Dimensionnement de Câbles pour un Réseau
Comprendre le Dimensionnement des Câbles
Le dimensionnement correct des câbles électriques est une étape cruciale dans la conception de toute installation électrique sûre et efficace. Il s'agit de déterminer la section appropriée des conducteurs pour transporter l'énergie électrique de la source aux charges sans surchauffe excessive ni chute de tension inacceptable. Un câble mal dimensionné peut entraîner des risques d'incendie, des dysfonctionnements des équipements, une durée de vie réduite du câble et des pertes d'énergie importantes. Les deux critères principaux pour le dimensionnement sont le courant admissible (ampacité) du câble et la chute de tension maximale autorisée.
Cet exercice porte sur le dimensionnement du câble d'alimentation principal d'un petit atelier en courant alternatif triphasé.
Données de l'étude
- Type de réseau : Triphasé avec Neutre (3P+N)
- Tension entre phases (\(U\)) : \(400 \, \text{V}\)
- Tension entre phase et neutre (\(V\)) : \(230 \, \text{V}\)
- Fréquence (\(f\)) : \(50 \, \text{Hz}\)
- Longueur du câble principal (\(L\)) : \(40 \, \text{m}\)
- Chute de tension maximale admissible dans ce câble (\(\Delta U_{\text{adm}\%}\)) : \(4\%\) de la tension nominale entre phases.
- Charge 1 (Moteur triphasé) : Puissance active \(P_1 = 10 \, \text{kW}\), facteur de puissance \(\cos \varphi_1 = 0.80\) (inductif).
- Charge 2 (Éclairage) : Puissance active totale \(P_2 = 3 \, \text{kW}\), facteur de puissance \(\cos \varphi_2 = 1\). (Répartie sur les phases).
- Charge 3 (Prises de courant) : Puissance apparente totale \(S_3 = 6 \, \text{kVA}\), facteur de puissance \(\cos \varphi_3 = 0.90\) (inductif). (Répartie sur les phases).
- Matériau des conducteurs : Cuivre
- Résistivité du cuivre (\(\rho_{\text{Cu}}\)) : \(0.0225 \, \text{Ω.mm}^2/\text{m}\) (à la température de service)
- Réactance linéique du câble (\(\lambda\)) : \(0.08 \times 10^{-3} \, \text{Ω/m}\) (par phase)
- Type d'isolant : PVC
- Mode de pose : Sur chemin de câbles perforé, avec deux autres circuits de puissance (total 3 circuits groupés). Méthode de référence E.
- Température ambiante : \(40 \, \text{°C}\)
- Facteurs de correction à appliquer pour l'ampacité :
- Facteur de température (\(k_T\)) pour PVC à \(40 \, \text{°C}\) (température de référence \(30 \, \text{°C}\)) : \(0.87\)
- Facteur de groupement (\(k_G\)) pour 3 circuits sur chemin de câbles : \(0.70\)
- Courants admissibles de base (\(I_{Z0}\)) pour câbles Cu/PVC, méthode E, \(30 \, \text{°C}\) (valeurs typiques) :
- \(10 \, \text{mm}^2\): \(60 \, \text{A}\)
- \(16 \, \text{mm}^2\): \(80 \, \text{A}\)
- \(25 \, \text{mm}^2\): \(105 \, \text{A}\)
- \(35 \, \text{mm}^2\): \(130 \, \text{A}\)
Schéma de Principe de l'Alimentation de l'Atelier
Schéma unifilaire simplifié de l'alimentation de l'atelier.
Questions à traiter
- Calculer la puissance active (\(P_1, P_2, P_3\)) et la puissance réactive (\(Q_1, Q_2, Q_3\)) pour chaque type de charge.
- Calculer la puissance active totale (\(P_{\text{tot}}\)), la puissance réactive totale (\(Q_{\text{tot}}\)), et la puissance apparente totale (\(S_{\text{tot}}\)) de l'atelier.
- Calculer le facteur de puissance global de l'atelier (\(\cos \varphi_{\text{tot}}\)).
- Calculer le courant total de ligne (\(I_{\text{ligne}}\)) absorbé par l'atelier.
- Déterminer la chute de tension maximale admissible en volts (\(\Delta U_{\text{adm, volts}}\)).
