Table des matières
Vue d'ensemble
Les normes de sécurité appropriées doivent être respectées lors de l'utilisation de systèmes électriques. Les défauts tels que l'éclair d'arc électrique peuvent devenir suffisamment dangereux pour causer de graves dommages aux personnes et aux biens, voire la mort dans certains cas. L'éclair d'arc se produit lorsque le courant circule dans l'air entre les conducteurs de phase, entraînant la dissipation d'une grande quantité d'énergie thermique sous forme de chaleur rayonnante, convective et conductive.
La peau humaine est sujette à des brûlures au second degré lorsqu'elle est exposée à des énergies incidentes supérieures à 1,2 cal/cm2. C'est pourquoi il est essentiel de mener des études d'éclair d'arc électrique lors de la conception des systèmes de protection et de la sélection des équipements de protection individuelle (EPI) pour protéger le personnel travaillant sur des équipements électriques.
Les différentes normes utilisent des méthodes différentes pour calculer les énergies et les courants incidents des éclairs d'arc, et les exigences en matière de distance de travail varient.
Dans cet article, un calcul complet de l'éclair d'arc électrique en courant alternatif pour une installation industrielle est expliqué étape par étape.
Méthode et limites de la norme IEEE 1584
La norme IEEE 1584-2018 [1] fournit un processus analytique pour calculer le courant d'arc, l'énergie incidente et la limite de l'éclair d'arc pour l'analyse de l'éclair d'arc. Cette méthode peut être utilisée pour les tensions de système et les courants de défaut boulonnés suivants,
Systèmes triphasés à courant alternatif avec des tensions de 208 V à 15 kV
Courants de défaut boulonnés entre 500 A et 106 kA (pour des tensions triphasées de 208 V à 600 V)
Courants de défaut boulonnés entre 200 A et 65 kA (pour des tensions triphasées de 601 V à 15 kV)
Exemple de calcul de l'éclair d'arc électrique
Considérons un système basse tension (BT) alimenté par un transformateur 11/0,4 kV, 250 kVA au tableau de distribution principal, via un câble unipolaire en cuivre de 185 mm2. Il est connecté à un tableau de distribution par l'intermédiaire d'un câble unipolaire en cuivre de 95 mm2. Les charges 0 et 1, d'une intensité nominale de 45 A chacune, sont alimentées depuis le tableau de distribution par des câbles unipolaires en cuivre de 16 mm2. Le niveau de défaut primaire est de 15 kA. Le système est modélisé dans le calculateur de réseau BT du logiciel Web ELEK Cable Pro; un schéma unifilaire du réseau décrit est présenté à la figure 1.
Données requises pour une étude sur l'éclair d'arc électrique (IEEE 1584:2018)
Distance de travail
La distance de travail est la distance minimale entre l'équipement électrique, les conducteurs et le personnel pour garantir la sécurité. La norme IEEE 1584:2018 [1] recommande une distance de travail minimale de 304,8 mm (12 pouces). Toute distance inférieure pourrait placer le travailleur à portée du nuage de plasma d'arc et des gouttelettes de métal.
Si la distance de travail est inconnue, les utilisateurs peuvent se référer aux distances de travail typiques pour différentes classes d'équipement spécifiées dans la norme IEEE 1584:2018 [1], comme le montre la figure 2. Il s'agit de lignes directrices, et d'autres distances de travail peuvent être utilisées en fonction de la tâche à accomplir.
Configuration des électrodes
Les calculs de l'éclair d'arc IEEE 1584:2018 [1] prennent en compte d'autres facteurs essentiels, à savoir les effets de l'électrode, de la configuration de l'électrode et des dimensions de l'enceinte sur l'arc. La construction de l'enceinte peut diminuer ou augmenter la gravité de l'éclair d'arc dans une certaine mesure, et des valeurs réalistes d'énergie incidente à la distance de travail doivent être prises en compte lors du calcul de la limite d'éclair d'arc et des exigences en matière d'EPI qui pourraient ne pas être réalisables.
