Une rondelle isolante modifie la ligne de fuite, pas la distance d’isolement dans l’air

Deux distances, dont une seule vous appartient

L’IEC 60664-1 est la norme de base de la coordination de l’isolement, et sa partie terminologique sépare deux grandeurs que l’on traite d’ordinaire comme une seule.

Lues à côté d’un assemblage boulonné, la séparation saute aux yeux. Une rondelle à épaulement, une bague à collerette, un manchon dans l’alésage : chacun est un morceau de matériau isolant solide inséré dans le chemin, et ce qu’il allonge, c’est la seconde distance. L’air autour de l’assemblage reste inchangé.

Ce que fait réellement la quincaillerie

La disposition habituelle est une rondelle à collerette dont l’épaulement garnit le trou de passage et dont la collerette se loge sous la tête, une rondelle plate par-dessus et souvent une rondelle identique de l’autre côté. Chaque surface a un rôle, et chacune a sa façon d’y manquer.

• L’épaulement éloigne le boulon de l’alésage. C’est la défaillance que l’on découvre en dernier, car elle est invisible une fois monté. Un boulon tiré latéralement par l’assemblage, ou un trou légèrement décalé, met le métal en contact avec le métal à l’intérieur d’une pièce qui paraît correcte de l’extérieur.
• La collerette allonge le chemin de surface sous la tête. C’est la ligne de fuite qui travaille, et c’est pourquoi le diamètre de la collerette compte, et pas seulement son épaisseur.
• L’autre côté doit lui aussi être isolé. Une extrémité isolée et une extrémité métal sur métal font un assemblage conducteur muni d’une rondelle coûteuse.
• Un revêtement n’est pas l’isolant. L’anodisation, la peinture et la passivation sont minces, elles sont endommagées précisément par la pression de contact qu’applique une fixation, et personne ne les a spécifiées comme diélectrique. Si la conception en dépend, elle comporte un isolant sans plan.
• L’image inverse de cette page est un assemblage qui doit conduire. Là, les mêmes revêtements posent problème de l’autre côté, et une norme publiée interdit les rondelles anodisées et revêtues pour la liaison équipotentielle pour cette raison.

La contradiction dont personne ne prévient

Il existe une contradiction directe entre les deux choses que l’on demande à cette pièce, et elle figure déjà en une ligne sur notre propre page consacrée aux rondelles : les rondelles en nylon et en fibre assurent isolation, étanchéité et protection de surface, et elles fluent sous charge permanente ; elles n’ont donc pas leur place dans le chemin de serrage d’un assemblage structural. Le reste de ce tableau se trouve dans les rondelles expliquées.

Les deux moitiés sont vraies à la fois. Le matériau qui isole est le matériau qui ne tiendra pas votre précharge. Un polymère dans le chemin de serrage se relaxe, l’effort de serrage chute et l’assemblage se desserre par un mécanisme où rien ne se dévisse : c’est le deuxième mode de défaillance décrit dans pourquoi les vis se desserrent.

L’issue consiste à ne plus demander les deux à une seule pièce. Placez une douille métallique dans le chemin de serrage pour que l’effort de compression traverse un élément qui ne flue pas, et n’utilisez le polymère que là où il doit interrompre un chemin conducteur, sans porter la charge. Si c’est la fixation entière qui doit être non conductrice, c’est une autre conception, avec ses propres limites, et ce qu’une fixation en polymère peut ou ne peut pas promettre se rapproche davantage de vis pour plastiques que de tout ce que contient un catalogue de fixations en acier.

Et à 10 kV, la norme s’est déjà retirée

L’IEC 60664-1 énonce ses propres limites dans le premier paragraphe de son domaine d’application : matériels de tension assignée jusqu’à AC 1 000 V ou DC 1 500 V, fréquences jusqu’à 30 kHz, utilisation jusqu’à 2 000 m d’altitude. La question de la discussion portait sur 10 kV, soit un ordre de grandeur au-delà. Les tableaux que chacun va chercher ne sont pas applicables, et aucun chiffre de remplacement ne figure sur cette page, car nous ne sommes pas le document qui devrait le fournir.

Deux autres phrases du même domaine d’application méritent d’être retenues même en basse tension, car elles décrivent les situations où les chiffres cessent d’en être. Les distances d’isolement minimales spécifiées ne s’appliquent pas en présence de gaz ionisés, et le document ne traite pas des distances à travers une isolation liquide, à travers des gaz autres que l’air ou à travers de l’air comprimé. Un assemblage humide, poussiéreux ou placé dans autre chose que de l’air propre se trouve hors du modèle, et non à sa limite.

Le domaine d’application contient aussi une note qui sonne comme un avertissement pour quiconque isole un assemblage à l’intérieur d’un appareil : des tensions plus élevées peuvent exister dans les circuits internes. La tension assignée inscrite sur la plaque n’est pas forcément la tension aux bornes de votre rondelle.

L’autre raison pour laquelle on le demande

L’isolation électrique n’est pas la seule raison pour laquelle une rondelle isolante apparaît sur un plan. Dans notre domaine, la plus fréquente est la rupture d’un couple galvanique, où la fixation est souvent la petite pièce anodique d’un grand assemblage cathodique, et où l’objectif est d’interrompre le chemin électrolytique plutôt qu’un chemin électrique. C’est une autre exigence, avec un autre mode de défaillance : la corrosion galvanique, le classement qui décide quels couples comptent figurant dans le tableau des indices anodiques.

Il vaut la peine de distinguer les deux sur le plan, car ils ne demandent pas la même chose. Une coupure galvanique exige que le chemin de l’humidité soit interrompu partout où les deux métaux pourraient partager un électrolyte. Une isolation électrique exige une ligne de fuite et une distance d’isolement dans l’air qui résistent à une tension spécifiée. Une rondelle qui satisfait l’une n’a pas automatiquement satisfait l’autre.

