Qu’est ce qu’un fusible industriel

 Qu’est ce qu’un fusible industriel

Description d’un fusible

Les fusibles industriels, ou les fusibles de protection pour semi-conducteurs, sont constitués d’une coque en céramique (fig.1) à l’intérieur de laquelle sont introduites des lames fusibles calibrées (en argent ou en cuivre). Des plots de connections sont placés et brasés aux extrémités de la coque pour permettre la connection à tout type d’installation électrique. Finalement, du sable est introduit dans le corps du fusible, puis aggloméré avec du silicate de soude afin de former un bloc compact et inerte autour des lames.

Lors de l’apparition d’une surintensité dans un circuit électrique, les élèments constitutifs de l’installation risquent d’être détériorer. L’idée est de sacrifier un composant qui est conducteur lors du fonctionnement normal de l’installation et fond rapidement (avant les autres composants) en cas de surintensité. C’est un fusible .

Fonctionnement en coupure

Description du phénomène

Le rôle d’un fusible est de couper un circuit électrique en cas de surintensité. La coupure du circuit fait suite à l’échauffement du métal dans les sections réduites des plaques métalliques (régime de pré-arc, fig.2). Elle se produit généralement en 2 étapes :
⊲ Ignition d’un arc électrique (10-100 ns) lors de la fusion-sublimation de l’argent ou du cuivre dans les sections réduites des plaques métalliques.
⊲ Extinction de l’arc (quelques ms) et coupure du circuit par dissipation de l’énergie électrique, essentiellement sous forme de chaleur.

Un fusible doit éteindre l’arc électrique le plus rapidement possible. Le paramètre I2 .t définit cette aptitude à la coupure d’un fusible. En effet plus la valeur du paramètre I2 .t est faible, meilleure est la coupure du fusible. Le courant est alors coupé avant que l’élément du circuit à protéger ne subisse la surintensité. Ce paramètre I 2 .t est donc important et constitue le paramètre commercial sur lequel s’engagent les fabricants de fusibles. Il dépend de la tension nominale d’utilisation, UN , pour laquelle est prévu le fusible. Typiquement, un fusible de calibre 660 V / 1000 A présente une valeur d’I2 .t de 420 kA2 .s.mm4  (ou kJ.Ohm−1 ).

L’aggloméré de grains de sable qui entoure l’élément fusible remplit plusieurs fonctions lors de la coupure du fusible :
⊲ Absorber l’énergie électrique produite par l’arc, par échauffement, voire fusion de la silice.
⊲ Assurer à la structure du fusible une cohésion mécanique suffisante pour pouvoir résister aux diverses contraintes engendrées par les chocs électriques et thermiques, par les surpressions de gaz dans les pores.
⊲ Permettre aux vapeurs métalliques produites de diffuser et de se condenser loin de la zone de coupure.
⊲ Isoler électriquement les différents éléments métalliques .

Variabilité des caractéristiques électriques d’usage

Le comportement électrique du fusible est fonction des caractéristiques locales et globales de l’empilement des grains de sable autour des éléments fusibles. Les hétérogénéités d’empilement vont conduire à une dispersion des propriétés électriques (caractéristique I2 .t, fig.3), et à une variabilité importante des performances des produits préjudiciable à leur fiabilité. Une meilleure compréhension de l’influence du procédé d’élaboration sur les caractéristiques d’empilement des grains et sur les propriétés électriques des fusibles apparaissent très intéressantes.

Afin de déterminer si la cause de la variabilité des propriétés des fusibles est liée aux caractéristiques de l’empilement, les propriétés et les caractéristiques de l’empilement des grains de sable doivent être étudiées :
⊲ Nature et forme des grains de sable (caractérisation chimique et morphologique).
⊲ Caractérisation des empilements de grains, incluant la détermination de la distribution des pores, la distribution des contacts grain-grain et grain-élément fusible, en relation avec le procédé de fabrication.
⊲ Etablissement de relations entre ces caractéristiques et les propriétés d’usage .

Les caractéristiques du sable conditionne la quantité d’énergie absorbée par la fusion. La répartition des contacts grain-grain et grain-élément fusible joue sur les transferts thermiques et électriques dans le fusible, et sur les caractéristiques mécaniques du multimatériaux. La distribution des tailles de pores du sable consolidé conditionne la perméabilité du milieu poreux dans lequel l’arc se répand. Compte-tenu du caractère local de l’ignition de l’arc électrique, l’hétérogénéité des caractéristiques de l’empilement granulaire doit être soigneusement caractérisée.

Table des matières

Introduction
Partie 1 : Problématique industrielle
I Contexte de l’étude
I.A Qu’est ce qu’un fusible industriel
I.A.1 Description d’un fusible
I.A.2 Fonctionnement en coupure
I.A.2.a Description du phénomène
I.A.2.b Variabilité des caractéristiques électriques d’usage
I.B La matière de remplissage
I.B.1 Caractéristiques requises
I.B.2 Choix de la matière
I.B.3 Elaboration des fusibles
I.C Caractérisation des fusibles
I.C.1 Etude de la compacité
I.C.2 Etude de l’arrangement granulaire
I.C.2.a Préparation des échantillons
I.C.2.b Résultats de l’analyse d’images
II Matériaux et préparation des empilements granulaires
II.A Le sable
II.A.1 Etude minéralogique
II.A.2 Etude morphologique
II.A.2.a Etude granulométrique
II.A.2.b Etude de la forme des grains
II.A.2.c Bilan des considérations morphologiques
II.A.3 Etude de la coulabilité
II.B Les billes de verre
II.B.1 Nature des billes de verre
II.B.2 Etude granulométrique
II.B.3 Etude de la coulabilité
II.C Préparation des échantillons de référence
II.C.1 Etat de l’art sur la pluiviation
II.C.2 Préparation des empilements granulaires
Partie 2 : Etude dynamique du milieu granulaire
III Etude bibliographique
III.A Effets des vibrations sur un milieu granulaire
III.A.1 Définition de la vibration
III.A.2 Vibration d’une bille
III.A.2.a Description du modèle
III.A.2.b Période de vibration de la bille
III.A.3 Vibration d’une couche de billes
III.A.4 Vibration d’un lit mince
III.A.5 Vibration d’un lit dense
III.B Comportement dynamique des lits denses
III.B.1 Mise en mouvement
III.B.1.a Γ < 1,2 : absence de mouvement
III.B.1.b 1,2 ≤ Γ < 2,9 : apparition du mouvement
III.B.2 Mouvement cohérent
III.B.3 Phase d’expansion
III.B.4 Les vagues
III.B.5 Les voûtes
III.B.6 Cycle d’hystérésis
III.C La convection
III.C.1 Origine des mouvements convectifs
III.C.2 Renversement des cellules de convection
IV Méthodes expérimentales
IV.A Les vibrations
IV.A.1 Avec une ensableuse
IV.A.2 Avec un pot vibrant
IV.A.2.a Fonctionnement d’un pot vibrant
IV.A.2.b Caractéristiques du pot vibrant de F erraz Shawmut
IV.A.2.c Caractéristiques du pot vibrant de l’EMSE
IV.A.3 Le montage expérimental
IV.B Les techniques d’observation
Conclusion

Télécharger le rapport complet