Les différentes configurations d'électrodes selon l'IEEE sont les suivantes : VCB (électrodes verticales, boîtier métallique), VCBB (électrodes verticales terminées par une barrière isolante, boîtier métallique), HCB (électrodes horizontales, boîtier métallique), VOA (électrodes verticales, à l'air libre) et HOA (électrodes horizontales, à l'air libre), comme le montre la figure 3.
Dimensions de l'espace entre les électrodes et du boîtier
L'espace entre les électrodes du conducteur est plus petit dans les équipements à basse tension et plus long dans les équipements à moyenne et haute tension. La figure 4 indique l'espace typique entre les électrodes et les dimensions de l'enceinte pour le modèle d'éclair d'arc IEEE 1584:2018 [1]. Il est préférable d'utiliser les mesures d'écartement réelles de l'équipement installé, qui ne sont pas toujours disponibles. Dans ce cas, les mesures d'écartement typiques peuvent fournir des valeurs à peu près correctes. L'utilisateur peut également se référer aux écartements typiques de la norme NFPA 70E : Standard for Electrical Safety in the Workplace [2], illustrée à la figure 5.
Dans cet exemple, le tableau de distribution principal a un espace entre les électrodes de 32 mm et le tableau de distribution a un espace de 25 mm, conformément au tableau IEEE 1584. Les tailles d'armoire correspondantes, 508 mm x 508 mm x 508 mm et 355,6 mm x 304,8 mm x 203,5 mm, sont sélectionnées respectivement pour le tableau principal et le tableau de distribution.
Tension d'alimentation
La tension d'alimentation est la tension alternative triphasée au niveau de l'appareillage de commutation, qui dans cet exemple est de 400 V.
Courant de défaut boulonné
Une étude ou un calcul du niveau de défaut permet de déterminer le courant de défaut boulonné. Les niveaux de courant de défaut typiques selon IEEE 1584 : 2018 [1] sont les suivants :
208 à 600 V : jusqu'à 106 kA
601 à 15 kV : jusqu'à 65 kA
Les courants de défaut potentiels des boulons sont déjà définis pour chaque tableau de distribution dans le problème.
Courant de défaut boulonné au tableau principal = 7,56 kA
Courant de défaut boulonné au tableau de distribution = 5,70 kA
Durée de l'arc
La durée de l'arc est déterminée à partir des caractéristiques temps-courant du dispositif de protection du tableau de distribution lorsque le courant d'arc est déclenché. Cette durée dépend du type de dispositif de protection (disjoncteur, disjoncteur de protection contre les incendies, disjoncteur de protection contre les incendies ou fusible) et des réglages du dispositif. Il est donc très important de disposer de ces informations avant de procéder aux calculs de l'éclair d'arc électrique. Les dispositifs suivants sont utilisés pour chaque tableau de distribution étudié :
Tableau principal : ACB générique, 160-400 A, LSI électronique
Tableau de distribution : ACB générique, 100-250 A, LSI électronique
Si aucun dispositif de protection n'est présent ou si le défaut n'est pas éliminé par le dispositif de protection, une durée d'arc maximale de 2 secondes est considérée. Ceci est basé sur la clause 6.9.1 de l'IEEE 1584:2018 [1], qui stipule que 2 secondes est une hypothèse raisonnable de la durée pendant laquelle une personne est susceptible de s'éloigner de l'emplacement de l'éclair d'arc.
Pour l'exemple considéré, le temps d'élimination du défaut basé sur la courbe temps-courant pour les deux tableaux de distribution est de 110 ms. Cela signifie que lorsque le courant de défaut potentiel se produit pour le tableau principal (7,56 kA) et le tableau de distribution (5,70 kA), les dispositifs de protection mettront 110 ms à se déclencher et à éliminer le défaut.
