Echauffement thermique Laiton / Cupro-aluminium? Quel meilleur compromis électrique et échauffement.

[Majestyx]

Bonjour tout le monde,

Je me présente rapidement pour mon premier post.
Je travail dans un BE qui développe des produits de shunt de réseau éléctrique (1000V - 400A/200A). Mon cursus étant un DUT GMP et une licence pro plasturgie, je ne possède pas toutes les connaissances liées à mon problème.

Mise en situation :
Le produit sur lequel nous travaillons doit laisser passer un courant de 200A à une tension de 1000V dans le mors fixe. Le problème porte sur le choix de la matière pour faire passer ce courant.
J'ai opté pour un cupro-alu type CuAl10Fe quand mon responsable penche pour un laiton type CuZn39Pb2 (Pièce moulée). Ce mors prend la forme d'un L comme sur la photo. J'assimile cette pièce comme étant uniforme entre les 2 points de contacts électriques, de section 120mm² (1,22*10^(-4)m²) et de longueur 0,04m.



Données matières:

Laiton :
Conductivité thermique à 20°C : 117 W/(K.m)
Capacité thermique à 20°C : 377 J/(Kg.K)
Conductivité électrique à 20°C : 16 m/(ohm.mm²) / 27% IACS
Résistivité électrique à 20°C : 6,4*10^(-8) ohm.m

Cupro-Alu :
Conductivité thermique à 20°C : 65 W/(K.m)
Capacité thermique à 20°C : 419 J/(Kg.K)
Conductivité électrique à 20°C : 7,0-8,1 m/(ohm.mm²) / 12-14% IACS
Résistivité électrique à 20°C : 13*10^(-8) ohm.m

Mon responsable ayant peur que la pièce ne chauffe trop et entraîne une possible fusion du plastique.
J'ai donc essayé de voir la résistance de la pièce au passage du courant en utilisant R=ρ(L/S) (d'après mes hyp. de départ, exagérées?)
Pour le laiton, j'obtiens 2,09836E-05 Ohm
Pour le CuAl, j'obtiens 4,59016E-05 Ohm

De là, je me dis que je vais calculer la puissance dissipée (P=R*I²) et j'obtiens :
Laiton : 0,839344262 W
CuAl : 1,836065574 W

Pas de quoi faire cuir un oeuf!

Je continue mon enquête auprès d'autres collègues du groupe, ils nous assurent que le CuAl chauffe moins que le laiton d'après essais (c'est empirique, c'est vague je sais, et on parle de tenue en main).
Le laiton aurait tendance à brûler la peau en prise en main (T° > 55°C) contrairement au CuAl.

Puis je résonne de la manière suivante :
Le laiton possède une conductivité thermique environ 2 fois plus élevée que le cupro-alu (environ 120 W/m.K pour le laiton et 65 W/m.K pour le cupro-alu) et une capacité thermique plus faible.
Il aura donc tendance à vouloir transmettre plus éfficacement aux corps éxtérieurs (isolant plastique par exemple) que le Cupro-Alu? Paradoxe avec la puissance dissipée? Ou éléments indépendants?
De plus, d'après les forums de "futura-sciences" ou "wikipédia", la conductivité thermique est liée d’une part à la conductivité électrique (mouvement des porteurs de charge) et d'autre part à la structure même du matériau (vibrations des atomes).
Ces 2 conductions marchent donc de pair car ce sont les électrons qui sont responsable des deux (matériaux électriques). Pour les non-conduteurs (électrique) ce sont les phonons qui sont responsable de la conductivité thermique (vibration des atomes)
ce qui donne des conductivités beaucoup plus faibles que les métaux. L'exception étant le diamant...

Ainsi, plus il y a d'énergie électrique transportée dans un corps, plus les chances de voir sa température augmenter, à longueur et section équivalentes, est grande?
Donc, je me dis que dans un cupro-alu, nous avons moins d'agitation électronique (mouvement des électrons) que dans un laiton. Et ce serait le pourquoi de son échauffement moins important? De même que ca capacité thermique plus élevé?
Pour finir, je me dis aussi que nous créons certainement une résistance aux 2 points de contacts électriques, ce qui génère un échauffement local qui est transmis par conduction au sein de ce corps (le mors fixe). Et que c'est de cet échauffement et
de la capacité à absorber ou non cette chaleur qu'en découle l'écart de température entre les 2 matériaux.

De cette analyse, j'ai comme question en retour : un IACS à 26 et un IACS à 13 OU une résistivité à 13 et une résistivité à 6 nous permet de tirer quoi comme conclusion ? La température est est elle proportionnelle à ces variables ? L’incidence est de 5° ou 30 °C au final ?

J'ai besoin de lever le doute sur les différentes questions pour nous convaincre sur l'utilisation de telle ou telle matière. Par ailleurs on nous demande de sortir des pièces bonnes tout de suite. Ce qui induit d'écarter un maximum de questions.
Faut-il passer par une méthode empirique? Problème, on nous donnera jamais les moyens d'acquérir un appareil ou de faire sous-traiter ces essais... De même que les délais sont très serrés et nous ne devons pas avoir de retard. Or avec des essais, il y en aura forcément.

Merci pour tous les commentaires qui pourrait faire avancer le schmilblick.
-----

[LPFR]

Bonjour et bienvenu au forum.
Quel est le rôle de ce shunt?
Est-ce pour faire une résistance et mesurer la chute de tension pour déduire le courant?
J'imagine que non, car dans ce cas on s'en fout du matériel, la puissance dissipée sera la même pour tous.
Au revoir.

