Dimensionnement adéquat des câbles et fils
La transmission d'énergie est un sujet très important et actuel. Nous avons certes de l'électricité aux prises de courant, mais elles ne sont pas toujours là où nous en avons besoin. Heureusement, il existe des rallonges électriques très pratiques qui permettent de remédier rapidement et facilement à ce problème.
Peu de gens se préoccupent de la section des conducteurs de ces câbles, car elle joue ici un rôle plutôt secondaire. Les fabricants de rallonges savent cependant exactement quelle section est nécessaire pour une longueur de câble donnée.
Il en va autrement lorsque, par exemple, un amplificateur puissant est nécessaire pour être installé dans un véhicule. Dans ce cas, la section du câble électrique est d'une grande importance. Nous vous expliquons les points importants à observer et comment calculer la section de câble nécessaire.
La section du câble ou du conducteur représente la surface de coupe totale de l'ensemble du câble, y compris l'isolation et la gaine (1). Le diamètre qui en résulte est important si l'on veut percer un trou de la taille souhaitée du câble.
La surface de section du câble, quant à elle, se réfère à la surface de section du conducteur électrique ou des conducteurs individuels (2). Il importe peu que les conducteurs soient un seul fil en cuivre massif ou plusieurs fils individuels minces réunis en une seule âme dans le cas d'une paire torsadée flexible.
Si le câble est coupé perpendiculairement au sens de la longueur à l'aide d'une scie fine, les surfaces de coupe des conducteurs sont rondes. Les surfaces de coupe visibles des différents conducteurs représentent alors la section transversale du conducteur, qui est cependant très souvent appelée section transversale du câble.
Si l'on utilise une pince coupante pour couper le câble électrique, on n'obtient pas de surfaces de coupe arrondies. Au contraire, les différents fils sont écrasés, ce qui peut conduire à une mauvaise estimation de la section de l'âme.
Du diamètre à la section de câble
La surface de la section du câble d'alimentation est facile à vérifier si l'on détermine le diamètre des conducteurs sous tension à l'aide d'un pied à coulisse lorsque le câble est hors tension.
La formule de calcul de la surface d'un cercle (A = r2 x π) permet de calculer la surface de la section à partir du diamètre.
À titre de comparaison, nous avons indiqué dans le tableau ci-dessous les sections normalisées de câbles ou de conducteurs de câbles fréquemment utilisés ainsi que les diamètres de conducteurs correspondants :
Tableaux complets de diamètres et de sections de conducteurs
| Diamètre d’âme en mm | Section du conducteur en mm² |
|---|---|
| 0,56 | 0,25 |
| 0,67 | 0,35 |
| 0,80 | 0,50 |
| 0,98 | 0,75 |
| 1,13 | 1,0 |
| 1,38 | 1,5 |
| 1,78 | 2,5 |
| Diamètre du conducteur en mm | Section du conducteur en mm² |
|---|---|
| 2,26 | 4,0 |
| 2,76 | 6,0 |
| 3,57 | 10 |
| 4,51 | 16 |
| 5,64 | 25 |
| 6,68 | 35 |
| 7,98 | 50 |
Une ligne électrique peut être comparée à une conduite d'eau. Plus le diamètre du tuyau est grand, plus la quantité d'eau qui peut y circuler est importante. Il en va de même pour un câble électrique. Plus le diamètre, et donc la surface de section du câble, est grand, plus sa capacité électrique maximale est élevée. Cela s'explique par le fait que plus la surface de la section transversale augmente, plus la résistance électrique (R) du conducteur et la chute de tension qui en résulte diminuent.