Réduction de la durée de l'arc
La norme IEEE 1584:2018 [1] calcule également un courant d'arc et une énergie incidente réduits. Cela permet de tenir compte de l'effet de la variation du courant d'arc sur le fonctionnement des dispositifs de protection. Les dispositifs de protection sont réglés pour se déclencher plus rapidement à mesure que le courant de défaut augmente. Inversement, un courant d'arc plus faible mettrait plus de temps à déclencher l'OCPD, avec une durée d'arc plus longue. Par conséquent, l'énergie incidente (= courant d'arc2 * temps) peut être plus élevée et plus dangereuse pour le personnel. Un équipement de protection individuelle (EPI) plus strict serait donc nécessaire.
Les résultats de l'énergie incidente et de la limite de l'arc électrique obtenus en utilisant le courant d'arc et le courant d'arc réduit peuvent être différents. L'énergie incidente finale ou la limite de l'arc électrique est la plus élevée des deux valeurs calculées.
Résultats de l'étude sur l'éclair d'arc électrique
Résultats du courant d'arc, de l'énergie incidente et des limites de l'éclair d'arc
Le tableau 1 ci-dessous présente les résultats de l'éclair d'arc pour les tableaux de distribution et les tableaux principaux.
Tableau 1. Résultats du calcul de l'éclair d'arc électrique
| Paramètres | Tableau principal | Tableau de distribution | Limite de l'éclair d'arc (mm) |
|---|---|---|
| 451 | 279 | |
| Limite de l'éclair d'arc (mm) | 490 | 302 |
| Énergie incidente (cal/cm2) | 0.743 | 0.544 |
| Énergie incidente (cal/cm2) | 0.846 | 0.620 |
| Courant d'arc réduit (kA) | 4.424 | 3.389 |
| Courant d'arc (kA) | 5.071 | 3.885 |
| Exigences en matière d'EPI | Catégorie 1 | Catégorie 1 |
Le courant d'arc et les courants d'arc réduits ainsi que les énergies incidentes correspondantes sont calculés. L'énergie incidente est plus faible pour les tableaux de distribution car le courant de défaut boulonné est plus faible. Par conséquent, la limite d'éclair d'arc pour les tableaux de distribution est également inférieure. Dans cet exemple, les tableaux de distribution spécifient la même catégorie et le même indice d'arc pour les EPI. Il est également possible que les exigences en matière d'EPI varient d'un tableau de distribution à l'autre en fonction des énergies incidentes calculées.
Équipement de protection individuelle (EPI)
Les équipements de protection individuelle (EPI), tels que les chemises, les combinaisons, les écrans faciaux, les lunettes de sécurité, etc., protègent le personnel exposé à des arcs électriques potentiels. Les exigences minimales en matière d'EPI dépendent de l'énergie incidente calculée. Pour spécifier des exigences conservatrices en matière d'EPI, la norme IEEE 1584:2018 [1] utilise les énergies incidentes les plus élevées calculées pour les courants d'arc et les courants d'arc réduits.
La méthode IEEE 1584:2018 [1] calcule l'énergie incidente et détermine la limite de l'éclair d'arc (AFB). L'AFB représente la distance de la source d'arc à laquelle l'énergie incidente atteint 5 J/cm2( équivalent à 1,2 cal/cm2). Cette distance est la distance de travail minimale pour l'équipement, représentant l'espace entre la source d'arc et le personnel qui y est exposé, ce qui est essentiel pour prévenir les blessures. On sait en effet que des énergies incidentes supérieures à 5 J/cm2 peuvent potentiellement provoquer des brûlures au second degré.
Pour le problème de l'exemple, les énergies incidentes calculées sont les suivantes :
Tableau principal : 0,846 cal/cm2
Tableau de distribution : 0,620 cal/cm2
Le guide de gestion des risques d'éclair d'arc électrique [3] est utilisé comme source de catégories pour les EPI. Selon cette directive, les tableaux de distribution principaux et de distribution relèvent tous deux de la catégorie 1 des catégories d'EPI, qui spécifie les EPI pour des énergies incidentes allant jusqu'à 4 cal/cm2.
