Barres de collecteur et connecteurs dans les installations HT et EHT

Qu'est-ce qu'une barre de collecteur électrique ?

Une barre de collecteur électrique est un conducteur ou un ensemble de conducteurs conçus pour collecter l'énergie électrique provenant des alimentations entrantes et la distribuer aux alimentations sortantes. Fonctionnellement, elle sert de jonction où les courants entrants et sortants convergent, agissant comme un centre de regroupement et de distribution de l'énergie.

Installations de barres de collecteur extérieures

Dans les systèmes haute tension (HT), très haute tension (THT) et moyenne tension (MT) extérieurs, on utilise généralement des barres de collecteur nues et des connecteurs, avec des conducteurs disponibles en configurations tubulaires ou à câbles multibrins :

• Barres de collecteur tubulaires : Soutenues par des isolateurs colonnes (généralement en céramique), elles offrent une grande résistance mécanique et une meilleure résistance à la corona.

• Barres de collecteur à câbles multibrins : Fixées avec des serre-câbles, idéales pour les installations nécessitant une grande flexibilité sur de longues portées.

(Des exemples de ces configurations sont illustrés dans les Figures 1 et 2.)

Barres de collecteur pour les installations d'appareillage

Les barres de collecteur d'appareillage sont généralement fabriquées en cuivre, aluminium ou alliages d'aluminium (par exemple, série Al-Mg-Si), avec des caractéristiques clés des barres de collecteur nues comprenant :

• Paramètres géométriques

• Conducteurs tubulaires : Diamètre extérieur et épaisseur de paroi

• Câbles multibrins : Section nominale

• Propriétés mécaniques

• Résistance à la traction/compression/fléchissement

• Résistance au flambage

• Module de section et moment d'inertie

• Capacité de transport de courant

• Courant nominal : Déterminé par la résistivité du matériau et les conditions de dissipation thermique.Comme les conducteurs nus dépendent de l'isolation à l'air, la tension nominale n'est pas un critère de sélection principal.

Technologie de connexion des barres de collecteur

Des connecteurs dédiés sont essentiels pour raccorder les barres de collecteur aux équipements, comme illustré dans la Figure 3. Les configurations typiques incluent :

• Raccords vissés : Joints rigides fixés par des boulons contrôlés en couple, nécessitant une gestion de la résistance de contact pour éviter le surchauffe

• Joints d'expansion : Compensent la dilatation thermique, atténuant les concentrations de contraintes structurelles

• Bornes de transition : Résolvent la corrosion électrochimique entre matériaux différents (par exemple, interfaces cuivre-aluminium)

La conception de la connexion doit être conforme à :

• Normes de surface de contact pour l'élévation de température (par exemple, IEC 61439)

• Traitements de compatibilité des matériaux (par exemple, dorure pour les transitions cuivre-aluminium)

• Stabilité mécanique sous les forces électrodynamiques de court-circuit

Considérations d'ingénierie

Les systèmes de barres de collecteur d'appareillage moyenne/haute tension nécessitent une conception intégrée pour :

• Gestion thermique : Convection d'air optimisée ou refroidissement forcé pour contrôler l'élévation de température

• Stabilité dynamique : Intégrité structurelle sous les forces électrodynamiques de court-circuit

• Protection environnementale : Protection contre l'ingression IP3X ou supérieure adaptée aux environnements opérationnels

Ces mesures garantissent collectivement une transmission fiable de l'énergie et une durée de vie prolongée des équipements.

Ces systèmes sont largement utilisés dans les centres de données et les usines industrielles pour la distribution d'énergie à forte intensité, permettant une disposition flexible et une expansion facile grâce à une conception modulaire.
Pour les connexions cuivre-cuivre, des connecteurs en bronze sont utilisés ; pour les connexions aluminium-aluminium, des connecteurs en alliage d'aluminium doivent être appliqués ; et pour les connexions cuivre-aluminium, des connecteurs bi-métalliques sont obligatoires pour prévenir la corrosion causée par les effets électrolytiques.
Barres de collecteur isolées & systèmes de gaines
Dans les installations intérieures moyenne tension (MT) et basse tension (BT), notamment lorsque de forts courants et un espace limité coexistent, les barres de collecteur sont souvent protégées par des boîtiers métalliques pour assurer une protection mécanique et une isolation.Cette conception réduit la dissipation thermique des barres de collecteur en raison d'un flux d'air restreint et de pertes par rayonnement, entraînant des courants nominaux significativement inférieurs à ceux des installations en air libre. Des boîtiers ventilés peuvent être utilisés pour minimiser la déclassement de courant.

