Fusibles et disjoncteurs

Fusibles et disjoncteurs
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Résumé
Cet article analyse divers systèmes de protections des hommes et des installations : fusibles,
disjoncteurs thermiques et magnétiques et disjoncteurs différentiels, et montre l'intérêt de
chacun de ces appareils.
Les disjoncteurs ont pour but de protéger :


les installations, de courants d'intensités trop élevées susceptibles de les endommager ;
les hommes, de l'électrocution.
Protection des installations
La protection des installations se fait grâce à un système qui coupe le courant lorsqu'il dépasse
un seuil jugé dangereux (fusion des circuits, incendie...) pour les instruments électriques à
travers lesquels ce courant passe.
Fusibles
Le système le plus élémentaire est celui du fusible, qui fond dès que l'intensité du courant
devient trop élevée, coupant ainsi le circuit. Le fusible le plus simple est constitué par un fil
de plomb en contact avec l'air extérieur, et intégré dans le circuit à protéger. Sous l'effet du
courant traversant le circuit, le fusible s'échauffe d'autant plus que l'intensité est élevée. Le
rayon du fusible est calculé pour que ce-dernier fonde dès que l'intensité atteint la valeur
maximale autorisée pour l'installation considérée.
Les fusibles peuvent prendre des formes différentes, toutes basées sur le même principe. On
voit de moins en moins de fils fusibles "à l'air libre", car la majorité des fusibles sont
maintenant le plus souvent constitués d'un fil à l'intérieur d'un cylindre en céramique (on les
retrouve à l'intérieur des prises, sur certains tableaux électriques, etc.), ou encore dans un
cylindre en verre (ces fusibles sont souvent utilisés dans les circuits électroniques).
D'autres types de fusibles existent : citons pour mémoire les fusibles à lamelle et les fusibles à
languette, utilisés essentiellement dans les circuits de démarrage automobile, et dont le
principe de fonctionnement est semblable au précédent.
Enfin, une variété plus récente de fusibles utilise un matériau explosif. Lorsque le courant est
trop élevé, ce matériau explose, poussant de ce fait un piston qui va couper le circuit.
L'inconvénient majeur du système de fusibles est qu'à chaque fois que le courant est coupé, il
faut changer le fusible. Les fusibles dans lesquels le fil n'est pas visible (fusibles en céramique
en particulier) doivent en outre être testés pour savoir s'ils sont bien responsables de la rupture
du courant dans le circuit.
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Disjoncteurs
Principe
Le disjoncteur est un interrupteur qui coupe le circuit à chaque fois que l'intensité du courant
est trop élevée. Avec ce système, pas de fusible à changer : remettre l'installation sous tension
se fait simplement en remettant l'interrupteur en position " on ", bien entendu après avoir
d'abord éliminé le défaut à l'origine de l'élévation d'intensité détectée.
Les disjoncteurs les plus simples utilisent un électroaimant ou une bilame métallique.
L'électroaimant, lorsque l'électricité augmente, produit un champ magnétique qui, au-delà
d'une certaine intensité, va devenir assez fort pour faire basculer l'interrupteur.
La bilame métallique est un dispositif qui utilise deux lames métalliques accolées de
coefficients de dilatation différents. Sous l'effet du passage du courant, les métaux chauffent,
la lame se courbe, et déplace l'interrupteur qui coupe le courant.
Figure 1.
En haut, la bilame non chauffée. En bas, la bilame chauffée : les métaux se dilatent de façons
différentes. Si on suppose que le métal qui se trouve sur le dessus de la bilame (en orange sur
le dessin) se dilate moins que celui qui se trouve au-dessous, la bilame se courbe vers le haut.
En fait, ces deux types de disjoncteurs n'ont pas exactement le même type de comportement.
L'électroaimant coupe le courant rapidement en présence d'une forte surcharge (typiquement,
un centième à un dixième de seconde). Il convient donc parfaitement pour une surcharge
subite et intense.
Etude d'un disjoncteur type :
Voici ci-dessous deux photos d'un disjoncteur à électroaimant et bilame métallique (il s'agit
donc d'un disjoncteur magnétothermique), en position "on" et en position "off". Ce
disjoncteur est un vieux disjoncteur jeté au rebut qui a été récupéré et démonté :
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Figure 2.
Disjoncteur en position "off"
1. bilame métallique
2. électroaimant (presque entièrement caché sur la photo)
3. contacts (ici, le disjoncteur est en position "off", le circuit est donc ouvert, et on voit
nettement entre les deux contacts une partie noircie, qui n'est pas surprenante puisqu'il
s'agit d'un disjoncteur qui a dû être jeté au rebut)
4. chambre de coupure
5. interrupteur
Figure 3.
Disjoncteur en position "on"
Sur cette photo, contrairement à la précédente, le circuit est fermé. Pour faire fonctionner le
système, cependant, on a eu besoin de garder une partie du couvercle (qui permet de maintenir
les axes des rouages en place et donc de faire fonctionner le tout correctement) que l'on voit
dans la partie supérieure de la photo.