Câble fin ou épais ? Exemple de calcul
Le câble en cuivre pour le raccordement de l'amplificateur de l'autoradio au réseau de bord 12 V a une longueur de 10 m (5 m de câble positif et 5 m de câble négatif). Avec une section de conducteur de 10 mm², les deux câbles ont ensemble une résistance moyenne de 0,017 Ω. Le même câble avec une section de 25 mm² a une résistance de seulement 0,0069 Ω. Si l'amplificateur a une puissance de 720 W, un courant (I) de 60 ampères (A) maximum circule dans les deux câbles. À l'aide de la loi d'Ohm R = U : I ou U = R - I, on peut maintenant calculer la chute de tension (Ua) aux bornes des câbles respectifs :
Chute de tension dans un câble de 10 mm²
Ua = 0,017 · 60 = 1,02 V
Chute de tension dans un câble de 25 mm²
Ua = 0,0069 · 60 = 0,41 V
Bien que les deux câbles soient assez courts, la chute de tension est nettement perceptible lorsque le courant est maximal. N'oubliez pas que la tension dans une voiture équipée d'un moteur à combustion n'est que de 12 à 14 volts.
La perte de la tension du réseau et donc la diminution de l'alimentation électrique de l'appareil n'est toutefois pas le plus gros problème ! Dans ce cas, le haut-parleur a simplement une puissance plus faible. Cela ne cause aucun dommage.
Un problème bien plus important se pose si l'on tient compte des pertes en ligne sur les deux câbles. En effet, à des valeurs de courant élevées de 60 A, une grande partie de l'énergie transmise est transformée en chaleur. C'est ainsi que le câble s'échauffe.
Perte de puissance pour câble de 10 mm²
P = 1,02 V · 60 A = 61,2 W
Perte de puissance pour câble de 25 mm²
P = 0,41 V · 60 A = 24,6 W
L'exemple de calcul montre très clairement que plus la section du conducteur est grande, plus les pertes de tension et le dégagement de chaleur dans le conducteur sont faibles. Toutefois, plus la section du câble est importante, plus les coûts liés au câble augmentent nettement. C'est pourquoi la section de câble optimale ou le bon câble est toujours un compromis. Elle ne doit pas être trop petite, sinon les pertes dans le câble sont trop élevées et, dans le pire des cas, il y a un risque d'incendie. Mais pour des raisons de coûts, il est également important de ne pas choisir une section de câble trop grande.
Vous trouverez sur Internet des calculateurs en ligne pour calculer la section des câbles. Indépendamment de cela, il vaut en tout cas la peine de savoir comment fonctionnent les calculs afin d'entrer les bonnes données dans le calculateur.
Pour calculer correctement la section du câble, vous devez d'abord déterminer la longueur maximale du câble et la charge de courant. D'autres facteurs importants sont la conductivité du matériau et la chute de tension autorisée.
En outre, il existe une formule spécifique pour chaque type de tension. Cela s'explique par le fait qu'en courant continu, les valeurs d'intensité et de tension sont les mêmes.
Si une charge inductive, par exemple un moteur électrique, est alimentée par une tension alternative, la charge et la tension sont déphasées l'une par rapport à l'autre. Le rendement électrique ou le facteur de puissance diminue, ce dont il faut tenir compte.
Avec le courant triphasé, les appareils fonctionnent sur trois phases. C'est pourquoi on utilise un facteur de raccordement triphasé au lieu de doubler la longueur du câble.
Il existe donc trois formules pour calculer la section des câbles.
Courant continu
A = (2 · L · I) : (𝜿 · Ua)
Courant alternatif
A = (2 · L · I · cosφ) : (𝜿 · Ua)
Courant triphasé
A = (√3 · L · I · cosφ) : (𝜿 · Ua)
A = Section de câble
L = Longueur de câble en mètres*
I = Intensité en Ampère
√3 = Coefficient de transmission de courant triphasé (√3 = 1,732)
𝜿 = Conductivité Siemens par mètre (S/m)
cosφ = Rendement électrique
Ua = Chute de tension autorisée en volts
*Remarque : pour mieux distinguer dans les formules l'indication du courant (I) de celle de la longueur, on utilise une lettre majuscule (L) au lieu de la lettre minuscule habituelle (l) pour l'indication de la longueur.
Section de câble (A)
La section du câble est indiquée en millimètres carrés (mm²). Comme les tailles de câble disponibles sont échelonnées, utilisez toujours la valeur la plus proche. Les sections de câble courantes sont 0,75 mm², 1,5 mm², 2,5 mm², 4 mm², 6 mm², 10 mm², 16 mm² ou 25 mm². Les câbles avec des sections plus grandes ne sont en général utilisés que par les professionnels. Il existe toutefois aussi des fils et des câbles dont la section est inférieure à 0,75 mm² ou se situe entre les deux valeurs susmentionnées.