Analyse des détails techniques

• Protection électrochimique pour les connexions de matériaux différents

• Joints cuivre-cuivre : Les connecteurs en bronze (bronze étain ou bronze aluminium) améliorent la fiabilité du contact par renforcement en solution solide, empêchant la relaxation par fluage du cuivre pur.

• Joints aluminium-aluminium : Les connecteurs en alliage d'aluminium 6061-T6 subissent un traitement de vieillissement pour assurer la stabilité du film d'oxyde.

• Transitions cuivre-aluminium : Les connecteurs bi-métalliques utilisent le soudage explosif ou le brasage (par exemple, barres composites cuivre-aluminium) pour bloquer les voies de corrosion électrochimique.

• Défis de gestion thermique dans les barres de collecteur encapsulées
  Analyse de la résistance thermique : Les espaces d'air formés par les boîtiers réduisent la conductivité thermique de 30% à 50%.
  Solutions de compensation :
  

• Refroidissement par air forcé : Les ventilateurs internes augmentent la capacité de transport de courant de 20% à 30%.

• Ailettes de refroidissement du boîtier : Surface accrue pour la convection naturelle.

• Isolation à haute conductivité thermique : Revêtements en caoutchouc silicone pour réduire la résistance thermique.

• Spécifications d'application d'ingénierie
  

• Classe de protection : Généralement IP54 pour les environnements intérieurs, mise à niveau à IP65 dans des conditions humides.

• Tenue au court-circuit : Conforme aux exigences de stabilité dynamique et thermique de la norme IEC 61439.

• Compensation de l'expansion : Joints d'expansion tous les 30 à 50 mètres pour accommoder la déformation thermique.

Ces systèmes sont largement utilisés dans les centres de données et les usines industrielles pour la distribution d'énergie à forte intensité, permettant une disposition flexible et une expansion facile grâce à une conception modulaire.

Barres de collecteur isolées

Les barres de collecteur isolées se composent généralement de tiges plates en cuivre ou en aluminium (une ou plusieurs par phase, dimensionnées selon les besoins en courant), avec chaque phase enfermée dans une gaine séparément mise à la terre. Les extrémités des gaines sont reliées par des barres de court-circuit capables de supporter les courants de défaut complets.La gaine empêche principalement les courts-circuits interphases. De plus, elle annule les champs magnétiques générés par les courants des conducteurs : un courant égal et opposé induit dans la gaine neutralise presque complètement le champ électromagnétique.Les médias d'isolation courants comprennent l'air et le SF₆.

Systèmes de canalisations de barres de collecteur BT

Dans les installations basse tension, les systèmes de canalisations de barres de collecteur offrent une solution rentable pour la distribution d'énergie, alimentant plusieurs appareils et interconnectant des tableaux de distribution ou des transformateurs, comme illustré dans la Figure 5.

Systèmes de canalisations de barres de collecteur

Un système de canalisation de barres de collecteur est une configuration pré-assemblée abritant des conducteurs en tiges plates (phase et neutre) dans un seul boîtier métallique.Dans les systèmes de canalisations d'alimentation, l'extraction de puissance est réalisée via des unités de dérivation standardisées, qui se connectent à des positions prédéfinies le long de la canalisation. Ces unités permettent l'extraction de puissance par le biais de dispositifs de protection compatibles.

Avantages par rapport aux systèmes de câbles :

• Coût-efficacité & efficacité d'installation

• Plus économique pour les applications à forte intensité : Élimine le besoin de câbles monobrin parallèles pour répondre aux exigences de courant nominal, de chute de tension et de creux.

• Réduit les risques de surchauffe : Évite l'accumulation de chaleur dans les faisceaux de câbles pouvant conduire à des courts-circuits.

• Supériorité mécanique

• Stabilité sur de longues portées : Nécessite peu de fixations, réduisant le temps d'installation.

• Élimine les structures de support de câbles : Minimise les besoins en ferraille.

• Avantages d'espace & de maintenance

• Permet des changements de puissance après installation (dans les limites de la canalisation).

• Facilite le repositionnement des points de distribution.

• Facilite l'expansion du système.

• Réduit l'espace de terminaison des tableaux de distribution.

• Élimine les joints de câble : Réduit la résistance de contact et les points de défaillance.

• Conception de dérivation flexible :

• Avantages supplémentaires

• Apparence esthétique dans les zones visibles.

• Réutilisabilité : Peut être démonté et relocalisé.

• Résistance accrue au feu : Les boîtiers métalliques contiennent la propagation du feu.