La catégorie 1 requiert l'utilisation des EPI suivants :
Chemise à manches longues homologuée Arc
Pantalon ou salopette résistant à l'arc électrique
Écran facial résistant aux arcs électriques avec casque de protection
Lunettes de sécurité
Protection auditive
Gants en cuir et gants anti-tension (si nécessaire)
Chaussures de travail en cuir
Équipement de protection individuelle (EPI)
Les étiquettes de mise en garde contre l'éclair d'arc sont également générées en fonction de la catégorie d'EPI dont relève l'équipement. Le modèle dépend de la norme de référence. Pour ce problème, le modèle de la directive sur la gestion des risques d'éclair d'arc électrique [3] sera utilisé.
Les figures 7 et 8 montrent les étiquettes de mise en garde contre l'éclair d'arc électrique requises pour les tableaux de distribution principaux et de distribution, compte tenu des résultats du calcul de l'éclair d'arc électrique.
Recommandations
Une étude de court-circuit est une condition préalable au calcul de l'éclair d'arc, car les courants d'arc calculés et les énergies incidentes dépendent du courant de court-circuit potentiel qui se produirait sur un tableau de distribution.
Il est également préférable de disposer des résultats d'une étude de coordination des protections avant de procéder aux calculs de l'éclair d'arc, car les réglages des dispositifs de protection détermineront le temps d'élimination des défauts pour chaque tableau de distribution, ce qui déterminera la durée de l'arc. Si aucune étude de coordination des protections n'est disponible, une durée d'arc maximale de 2 secondes peut être considérée sur la base de la norme IEEE 1584:2018 [1].
Les calculs de l'éclair d'arc électrique permettent de déterminer les zones à haut risque d'éclair d'arc électrique. Les résultats de ces calculs permettent de déterminer les éléments suivants :
Établir des limites de protection (limites de l'éclair d'arc électrique) là où des brûlures au second degré sont susceptibles de se produire.
Identifier les étiquettes d'avertissement appropriées pour atténuer les risques existants liés à l'équipement sous tension.
Déterminer l'équipement de protection individuelle (EPI) adéquat pour éviter les blessures
La norme IEEE 1584:2018 [1] prévoit également des procédures supplémentaires pour calculer les courants d'arc et les énergies incidentes sur la base d'une durée d'arc réduite, principalement en raison des temps de réponse variables des dispositifs de protection. Il s'agit de considérer que des niveaux de défaut plus élevés déclenchent les dispositifs plus rapidement et vice versa, ce qui peut entraîner une énergie incidente plus élevée (I2t). Le courant et la durée de l'arc sont directement proportionnels à l'énergie incidente. Les valeurs les plus élevées pour l'énergie incidente et la limite de l'éclair d'arc provenant du courant d'arc et du courant d'arc réduit seront utilisées comme valeurs finales.
Le calculateur de réseau BT de ELEK Cable Pro Web peut effectuer des calculs d'éclair d'arc pour un réseau modélisé. Les courants de court-circuit pour chaque équipement sont automatiquement calculés sur la base du niveau de défaut à la source lorsqu'il se propage en aval. Les durées d'arc sont également basées sur les réglages de protection des dispositifs de protection concernés.
Conseils et suggestions
Si les dessins d'atelier de l'appareillage de connexion ne sont pas disponibles, la norme IEEE 1584:2018 [1] peut fournir des valeurs typiques pour les distances de travail, les espaces entre les électrodes et les dimensions des boîtiers.
Dans les cas où les données concernant les réglages de protection et les temps d'élimination des défauts sont inconnus, une durée d'arc conservatrice de 2 secondes peut être prise en compte pour les calculs.
Les calculs doivent également tenir compte des durées d'arc réduites, qui peuvent entraîner des énergies incidentes et des limites d'éclair d'arc plus élevées. Dans ce cas, une catégorie d'EPI et une étiquette d'avertissement plus élevées peuvent être requises. Une limite d'éclair d'arc plus élevée peut également être recommandée.
Références
[1] IEEE 1584:2018 : Guide IEEE pour l'exécution des calculs de danger d'arc électrique
[2] NFPA 70E : Norme pour la sécurité électrique sur le lieu de travail
[3] Directive sur la gestion des risques d'éclair d'arc électrique
[4] Logiciel ELEK Cable Pro Web, version 7.0 (2024).