Ces images appellent quelques commentaires et précisions...
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Voici une image de l'électroaimant vu de près :
Figure 4.
photo de l'électroaimant contenu dans le disjoncteur
La tige métallique que l'on voit sortir à droite de l'électroaimant est reliée à un petit noyau
métallique mobile à l'intérieur de la bobine. Ce noyau -et donc la tige- se déplace vers la
gauche lorsque le courant augmente. La tige entraine alors le contact et coupe le courant.
L'ensemble 3 et 4 correspond à la "chambre de coupure". Lorsque le disjoncteur se déclenche,
un arc électrique se crée au niveau où le contact est rompu. Cet arc électrique se crée entre les
deux contacts puis, pour éviter qu'il n'endommage le disjoncteur, est guidé vers l'élément
numéro quatre. Cet élément est composé de nombreuses petites languettes de cuivre, les
déions, qui divisent l'arc électrique en plusieurs sous-arcs.
Figure 5.
Vue de plus près des "déions"
En fait, le disjoncteur est un peu plus complexe que ce qui est visible ici. Il possède une
deuxième partie, en-dessous de celle qui est photographiée, avec une deuxième chambre de
coupure et quelques rouages supplémentaires.
Figure 6.
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Deuxième face du disjoncteur
1.
2.
3.
4.
et 1'. Lieu d'arrivée et de départ du courant
Electroaimant
Contacts
Chambre de coupure
Cependant, l'existence de cette deuxième partie, si elle rend le système un peu plus complexe,
n'en change pas le principe.
Protection des hommes
Principe
Les systèmes de protection des installations ne protègent pas toujours efficacement les
hommes de l'électrocution.
Prenons le cas d'un appareil électrique dans lequel le fil de phase vient à toucher la carrosserie
de l'appareil. Un homme qui touche cette-dernière est alors électrocuté par un courant qui va
passer à travers sa main, son corps, et arriver à la terre par ses pieds. Dans cette circonstance,
cependant, l'intensité traversant le circuit ne va pas dépasser les normes autorisées (comme
c'est le cas dans le cas d'un court-circuit) et le disjoncteur ne va pas se déclencher. Pour
protéger les hommes, il ne suffit donc pas de détecter l'intensité du courant traversant le
circuit, il faut aussi détecter les " fuites " de courant (en l'occurrence, à travers la personne qui
touche à la carrosserie de l'appareil défecteux) et couper le courant dès qu'une telle fuite est
détectée. C'est ce que fait le disjoncteur différentiel.
Fonctionnement
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Un fil électrique isolé traversé par un courant électrique crée un champ magnétique autour de
lui. Si deux fils traversés par le même courant, mais dans le sens opposé, sont placés tout près
l'un de l'autre, les champs magnétiques créés par ces deux fils se compensent, donc le champ
magnétique total est nul. Si, par contre, une différence d'intensité existe entre les courants qui
traversent les deux fils précédents, le champ résultant induit est non nul.
Dans un disjoncteur différentiel, la phase et le neutre, placés côte à côte, passent à travers une
bobine annulaire reliée à un dispositif qui coupe le courant dans l'installation si la bobine est
traversée par un courant.
Figure 7.
Bobine traversée par la (les) phase(s) et le neutre à l'intérieur d'un disjoncteur différentiel
1. et 1'. entrée et sortie du courant. Il y a 4 fils, correspondant aux trois phases et au neutre.
D'un côté (1), le système est relié à l'interrupteur qui va couper le courant en cas de
problème. De l'autre (1'), le système est relié à l'installation électrique de la maison.
2. Bobine (on voit le fil de bobinage à droite, enroulé entour du tore blanc)
Si tout est normal dans l'installation, les intensités " entrant " et " sortant " de l'installation (par
1 et 1'), donc les intensités traversant la phase et le neutre, sont égales, et aucun champ
magnétique n'est créé. Dans ces conditions, la bobine (2) n'est parcourue par aucun courant.
Si une fuite de courant apparaît, au contraire, la différence entre la phase et le neutre devient
non nulle, un champ magnétique apparaît, qui va induire un courant électrique dans la bobine
(2) : un dispositif, visible au fond sur la photo, et détaillé dans la photo ci-dessous, coupe
alors le courant.
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Figure 8.
Dispositif de coupure du courant : le courant vient de la bobine (2) via les fils (3). Ils
alimentent la bobine (4)(électroaimant) qui, lors d'une fuite de courant, va attirer (5) et faire
tourner le système autour de l'axe (6). Cet axe met en branle des rouages qui coupent le
circuit.
Les installations électriques d'une maison sont équipées (normalement!) des deux types de
disjoncteurs : ils se complètent et permettent ainsi de protéger, et les installations, et les
hommes...
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