Les schémas de liaisons à la terre.

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1 Les schémas de liaisons à la terre. L'expression «régime de neutre»symbolise la situation d'une installation électrique par rapport au potentiel de la terre. Du fait que cette situation ne concerne pas que le neutre, la normalisation utilise l'expression de «schémas des liaisons à la terre». La configuration des schémas des liaisons à la terre détermine un certain nombre de conditions concernant la conception, la mis en œuvre et l exploitation des installations électriques. Elle détermine les mesures de protection contre les contacts indirects dont les conditions d'application dépendent fondamentalement du schéma des liaisons à la terre. RAPPEL DES RÈGLES DE SECURITE : 1. Protection contre les contacts directs : Le contact direct est le contact entre une personne et les parties actives ( phases ou neutre ) des matériels sous tension. La protection contre ce contact s'effectue de la façon suivante : a. Par isolation des parties actives. Tous les conducteurs sous tension sont recouverts d'isolants. b. Par des barrières, des enveloppes, des obstacles. L'appareillage est mis sous coffret. c. Par mise hors de portée, par éloignement. C'est le cas des lignes aériennes à haute tension et basse tension. d. Utilisation de la très basse tension de sécurité (TBTS). On a recours à des tensions dites «de sécurité» de 12 V, 25 V et 50 V en courant alternatif, et de 25 V, 50 V ou 120 V en continu. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 1 / 28

2 e. Par protection complémentaire (disjoncteur différentiel résiduel DDR). On emploie un dispositif différentiel à haute sensibilité (30 ma). Attention! Cette mesure n'a aucun effet si une personne touche simultanément deux fils à des potentiels différents, aucun appareil n'étant capable de distinguer la résistance du corps humain de celle d'un appareil électrique (radiateurs, moteurs ) 2. Protection contre les contacts indirects : Cette protection consiste à éviter le contact des personnes avec des masse s mises accidentellement sous tension. Une masse est une partie métallique normalement isolée, mais susceptible d'être touchée par une personne. La protection contre les contacts indirects est mise en œuvre de deux manières : a. Par coupure automatique de l'alimentation. Pour empêcher qu'un défaut d'isolement provoque une tension dangereuse pendant le temps suffisant à mettre en danger la vie d'une personne, il faut que le courant du circuit défectueux soit coupé automatiquement dès l'apparition du défaut. b. Sans coupure automatique. Ce type de protection est limité à certaines parties de l'installation. Il est réalisé par: - l'emploi de matériel de classe Il (double isolation) ; - l'isolation supplémentaire lors de l'installation; - la séparation électrique (transformateurs d'isolement) ; - les liaisons équipotentielles locales, non reliées à la terre. LES REGIMES DE NEUTRE ( définis par la C.E.I.364 et la NFC ) Définitions et classifications des schémas : Un schéma des liaisons à la terre est caractérisé par deux ou trois paramètres, selon qu'il s'agit d'installations à basse tension ( jusqu à 1000V en alternatif et 1500V en continu ) ou d'installations à haute tension ( tensions supérieures à 1000V) ; Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 2 / 28

3 - la situation du neutre par rapport à la terre, - la situation des masses de l'installation; Ces deux paramètres étant utilisés quel que soit le domaine de tensions; - la situation des masses du poste d'alimentation de l'installation, pour les installations à haute tension. Les schémas sont désignés par un ensemble de deux ou trois lettres correspondant respectivement aux paramètres de situation. Pour chaque paramètre, les situations possibles sont symbolisés par une lettre dont la signification est donnée dans le tableau A. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 3 / 28