- Calculer la section minimale du câble (\(S_{\text{min, Vdrop}}\)) en \(\text{mm}^2\) pour respecter la chute de tension admissible. Utiliser la formule : \(S = \frac{\sqrt{3} \cdot L \cdot I_{\text{ligne}} (\rho \cos\varphi_{\text{tot}} + \lambda \sin\varphi_{\text{tot}})}{\Delta U_{\text{adm,volts}}}\).
- Choisir une section normalisée (\(S_{\text{choisie}}\)) parmi les valeurs fournies (10, 16, 25, 35 \(\text{mm}^2\)), immédiatement supérieure ou égale à \(S_{\text{min, Vdrop}}\).
- Pour la section \(S_{\text{choisie}}\) à la question précédente, calculer le courant admissible corrigé (\(I_Z\)) en utilisant les facteurs de correction \(k_T\) et \(k_G\), et le \(I_{Z0}\) correspondant à cette section.
- Vérifier si le câble de section \(S_{\text{choisie}}\) est adéquat en comparant \(I_{\text{ligne}}\) à \(I_Z\). Conclure sur le choix de la section.
Correction : Dimensionnement de Câbles pour un Réseau
Question 1 : Puissances active (\(P\)) et réactive (\(Q\)) par charge
Principe :
Pour chaque charge, nous calculons la puissance active (P) et réactive (Q). Pour la charge 1 (Moteur) : \(P_1\) est donnée, \(Q_1 = P_1 \tan(\arccos(\cos \varphi_1))\). Pour la charge 2 (Éclairage) : \(P_2\) est donnée, \(\cos \varphi_2 = 1 \Rightarrow Q_2 = 0\). Pour la charge 3 (Prises) : \(S_3\) et \(\cos \varphi_3\) sont donnés. \(P_3 = S_3 \cos \varphi_3\), \(Q_3 = S_3 \sin \varphi_3 = S_3 \sqrt{1 - \cos^2 \varphi_3}\).
Calculs :
Charge 1 (Moteur) :
Charge 2 (Éclairage) :
Charge 3 (Prises de courant) :
- Charge 1: \(P_1 = 10 \, \text{kW}\), \(Q_1 = 7.5 \, \text{kVAR}\)
- Charge 2: \(P_2 = 3 \, \text{kW}\), \(Q_2 = 0 \, \text{kVAR}\)
- Charge 3: \(P_3 = 5.4 \, \text{kW}\), \(Q_3 \approx 2.615 \, \text{kVAR}\)
Question 2 : Puissances totales (\(P_{\text{tot}}\), \(Q_{\text{tot}}\), \(S_{\text{tot}}\))
Principe :
Les puissances actives totales s'additionnent algébriquement, de même que les puissances réactives totales (en tenant compte de leur nature inductive ou capacitive, ici toutes inductives ou nulles). La puissance apparente totale est ensuite calculée vectoriellement.
Formule(s) utilisée(s) :
Calcul :
Nous arrondirons \(S_{\text{tot}} \approx 21.00 \, \text{kVA}\).
- Puissance active totale : \(P_{\text{tot}} = 18.4 \, \text{kW}\)
- Puissance réactive totale : \(Q_{\text{tot}} \approx 10.12 \, \text{kVAR}\)
- Puissance apparente totale : \(S_{\text{tot}} \approx 21.00 \, \text{kVA}\)
Question 3 : Facteur de puissance global (\(\cos \varphi_{\text{tot}}\))
Principe :
Le facteur de puissance global est le rapport entre la puissance active totale et la puissance apparente totale.
Formule(s) utilisée(s) :
Calcul :
Question 4 : Courant total de ligne (\(I_{\text{ligne}}\))
Principe :
Pour un système triphasé équilibré, le courant de ligne est calculé à partir de la puissance apparente totale et de la tension entre phases : \(S_{\text{tot}} = \sqrt{3} \cdot U \cdot I_{\text{ligne}}\).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- Puissance apparente totale (\(S_{\text{tot}}\)) : \(\approx 20.997 \, \text{kVA} = 20997 \, \text{VA}\)
- Tension entre phases (\(U\)) : \(400 \, \text{V}\)
Calcul :
Nous arrondirons à \(I_{\text{ligne}} \approx 30.31 \, \text{A}\).
Question 5 : Chute de tension maximale admissible en volts (\(\Delta U_{\text{adm, volts}}\))
Principe :
La chute de tension admissible est un pourcentage de la tension nominale entre phases.
