TechniqueLe dimensionnement des câbles électriques est une étape cruciale pour garantir la sécurité et la performance d’une installation électrique. Une mauvaise sélection du câble peut entraîner des échauffements excessifs, des pertes d’énergie ou une dégradation prématurée du réseau.
Pour la détermination de la section des conducteurs actifs, plusieurs facteurs sont à prendre en compte:
- La vérification de l’intensité admissible en régime permanent
- La chute de tension
- La vérification de la tenue à la contrainte thermique
Le courant de dimensionnement
Dans le cas le plus courant où le câble est protégé par un dispositif de protection contre les surcharges, les conditions à respecter sont les suivantes
- Le courant admissible de la canalisation (Iz) est supérieur au courant assigné (In) ou de réglage (Ir) de la protection
- Le courant conventionnel de déclenchement de la protection (I2) est inférieur à (1,45 x Iz)
Ce qui se traduit pour une protection par disjoncteur par: Iz ≥ In
Et pour une protection par fusible gG/gM par:
- si In ≤ 4 A alors Iz ≥ 1,45 x In
- si 4A < In < 16 A alors Iz ≥ 1,31 x In
- si In ≥ 16 A alors Iz ≥ 1,10 x In
La détermination de l'intensité admissible en régime permanent
Parmi les caractéristiques intrinsèques d’un câble ou d’un conducteur, celle qui permet de calculer son intensité admissible est la température maximale de l’âme en régime permanent.
En raison de leur impédance, la chaleur qui est produite par effet Joule dans les âmes conductrices, lorsque celles-ci sont parcourues par un courant, traverse les différentes couches extérieures isolantes par conduction pour finalement être évacuée par le milieu extérieur au câble, soit par convection soit par conduction.
Lorsque les pertes thermiques produites sont égales aux pertes thermiques dissipées dans le milieu ambiant, un état d’équilibre s’établit caractérisé par une température sur âme en régime permanent. Celle-ci ne doit pas dépasser la tenue en température maximale fixée par l’isolant afin d’assurer au câble une durée de vie optimale.
L’intensité maximale admissible en régime permanent est la valeur de l’intensité qui provoque, pour un environnement du câble défini, l’échauffement de l’âme des conducteurs à la valeur maximale permise.
La série des normes IEC 60287 précise les méthodes de calcul qui permettent de prédéterminer les intensités admissibles des conducteurs en fonction de leur environnement. Néanmoins, la complexité de cette série de normes la rend impraticable pour le concepteur qui peut avoir à dimensionner une grande quantité de câbles lors de l’étude d’une installation électrique BT.
Fort heureusement, les normalisateurs ont introduit dans les normes relatives aux installations BT (IEC 60364-5-52 ou les déclinaisons nationales NF C 15-100…) des modes de pose typiques qui permettent déterminer plus facilement les intensités admissibles à partir des éléments ci-dessous qui seront détaillés dans les paragraphes suivants:
- Le type de câble ou de conducteur
- Le mode de pose
- Le mode de pose de référence
- Les facteurs de correction liés au mode de pose
- Le taux d’harmoniques circulant dans le neutre
Les types de câbles et conducteurs
Nature de l'âme des conducteurs
La résistivité, donc la résistance d’un conducteur dépend de la nature de l’âme. Sont considérés en pratique dans la normalisation les matériaux suivants:
- Le cuivre recuit, nu ou revêtu d’une couche métallique
- L’aluminium ou alliage d’aluminium
Les âmes peuvent être massives ou câblées. La norme IEC 60228 en précise les limites des caractéristiques de construction et de résistance.
En pratique, les valeurs de résistivité à 20°C (ρ0) utilisées dans les calculs sont les suivantes:
| Cuivre | Aluminium |
ρ0 en mΩ.mm2/m | 18,51 | 29,41 |
Les résistivités à d’autres températures sont données par la formule suivante:
Nature de l'isolant des conducteurs
La nature de l’isolant du conducteur va déterminer la température maximale de l’âme en régime permanent. Les deux principales familles d’isolants utilisées en pratique sont les suivantes:
- Les thermoplastiques (PVC) avec une température maximale de l’âme en régime permanent de 70°C.
- Les thermodurcissables (caoutchouc, XLPE ou EPR) avec une température maximale de l’âme en régime permanent de 90°C.
Câbles monoconducteurs, multiconducteurs et conducteurs isolés
Puisque l’intensité admissible dépend d’un équilibre thermique entre l’âme des conducteurs et son environnement, il va de soi que le type de fabrication de la canalisation va influer sur son calcul.
Il est donc nécessaire de préciser le type de câble utilisé:
Conducteur isolé: il est constitué d’une âme, d’une enveloppe isolante et ses écrans éventuels. Il ne peut être utilisé comme conducteur actif sans protection mécanique supplémentaire (conduit, goulotte, moulure, …).