4 Dans le domaine de la haute tension la classification du tableau A a été introduite en France par la norme NFC ( révisée en 1988 ).Cette désignation n a pas été encore introduite sur le plan international. La combinaison des différentes lettres définies dans le tableau A conduirait théoriquement à 12 schémas, mais 6 schémas sont réalisables en pratique. Les schémas utilisés dans les installations à haute tension sont généralement du type TNR ou TTS avec une impédance limitant le courant de défaut afin d'éviter des dommages aux matériels électriques, mais conçus de manière à assurer la coupure au premier défaut d'isolement. UN PEU D HISTOIRE La notion de schéma des liaisons à la terre n'apparaît clairement dans la réglementation et la normalisation françaises qu'au début des années 60, respectivement dans le décret de protection des travailleurs du 14 novembre 1962 et dans la norme NF C de mars 1963; toutefois les désignations symboliques par lettres ne sont introduites que vers 1970 du fait que cette désignation a été établie par le Cenelcom au début des travaux d'harmonisation des règles d'installation dans les pays du Marché commun de l'époque. Antérieurement, les notions de liaisons à la terre étaient demeurées très imprécises ; elles proviennent de deux considérations : d'une part, l'arrêté dit technique fixant les conditions auxquelles doivent répondre les distributions d'énergie électrique, imposent en 1927 la mise à la terre du neutre au poste de transformation pour des raisons de limitation des surtensions -, d'autre part, les textes prévoient dès 1935 la mise à la terre de certaines masses mais sans y associer la fonction de coupure automatique. La combinaison de ces deux mises à la terre préfigurent la conception du schéma TT qui est aujourd'hui utilisé de façon très générale dans les réseaux de distribution publique à basse tension en France. Le développement de l'utilisation de l'électricité qui peut nécessiter une continuité de service pour des raisons fonctionnelles, économiques ou de sécurité amène à concevoir un schéma ne nécessitant pas de coupure lors d'un défaut d'isolement; une telle conception consiste à isoler de la terre le neutre et à réaliser ainsi un schéma IT. Par contre, le schéma TN est complètement ignoré en France bien qu'il soit largement utilisé depuis fort longtemps dans un grand nombre de pays qui le considèrent comme simple, pratique et sûr, c'est ainsi que ce schéma connu sous le nom de «mise au neutre»(nullung en allemand) est largement utilisé dans de nombreux pays tels que l'allemagne, la Suisse, l'autriche, l'angleterre, les États-Unis, le Canada... avec de légères variantes. Bien que ce schéma ait été introduit dans la NF C de 1963 et dans le décret du 14 novembre 1962, le ministère du Travail ne reconnaît pas la possibilité de réaliser une installation en schéma de mise au neutre, tant qu'une nonne rendue d'application obligatoire n'en aura pas défini les conditions de réalisation pour assurer la sécurité des travailleurs. La liaison des masses au conducteur neutre qui, par définition est un conducteur actif, faisait craindre à certains un risque de présence de tension sur les masses pouvant être dangereuse pour les personnes; une telle crainte était complètement subjective et on pouvait se demander si, dans les pays utilisant ce schéma même en distribution publique, les personnes étaient davantage en danger alors que les statistiques montraient que le taux d'accidents d'origine électrique n'était pas supérieur à celui de la France. Néanmoins, il a fallu attendre que soit publié en 1973 un document normatif définissant les conditions de protection en schéma TN pour que le ministère du Travail autorise officiellement la réalisation de ce schéma dans les installations électriques des établissements soumis au Code du travail. Ce document, basé sur les études internationales sur la sécurité des personnes, comportait la première courbe définissant le temps de coupure en fonction de la tension de contact présumée. Cela explique pourquoi les exploitants n'ayant le choix qu'entre deux schémas ont généralement choisi celui qui leur paraissait présenter le plus d'avantages, c'est-à-dire le schéma à neutre isolé (IT) qui permettait d'assurer la continuité de l'alimentation même en cas de défaut. Un tel avantage aurait été réel si la réalisation des installations avait respecté toutes les exigences nécessaires au fonctionnement sûr des installations dans ce schéma, ce qui malheureusement n'était que rarement le cas. Il convient d'ajouter que le schéma IT est totalement ignoré de l'angleterre et de l'amérique du Nord; dans certains pays comme l'allemagne, il n'est utilisé que pour des applications particulières. Depuis 1973, le schéma TN est de plus en plus utilisé dans les installations des domaines industriels et tertiaires, en raison des facilités de réalisation et d'exploitation et des économies qu'il apporte. Toutefois, force est de reconnaître que le schéma IT a encore ses défenseurs. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 4 / 28

5 MESURES DE PROTECTION : La nature du schéma des liaisons à la terre a une influence directe sur les conditions de réalisation des mesures de protection, notamment en ce qui concerne la protection contre les contacts indirects et la protection contre les surtensions. Elle a également une influence sur les mesures de protection contre les surintensités. Les caractéristiques des dispositifs de protection dépendent en grande partie du schéma des liaisons à la terre. D'une façon générale, chaque schéma de liaisons à la terre assure le même niveau de protection et de sécurité si toutes les règles et conditions imposées sont respectées. Protection contre les contacts indirects : La mesure de protection par coupure automatique de l'alimentation est destinée à empêcher qu'à la suite d'un défaut d'isolement entre une partie active et la masse d'un matériel, une personne touchant ce matériel puisse se trouver soumise à une tension de contact dangereuse pendant un temps tel qu'il puisse en résulter des dommages organiques. Les valeurs de tensions de contact dangereuses en fonction du temps résultent d'études approfondies faites par des experts dans le cadre de la Commission électrotechnique internationale; elles sont notamment basées sur des expériences effectuées sur des animaux et même, dans certaines conditions, sur des personnes vivantes. La figure 1 indique la valeur maximale du courant que le corps humain peut supporter sans qu'il en résulte de dommages irréversibles, dans des conditions statistiquement raisonnables. La courbe Uc indique la valeur de la tension de contact présumée produisant dans le corps humain un courant dont l'intensité a la valeur indiquée par la courbe 1, en tenant compte de l'impédance électrique du corps humain. Comme en pratique, il n'est pas possible de connaître la valeur réelle de la tension de contact, le temps est exprimé en fonction de la tension nominale d'alimentation Uo correspondant à une valeur moyenne de la tension de contact présumée tenant compte des conditions des circuits de distribution. La valeur de la tension de contact pour laquelle un temps de coupure de 5 secondes est admis est la «tension limite conventionnelle UL» (50 volts). Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 5 / 28