[Majestyx]

LPFR,

Pour faire simple : on utilise se produit de part et d'autre d'un câble 120² allant jusqu'à 40m de longueur pour faire de la réalimentation de réseau électrique (réseau EDF par ex)

[LPFR]

Re.
D'accord, j'ai compris. Ce sont des "pinces croco" pour adultes. J'en ai vue en utilisation.

Je pense que le critère principal doit être la résistance électrique et non la résistance thermique. Plus, évidemment, la rigidité mécanique. La puissance dissipe dans la pince est RI² quel que soit la conductivité électrique ou thermique. Et la température extérieure atteinte ne dépendra que de la surface (et la forme) de la pince et de la puissance dissipée.

Donc, le mieux serait le cuivre pur (résistivité 1,68 10^(-8)) (je n'ose pas proposer l'argent ) ou un alliage avec la bonne rigidité mécanique.

Par contre il ne faudrait pas oublier la résistance au niveau du contact entre la pince et le conducteur. Elle peut être bien plus grande que la résistance de l'intérieur de la prise elle-même. C'est surement cela qui chauffe votre prise.

Je vous suggère, si vous le pouvez, de mesurer la tension entre le câble électrique et la pince croco, au plus près du contact électrique entre les deux. Vous aurez une idée de la résistance du contact et de la puissance dissipée.

A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[Majestyx]

Merci pour ces premières réponses LPFR.

Effectivement le cuivre pur type electrolytique serait parfait, mais ses propriétés mécaniques sont plutôt faibles. D'ou un alliage à base d'aluminium et de fer qui diminuerai la taille du grain et augmenterai sa résistance (mécanique hein ).

Pour la résistance (électrique cette fois ) au point de contact, c'est un des éléments que j'avais soulevé dans l'énnoncé. De même que cet échauffement doit certainement se conduire dans la pièce et que c'est cette résistance qui doit être responsable de l'élévation de la température.

Maintenant, ça ne me parait pas logique que le CuAl chauffe moins que Laiton vu sa résistivité plus élevée... Y'a-t-il quelque chose qui se passe du côté des propriétés thermiques des 2 matériaux ? (d'après retour d'expérience)

[LPFR]

Re.
Je pense qu'il faut plutôt voir les propriétés mécaniques du côté du contact. Un matériau rigide qui se déforme peu, crée une surface de contact plus faible et plus résistive. Par contre un matériau mou se déforme et donne une surface de contact plus grande et meilleure conductrice.
Le mieux ce serait un matériau mou (comme l'étain 10 10^(-8)) pour le contact tenu par un matériau rigide comme l'acier pour donner la solidité à la pince. Une mâchoire en acier avec des dents en étain.
A+

[Majestyx]

Re,

En ce qui concerne les propriétés mécaniques du contact, effectivement il nous faut une partie rigide et une partie plus ductile.
La partie ductile se fait, non pas au niveau de la pince elle-même mais au niveau de la barre de puissance en Cu-ETP (pratiquement cuivre pur) avec un revêtement étain ou argent (pour les riches). Par ailleurs, le procédé de fabrication est le moulage du métal en fusion. Dans notre cas type CC : 1er C pour désigner le cuivre et le second pour l'alliage moulé puis un nombre désignant le type d'alliage suivant norme EN 1412.

J'ai vérifier la surface de contact au niveau de la partie "cannelée" sur le mors et elle avoisine les 200mm². Je suppose qu'on aura pas trop de résistance électrique à cette zone. En revanche, j'ai revérifié la section du câble de shunt. Et la ce n'est pas du 120mm² qui est utilisé pour faire transiter 200A mais du 50mm². Le 120mm² étant dévolu au passage du 400A.

Je vais m'atteler au calcul de la résistance à ce niveau. Cet à dire sur la zone de connexion du M8. Je pense calculer la surface de l'hélice développée du M8*10 (pas de 1,25). Je l'assimilerai à un rectangle de largeur 0,625 (1,25/2) et de longueur de la développée. La multiplication des 2 me donnera la superficie.
Ensuite je repart sur R=ρ(L/S) puis P=R*I²
Ça parait cohérent ? Ou dois-je utiliser simplement la section de 50mm²?

Merci

[LPFR]

Re.
À votre place, avant de me mouiller pour dire qu'une résistance de contact est faible, je la mesurerais.
Ce qui compte est la surface de contact effective: là où la couche de saleté de surface s'est faite écraser par la pression entre les deux métaux.
Vous connaissez sans doute les câbles utilises en TP d'électricité, terminées par des fiches banane. La résistance de contact entre deux fiches banane est de 4 mΩ. Pourtant la surface de contact cylindre contre cylindre est de plus de 1 cm².

Au niveau de l'arrivée du câble fixe sur la pince, la résistance peut être faible si le câble est serti. Car ceci déforme le cuivre pour l'aplatir et augmenter la surface de contact. Mais ça ne fais pas de mal de faire la mesure. Il faut disposer d'une source de 100 ou 400 A basse tension et d'un voltmètre.
A+

[Majestyx]

Oui, c'est vrai, je vais éviter d'user le soleil. Je viens de parler au collègue et malgré la panne de notre générateur de 400A on utilisera celui qui délivre 100A puis on transposera à 200A. Même si c'est pas tout à fait proportionnel du fait de l'élévation de la résistance avec la température.
Je m'amuserai par la suite à tenter de retrouver nos valeurs mesurées par le calcul...!

Encore merci pour vos réponses.