Câble: ensemble constitué par un ou plusieurs conducteurs isolés, leur revêtement individuel éventuel, une protection d’assemblage éventuelle et le ou les revêtements ou gaines de protection éventuels. Il peut être utilisé sans protection mécanique supplémentaire. On distinguera:
- Les câbles multiconducteurs: comprenant plusieurs conducteurs isolés
- Les câbles monoconducteurs: comprenant un seul conducteur isolé. Dans ce cas, il faut préciser si la pose des câbles d’un même circuit est en trèfle ou en nappe.
Nombre de conducteurs chargés
Le nombre de conducteurs chargés va bien sûr influer sur l’équilibre thermique du câble. Le nombre de conducteurs à considérer dans un circuit est celui des conducteurs effectivement parcourus par le courant.
Lorsque dans un circuit polyphasé, les courants peuvent être supposés équilibrés, il n’y a pas lieu de tenir compte du conducteur neutre correspondant.
Ainsi, dans ces conditions, le courant admissible dans un câble à quatre conducteurs est le même que pour un câble à trois conducteurs de même section.
Modes de pose et méthodes de référence
Dans ce paragraphe, on se réfèrera à la norme IEC 60364-5-52. Les déclinaisons nationales peuvent être légèrement différentes, mais le principe de détermination de l’intensité admissible est le même.
L’annexe A de cette norme (Tableau A.52.3) présente une cinquantaine de modes de pose types numérotés entre 1 et 73. Ces modes de pose se réfèrent à des modes de pose de référence (ou méthodes de référence) pour lesquels le courant admissible a été déterminé par essai ou calcul: A1, A2, B1, B2, C, D1, D2, E, F et G.
Extrait du tableau des modes de pose et modes de pose de référence (A.52.3 de IEC 60364-5-52) :
A partir des méthodes de référence, la norme IEC 60364-5-52 présente des tableaux d’intensité admissible en fonction de la section des conducteurs. D’autres paramètres sont pris en compte, tels que la nature de l’isolant, la nature des conducteurs, le nombre de conducteurs chargés.
A titre d’exemple, le tableau suivant (B.52.4 de IEC 60364-5-52) donne les courants admissibles en ampères pour des câbles isolés au PVC, trois conducteurs chargés, cuivre ou aluminium – température de l’âme: 70°C, température ambiante: 30 °C dans l’air, 20 °C dans le sol :
Les facteurs de correction
Les valeurs de courant admissible du tableau ci-dessus sont valables pour une canalisation seule dans des conditions de température de l’air ou du sol données. S’agissant d’équilibre thermique, il est évident que la valeur réelle de l’intensité admissible sera affectée si plusieurs canalisations se trouvent au voisinage les unes des autres et si les conditions de température sont différentes.
Il faut donc appliquer aux valeurs des tableaux de la norme, des coefficients de correction pour tenir compte de ces facteurs.
Température de l’air
Pour les câbles posés à l’air libre (toutes méthodes de référence sauf D1 et D2), le facteur de correction à appliquer aux valeurs des courants admissibles pour des températures ambiantes différentes de 30°C est le suivant (B.52.14 de IEC 60364-5-52) :
Température et résistivité du sol
Pour les câbles enterrés (méthodes de référence D1 et D2), le facteur de correction à appliquer aux valeurs des courants admissibles pour des températures du sol différentes de 20°C est le suivant (B.52.15 de IEC 60364-5-52) :
Pour les câbles enterrés, la dissipation thermique dépend également de la résistivité thermique du sol. Le facteur de correction à appliquer aux valeurs des courants admissibles pour des sols de résistivité thermique différente de 2,5 K.m/W est le suivant (B.52.16 de IEC 60364-5-52) :
Groupement de circuits
Les intensités admissibles indiquées dans les tableaux de la norme sont applicables à des circuits simples.
Si davantage de conducteurs ou de câbles sont installés dans un même groupement, des facteurs de correction, qui dépendent de la méthode de référence, doivent être appliqués. A titre d’exemple, le tableau suivant (B.52.21 de IEC 60364-5-52) donne le facteur de correction pour la méthode de référence F (câbles monoconducteurs sur des tablettes perforées ou des échelles à câbles). On remarquera que la disposition des câbles (pose en nappe ou en trèfle pour un même circuit) conduit à des valeurs différentes :
A noter que si, pour des conditions connues de fonctionnement, le courant susceptible de parcourir un câble ou conducteur isolé est inférieur à 30 % du courant admissible, ce câble ou conducteur peut être omis lors du calcul du facteur de correction du groupement.
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Conclusion
Le dimensionnement des câbles électriques est un enjeu majeur pour assurer la performance et la sécurité d’une installation électrique. Prendre en compte les variations des conditions de pose, appliquer les coefficients de correction et utiliser un logiciel de calcul automatisé comme elec calc permet d’optimiser la conception électrique.
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Cet article a été rédigé par :
Jérôme MULLIE
Directeur Technique - Trace Software
Au delà d’apporter une solution de calcul complète, nous souhaitons également partager notre expertise sur l’électrotechnique avec les acteurs de la filière afin de les accompagner dans la conception et l’exploitation de leurs installations.