Longueur de câble (L)
La longueur du câble peut être mesurée de manière très classique. Pour un calcul correct, vous devez toujours déterminer la distance entre la source de tension et l'appareil car les formules ci-dessus incluent automatiquement les deux sens.
Intensité (I)
Pour calculer la section, indiquez la charge maximale en ampères (A). Vous trouverez ces données sur la plaque signalétique de l'appareil ou dans la documentation technique. Si seules la puissance (P) et la tension de service (U) sont indiquées, il faut d'abord calculer l'intensité selon la formule I = P : U. Il est également possible d'effectuer des mesures d'intensité.
Facteur de couplage (√3)
Pour le courant triphasé, on n'utilise pas la tension entre une phase et le conducteur extérieur et le conducteur neutre, mais la différence de tension entre les trois phases. C'est la raison pour laquelle la formule ne fonctionne pas avec le double de la longueur du câble, mais avec le facteur de couplage. Le facteur de couplage est une valeur constante de 1,732 (√3) qui ne varie pas indépendamment des autres valeurs numériques dans la formule de calcul de la section du conducteur.
Conductivité spécifique du fil (𝜿)
La conductivité du conducteur (kappa) dépend du matériau utilisé. Selon la pureté et la température, le cuivre a une conductivité de 58 Siemens par mètre (S/m). L'argent a une conductivité nettement meilleure de 62 S/m. Avec 37 S/m, l'aluminium se situe encore en dessous des deux autres matériaux. La valeur inverse de la conductivité est également appelée résistance spécifique. Pour une conductivité de 58 S/m, la résistance spécifique ρ (Rho) serait de 0,0172 (Ω/m).
Rendement électrique (cosφ)
Le rendement électrique détermine le rapport entre la puissance active et la puissance apparente d'un appareil alimenté par du courant alternatif. Les informations nécessaires peuvent être directement tirées de la plaque signalétique du moteur ou des fiches techniques. Pour les systèmes à courant continu, la valeur du rendement électrique est toujours de 1 et peut donc être omise dans la formule.
Chute de tension autorisée (Ua)
La chute de tension autorisée indique de combien la tension de service peut être réduite en raison de la résistance du câble. Pour les charges critiques telles que les chargeurs ou les blocs d'alimentation, la chute de tension ne doit pas dépasser 2 %. Pour les charges non critiques telles que les lampes, la limite autorisée ne doit pas dépasser 4 %. Dans certains cas, les formules de calcul de la section n'exigent pas une chute de tension en volts, mais un facteur d'écart (par exemple 0,02 pour 2 %) et le niveau de la tension de service. Si l'on multiplie ces deux valeurs, on obtient la chute de tension autorisée.
Dans notre exemple de calcul, nous avons affaire à l'amplificateur de puissance audio déjà mentionné, qui doit être placé dans le coffre d'un véhicule automobile. L'amplificateur de puissance est alimenté par la source de courant de 12 V embarquée et a une puissance de 720 W. Il est équipé d'une prise de courant et d'une prise de terre. Selon la formule suivante I = P : U, un courant maximum de 60 A circule pour une puissance de 720 W. Le câble positif est directement raccordé à la batterie et amené à l'amplificateur. Dans cet exemple, la longueur nécessaire est de 4,5 m. Le câble négatif a une longueur de 0,5 m et est directement relié au châssis du véhicule dans le coffre. La résistance du châssis du véhicule entre le coffre et le pôle négatif de la batterie est si faible qu'elle peut être négligée dans ce cas. La longueur totale du câble extérieur et du câble de retour est donc de 5 mètres.
Seule la moitié de la distance, soit 2,5 m, est prise en compte dans la formule, car cette valeur est multipliée par deux et la longueur réelle du câble est donc à nouveau prise en compte dans les calculs. La chute de tension maximale ne doit pas dépasser 2 % de 12 V, soit 0,24 V. Avec ces valeurs, vous pouvez maintenant calculer la section de câble nécessaire :
A = (2 · L · I) : (𝜿 · Ua)
A = (2 · 2,5 · 60) : (58 · 0,24) = 300 : 13,92 = 21,55 mm²
Dans ce cas, un câble d'une section de 25 mm² est nécessaire.