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- Pourcentage de chute de tension admissible (\(\Delta U_{\text{adm}\%}\)) : \(4\%\)
- Tension nominale entre phases (\(U\)) : \(400 \, \text{V}\)
Calcul :
Question 6 : Section minimale du câble (\(S_{\text{min, Vdrop}}\)) pour la chute de tension
Principe :
La section est calculée pour que la chute de tension (entre phases) dans le câble ne dépasse pas la valeur admissible. La formule tient compte de la résistance (\(\rho/S\)) et de la réactance (\(\lambda\)) du câble.
Nous avons besoin de \(\sin \varphi_{\text{tot}}\). Si \(\cos \varphi_{\text{tot}} \approx 0.8763\), alors \(\varphi_{\text{tot}} = \arccos(0.8763) \approx 28.79^\circ\). \(\sin \varphi_{\text{tot}} = \sin(28.79^\circ) \approx 0.4816\).
Formule(s) utilisée(s) :
Où \(\rho\) est en \(\text{Ω.mm}^2/\text{m}\), \(L\) en \(\text{m}\), \(I\) en \(\text{A}\), \(\lambda\) en \(\text{Ω/m}\), \(\Delta U\) en \(\text{V}\), et \(S\) sera en \(\text{mm}^2\).
Note : La formule de la chute de tension triphasée est \(\Delta U = \sqrt{3} \cdot I_{\text{ligne}} \cdot L \cdot (\frac{\rho}{S} \cos\varphi_{\text{tot}} + \lambda \sin\varphi_{\text{tot}})\). En réarrangeant pour \(S\), on obtient : \(S = \frac{\sqrt{3} \cdot I_{\text{ligne}} \cdot L \cdot \rho \cos\varphi_{\text{tot}}}{\Delta U_{\text{adm,volts}} - \sqrt{3} \cdot I_{\text{ligne}} \cdot L \cdot \lambda \sin\varphi_{\text{tot}}}\). C'est cette dernière formule qui est la plus correcte pour isoler S.
Données spécifiques :
- Longueur (\(L\)) : \(40 \, \text{m}\)
- Courant de ligne (\(I_{\text{ligne}}\)) : \(\approx 30.31 \, \text{A}\)
- Résistivité cuivre (\(\rho\)) : \(0.0225 \, \text{Ω.mm}^2/\text{m}\)
- Réactance linéique (\(\lambda\)) : \(0.00008 \, \text{Ω/m}\)
- \(\cos \varphi_{\text{tot}} \approx 0.8763\)
- \(\sin \varphi_{\text{tot}} \approx 0.4816\)
- \(\Delta U_{\text{adm,volts}} = 16 \, \text{V}\)
Calcul :
Calcul du terme \(\sqrt{3} \cdot I_{\text{ligne}} \cdot L \cdot \rho \cos\varphi_{\text{tot}}\) (Numérateur du terme résistif) :
Calcul du terme \(\sqrt{3} \cdot I_{\text{ligne}} \cdot L \cdot \lambda \sin\varphi_{\text{tot}}\) (Partie réactive de la chute de tension) :
Calcul de la section \(S_{\text{min, Vdrop}}\) :
Question 7 : Choix de la section normalisée (\(S_{\text{choisie}}\))
Principe :
On choisit la section normalisée immédiatement supérieure ou égale à la section minimale calculée pour la chute de tension (\(S_{\text{min, Vdrop}}\)).
Données spécifiques :
- \(S_{\text{min, Vdrop}} \approx 2.60 \, \text{mm}^2\)
- Sections normalisées pour lesquelles \(I_{Z0}\) est fourni : 10, 16, 25, 35 \(\text{mm}^2\). Les sections plus petites courantes sont 2.5, 4, 6 \(\text{mm}^2\).
Choix :
La plus petite section normalisée standard qui est supérieure ou égale à \(2.60 \, \text{mm}^2\) est \(4 \, \text{mm}^2\). Cependant, pour utiliser les données de courant admissible fournies, nous devons choisir parmi 10, 16, 25, ou 35 \(\text{mm}^2\). La plus petite de ces sections qui respecte la condition de chute de tension (puisque \(10 > 2.60\)) est \(10 \, \text{mm}^2\). Nous allons donc choisir \(S_{\text{choisie}} = 10 \, \text{mm}^2\) pour vérifier ensuite le critère d'ampacité.
