forces électrodynamiques de court-circuit. Les dimensions et l'espacement influent sur la rigidité.
• Rendement thermique : La surface est essentielle à la dissipation de la chaleur. Des barres plus larges et plus fines offrent une plus grande surface, ce qui permet une bien meilleure ventilation et
• une capacité de charge plus élevée.
• Circulation actuelle (AC) : Les effets de peau et de proximité ont une incidence sur la circulation. L'utilisation de plusieurs barres plus fines peut améliorer le rendement du courant alternatif. L'espacement des barres parallèles permet de gérer les effets de proximité.
• Conditions de connexion : Les dimensions doivent être adaptées aux bornes des appareils. L'espace généreux prévu pour les raccordements boulonnés garantit une faible résistance de contact.
• Restrictions géographiques : Les dimensions doivent être adaptées à l'enceinte ou au local d'installation. Les systèmes portables occupent moins d'espace.

La densité actuelle constitue un critère restrictif. L'épaisseur admissible est plus élevée pour les barres plus fines. Une estimation approximative pour le cuivre dans l'air au repos est d'environ 2 A/mm².

Le choix des dimensions finales tient compte à la fois du rendement électrique et thermique, des contraintes mécaniques, de l'espace disponible, du prix et de la facilité de fabrication.

8. Dispositifs avancés de mesure et d'évaluation

Un logiciel de pointe permet une analyse et une optimisation complètes des systèmes d'installations, des courants élevés et des phénomènes transitoires à l'aide de la méthode des éléments finis (FEA) et de la dynamique des fluides computationnelle (CFD).

CENOS BBH : Analyse conjointe des aspects électromagnétiques, thermiques et architecturaux des barres omnibus CA/CC. Simule la distribution existante, le chauffage domestique par effet Joule, les points chauds, la chute de tension et la contrainte thermique. Permet la modification et l'optimisation de la conception. Prend en charge les analyses en régime permanent et transitoire.

Ansys : Simulation combinée électromagnétique (Maxwell) et thermique (Icepak). Utile pour les barres omnibus des onduleurs. Le solveur à court terme de Maxwell identifie la circulation des pertes ohmiques (liées notamment aux effets de la climatisation), puis transmet ces données à Icepak pour une évaluation thermique. .

EMWorks : Simulation électrothermique axée sur la résistance à la production de chaleur. Le solveur de transport électrique intégré à l'analyse thermique simule la surface, la densité de courant, la puissance, la température et les flux thermiques. Nécessite les caractéristiques du produit, les données d'entrée (convection, température ambiante) et le maillage.

JMAG-Designer: Comprend l'analyse des contraintes thermiques des barres omnibus. Permet de prévoir l'élévation et les variations de température résultant de la génération de chaleur due au champ magnétique.

Ces appareils permettent une analyse approfondie, bien au-delà des méthodes manuelles :

• Concevoir des géométries et des agencements complexes.
• Compenser la répartition inégale de l'air conditionné.
• Simuler des phénomènes transitoires (courts-circuits, modifications de tension).
• Évaluer les différentes méthodes de récupération.
• Anticiper la répartition des températures et les points chauds.
• Passer en revue les problèmes mécaniques (dilatation thermique, forces électromagnétiques).
• Optimiser les dimensions, l'espacement et les matériaux.

Elles nécessitent des connaissances spécifiques, mais permettent d'affiner les conceptions, de garantir la conformité et de repousser les limites de capacité. La CFD évalue l'augmentation de la température dans diverses conditions. Des formules analytiques permettent de calculer automatiquement la capacité de courant et le coefficient de transfert thermique. La simulation peut compléter ou remplacer les essais physiques au cours de la conception.