Condensateurs haute performance pour la décharge de traction
D'ailleurs, de nombreux passionnés de tuning et de hi-fi utilisent une astuce géniale pour réduire le courant dans leurs câbles de raccordement d'amplificateur. En effet, le courant maximal ne circule que lorsque la puissance est maximale. En règle générale, cela n'est nécessaire que pour les impulsions de basse. Il en résulte que la tension de fonctionnement de l'amplificateur présente de brèves variations lors de la lecture de musique ou d'impulsions de basses.
Pour éviter cela, un grand condensateur est branché en parallèle à l'entrée de tension de l'amplificateur. Il se charge entre les impulsions de basse et transmet son énergie à l'amplificateur lorsque l'impulsion de basse se produit. Grâce à cette source de courant supplémentaire directement sur l'amplificateur, les chutes de tension sont nettement plus faibles et la tension d'alimentation plus stable.
Pour le courant alternatif et le courant triphasé, la section du câble peut être calculée à l'aide des formules ci-dessus et selon le même schéma que dans l'exemple avec l'appareil fonctionnant au courant continu. Le résultat ne sert toutefois que d'indicateur approximatif. En effet, selon la norme DIN VDE, d'autres facteurs que le seul résultat du calcul doivent être pris en compte lors de la détermination de la section de câble pour les installations électriques ou les appareils électriques.
La manière dont les câbles électriques sont posés est un sujet très important. Il est très important de savoir si le câble électrique doit être posé sous le crépi, dans une goulotte, dans un puits de câbles ou dans un chemin de câbles ouvert vers le haut.
D'autres points importants sont la température ambiante, la résistance d'isolation à la température ou le nombre de conducteurs chargés dans le câble.
Étant donné qu'il y a de nombreuses réglementations à respecter dans ce domaine, nous recommandons de demander l'aide d'un spécialiste pour choisir le câble d'installation électrique approprié.
Pourquoi trouvons-nous des données de conductivité différentes ?
La spécification de la conductivité dépend principalement de la pureté du matériau conducteur et de la température. C'est pourquoi les spécifications se situent entre 56 S/m et 58 S/m pour le cuivre, par exemple. Si vous n'êtes pas sûr de la section de câble nécessaire, veuillez consulter les fiches techniques des câbles pour connaître la valeur correspondante.
Que sont les câbles CCA ?
Le câble CCA se compose d'un conducteur en aluminium, qui est en outre recouvert de cuivre. Ces conducteurs sont plus légers et nettement moins chers que les modèles comparables avec un conducteur en cuivre massif. En raison de la gaine de cuivre, la conductivité du câble CCA se situe entre le cuivre et l'aluminium. C'est pourquoi il faut presque toujours une section de conducteur plus importante que pour les conducteurs en cuivre. Ce n'est qu'en cas de tensions alternatives à haute fréquence que le câble CCA est clairement avantagé par le flux de courant vers la partie extérieure du conducteur.
Quand faut-il calculer la section des câbles ?
Les installateurs électriciens connaissent bien les réglementations en vigueur et savent donc également quel câble utiliser pour quelle tâche et quelle doit être la section recommandée. Veuillez toutefois noter qu'en cas de courants importants à faible tension, il est indispensable de calculer la section de câble nécessaire.
Quelle est la section de câble requise pour 12 V ?
Il n'y a pas de réponse simple à cette question car la section du câble ne dépend que de l'intensité du courant et de la longueur du câble. Il en résulte une chute de tension aussi faible que possible. Un gros amplificateur de voiture alimenté en 12 V nécessite, selon sa puissance, un câble d'une section de 10 mm², 20 mm² ou même plus. En revanche, une LED à économie d'énergie de 5 mm, alimentée en courant par une résistance série, peut être raccordée sans problème à un câble de 0,14 mm² dans la voiture, car elle n'est traversée que par un très faible courant. Qu'importe si des courants forts ou faibles circulent, il faut toujours installer des fusibles correspondants dans le câble.