Question 8 : Courant admissible corrigé (\(I_Z\)) pour \(S_{\text{choisie}}\)
Principe :
Calculer \(I_Z\) pour la section choisie (\(10 \, \text{mm}^2\)) en utilisant son \(I_{Z0}\) et les facteurs de correction \(k_T\) et \(k_G\).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(S_{\text{choisie}} = 10 \, \text{mm}^2\)
- \(I_{Z0}\) pour \(10 \, \text{mm}^2\) Cu/PVC, méthode E, \(30 \, \text{°C}\) : \(60 \, \text{A}\)
- Facteur de température (\(k_T\)) : \(0.87\)
- Facteur de groupement (\(k_G\)) : \(0.70\)
Calcul :
Question 9 : Vérification finale et conclusion
Principe :
Comparer le courant de ligne (\(I_{\text{ligne}}\)) au courant admissible corrigé (\(I_Z\)) de la section choisie (\(10 \, \text{mm}^2\)). La section est adéquate si \(I_{\text{ligne}} \leq I_Z\). La condition de chute de tension a déjà été satisfaite par le choix de \(S_{\text{choisie}} \geq S_{\text{min, Vdrop}}\).
Comparaison :
La section de \(10 \, \text{mm}^2\) a été choisie car elle est supérieure à \(S_{\text{min, Vdrop}} \approx 2.60 \, \text{mm}^2\). Le courant admissible corrigé pour \(10 \, \text{mm}^2\) (\(36.54 \, \text{A}\)) est supérieur au courant de ligne (\(30.31 \, \text{A}\)). Les deux conditions (chute de tension et ampacité) sont donc respectées avec une section de \(10 \, \text{mm}^2\).
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Quels sont les deux critères principaux pour le dimensionnement d'un câble électrique ?
2. En triphasé, le courant de ligne \(I_{\text{ligne}}\) est calculé à partir de la puissance apparente \(S_{\text{tot}}\) et de la tension entre phases \(U\) par la formule :
3. Un facteur de groupement \(k_G < 1\) pour les câbles signifie que :
Glossaire
- Dimensionnement de câble
- Processus de sélection de la section appropriée d'un conducteur électrique pour une application donnée, en fonction du courant à transporter, de la chute de tension admissible, des conditions d'installation et des normes.
- Courant Admissible (\(I_Z\), Ampacité)
- Courant maximal qu'un conducteur ou un câble peut transporter en permanence, dans des conditions spécifiées, sans que sa température de régime permanent ne dépasse la valeur spécifiée pour son isolant.
- Chute de Tension (\(\Delta U\))
- Diminution de la tension électrique le long d'un conducteur due à sa résistance et à sa réactance, et au courant qui le traverse. Exprimée en Volts (\(\text{V}\)) ou en pourcentage (%) de la tension initiale.
- Puissance Active (\(P\))
- Partie de la puissance électrique qui produit un travail utile ou de la chaleur. Unité : Watt (\(\text{W}\)).
- Puissance Réactive (\(Q\))
- Partie de la puissance électrique associée aux champs magnétiques et électriques dans les charges inductives ou capacitives. Unité : Voltampère réactif (\(\text{VAR}\)).
- Puissance Apparente (\(S\))
- Combinaison vectorielle des puissances active et réactive. Unité : Voltampère (\(\text{VA}\)). En triphasé : \(S = \sqrt{3} \cdot U \cdot I\).
- Facteur de Puissance (\(\cos \varphi\))
- Rapport entre la puissance active et la puissance apparente (\(P/S\)). Il indique l'efficacité avec laquelle la puissance électrique est convertie en travail utile.
- Résistivité (\(\rho\))
- Propriété intrinsèque d'un matériau caractérisant sa capacité à s'opposer au passage du courant électrique. Unité : Ohm-mètre (\(\text{Ω.m}\)) ou Ohm.millimètre carré par mètre (\(\text{Ω.mm}^2/\text{m}\)).
- Réactance Linéique (\(\lambda\))
- Partie imaginaire de l'impédance linéique d'un câble, due à son inductance et à sa capacité. Unité : Ohm par mètre (\(\text{Ω/m}\)) ou Ohm par kilomètre (\(\text{Ω/km}\)).
- Facteur de Correction de Température (\(k_T\))
- Coefficient utilisé pour ajuster le courant admissible d'un câble en fonction de la différence entre la température ambiante réelle et la température de référence pour laquelle le courant admissible de base est donné.
- Facteur de Correction de Groupement (\(k_G\))
- Coefficient utilisé pour ajuster le courant admissible d'un câble lorsque plusieurs câbles ou circuits sont groupés, en raison de la réduction mutuelle de la dissipation thermique.
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