Ce qu’il faut trancher avant de choisir la quincaillerie

• Dire laquelle des deux distances pose problème. Si c’est la distance d’isolement dans l’air, la quincaillerie dans le trou n’y changera rien et la géométrie doit changer.
• Dire ce qui porte l’effort de serrage. Si c’est l’isolant, la précharge est en sursis. Une douille métallique sépare les deux fonctions.
• Dire si l’autre côté est isolé lui aussi, et si le boulon est empêché de toucher l’alésage.
• Ne pas laisser un revêtement servir d’isolant. Si une anodisation ou une peinture se trouve dans le chemin d’isolation, elle doit être spécifiée et contrôlée comme isolation, ou bien elle ne doit pas porter de charge sur cette surface.
• Vérifier si l’assemblage servait aussi de liaison équipotentielle. L’isoler supprime la continuité qu’il assurait, et c’est une question à trancher délibérément plutôt qu’à découvrir.

Cet article ne relève pas d’une seule des six étapes : il en traverse plusieurs ou intervient après l’assemblage. Les décisions qui y conduisent sont présentées dans l’article anglais Specifying a screw.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre distance d’isolement dans l’air et ligne de fuite ?

L’IEC 60664-1 les définit séparément. La distance d’isolement dans l’air est la plus courte distance dans l’air entre deux parties conductrices. La ligne de fuite est la plus courte distance le long de la surface d’un matériau isolant solide entre deux parties conductrices. Une rondelle, une bague ou un manchon isolant est un matériau isolant solide placé dans le chemin ; il agit donc sur la ligne de fuite. Le chemin dans l’air autour de l’assemblage n’en est pas affecté.

Une rondelle isolante à épaulement isole-t-elle un assemblage haute tension ?

Elle traite le chemin qui traverse la fixation, pas celui qui la contourne ; à elle seule, la réponse est donc généralement non en haute tension. C’est ce que disaient les meilleures réponses de la discussion d’origine en proposant de modifier la conception plutôt que d’ajouter de la quincaillerie. L’IEC 60664-1 ne couvre par ailleurs que les matériels jusqu’à AC 1000 V ou DC 1500 V ; à 10 kV, la norme qu’on consulterait normalement pour des chiffres ne s’applique pas, et cette page ne propose pas de valeur de remplacement.

Puis-je mettre une rondelle en nylon dans un assemblage boulonné structural ?

Pas dans le chemin de serrage, si l’assemblage doit conserver sa précharge. Les rondelles en polymère fluent sous charge permanente, l’effort de serrage baisse avec elles et l’assemblage se desserre sans que rien n’ait tourné. La disposition habituelle est une douille métallique qui porte l’effort de compression, le polymère n’étant placé que là où il doit interrompre un chemin conducteur, de sorte que la pièce qui isole ne soit pas aussi celle qui tient l’assemblage.

Une rondelle isolante est-elle la même solution qu’une rondelle d’isolation galvanique ?

Les exigences se recoupent mais ne sont pas les mêmes. L’isolation électrique se spécifie par une tension et demande une ligne de fuite et une distance d’isolement dans l’air qui y résistent. L’isolation galvanique vise à interrompre un chemin électrolytique ; elle demande donc que le cheminement de l’humidité soit coupé partout où les deux métaux pourraient sinon partager un électrolyte, y compris là où une tension n’aurait jamais sauté. Une pièce qui satisfait l’une n’a pas automatiquement satisfait l’autre, et le plan doit dire laquelle est demandée.

L’anodisation compte-t-elle comme isolation électrique ?

Pas tant que personne ne l’a spécifiée et vérifiée comme isolation. Les revêtements sont minces, leur comportement diélectrique n’est pas la raison pour laquelle la finition a été achetée, et la pression de contact sous une fixation est précisément la condition qui les endommage. Si une conception compte sur un revêtement pour isoler un assemblage, l’isolant n’a ni plan ni contrôle, ce qui est un autre problème que celui que la rondelle devait résoudre.

Références

• IEC 60664-1:2020 — coordination de l’isolement des matériels dans les réseaux d’énergie à basse tension ; article 1 domaine d’application, et 3.1.4 et 3.1.5 définissant distance d’isolement dans l’air et ligne de fuite
• IEC 60050-151 — Vocabulaire électrotechnique international, source que cite l’IEC 60664-1 pour la définition de la ligne de fuite

L’IEC 60664-1:2020 a été lue dans l’aperçu PDF librement accessible, qui contient l’intégralité du domaine d’application et la partie termes et définitions, y compris les deux définitions citées ici. L’aperçu ne contient pas les tableaux des distances d’isolement et des lignes de fuite, et aucune valeur qui en est tirée ne figure sur cette page ; ils ne s’appliqueraient d’ailleurs pas au cas de 10 kV de la discussion d’origine, situé un ordre de grandeur au-dessus de la limite de tension assignée de la norme. La valeur de rigidité diélectrique de l’air citée dans cette discussion n’est volontairement pas reprise ici : la valeur couramment citée vaut pour un champ uniforme au niveau de la mer, et les pointes, arêtes, l’humidité, la pression et la pollution la font varier ; un chiffre unique serait donc trompeur précisément dans la situation décrite. Le numéro de catalogue de l’IEC 60050-151 n’a pas été recoupé avec une seconde source. La question de savoir si isoler un assemblage perturbe une liaison équipotentielle de protection est soulevée ici comme une question à trancher, et non comme une exigence citée d’un quelconque code.