6 Mesures de protection en basse tension : La réalisation de cette mesure de protection repose sur l'association de deux conditions : A - L'apparition d'un défaut d'isolement doit provoquer la circulation d'un courant de défaut, ce qui nécessite l'existence d'un circuit dénommé «boucle de défaut» dont la constitution dépend du schéma des liaisons à la terre. B - Le courant de défaut doit provoquer l'ouverture d'un dispositif automatique dans un temps compatible avec les conditions de sécurité déterminées en fonction de la tension de contact présumée. La nature et les caractéristiques des dispositifs de coupure automatique dépendent du schéma des liaisons à la terre. Cas du régime T.T. Dans le schéma TT, les deux conditions sont réalisées de la manière suivante: A) La boucle de défaut est constituée par le conducteur actif siège du défaut, le conducteur de protection reliant la masse à la prise de terre, la prise de terre des masses de l'installation et la prise de terre du neutre de l'alimentation. Étant donné que les résistances des conducteurs sont faibles par rapport à celles des prises de terre, l'impédance de la boucle de défaut est pratiquement égale à la somme des résistances des deux prises de terre. La boucle de défaut O.A.D.RA.RB.O est ainsi constituée par la source S, le conducteur de phase, le conducteur de protection et les prises de terre des masses de l'installation RA et du neutre RB. B) Le courant de défaut ayant une valeur généralement insuffisante pour assurer le fonctionnement des dispositifs de protection contre les surintensités, la coupure est assurée par des dispositifs à courant différentiel-résiduel ( D.D.R. ). Le courant de défaut est pratiquement égal à avec Uo : tension entre phase et neutre Id = Uo / (RA + RB) Dans certaines conditions, la coupure peut être assurée par des fusibles ou des disjoncteurs de faible courant nominal, à condition que les résistances des prises de terre soient faibles. Il peut en être ainsi pour certaines installations d'éclairage public. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 6 / 28

7 Exercice résolu : Avec Soit le réseau de distribution T.T ci-dessus. Rd, résistance de défaut = 0Ω Rb, résistance de la prise de terre du neutre = 10Ω Ra, résistance de la prise des masses = 20Ω Le courant Id de défaut vaut : Id = Uo / Ra +Rb +Rd Id = 230/ =7.66A La tension de contact Uc entre la masse et la terre sera : Uc = Ra Id = = V ( tension mortelle ) A retenir : RÉGLES DE PROTECTION EN REGIME TT 1. Première règle : Toutes les masses des matériels protégés par un même dispositif de protection doivent être interconnectées et reliées par un conducteur de protection électrique (PE) à une même prise de terre. 2. Deuxième règle : La condition de protection doit satisfaire à la relation: RA Ia UL avec : Ia, courant de fonctionnement du dispositif de protection en ampères (A) RA, résistance de la prise de terre des masses U, tension de contact, égale à UL ; La tension limite UL est de 50 V, de 25 V ou de 12 V selon les locaux. 3. Troisième règle : Dans les schémas TT, on assurera la protection à l'aide d'un dispositif à courant différentiel résiduel (DDR). Dans ce cas, le courant «Ia» sera égal au courant différentiel résiduel du disjoncteur. La sensibilité du disjoncteur ou interrupteur différentiel résiduel est indiquée par le symbole I n Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 7 / 28

8 Cas du régime T.N. Dans le schéma TN, les deux conditions sont réalisées de la manière suivante: A) La boucle de défaut est constituée par le conducteur de phase siège du défaut et le conducteur de protection relié au neutre par des liaisons galvaniques. B) Le courant de défaut, qui est un courant de court-circuit entre phase et neutre, doit assurer le fonctionnement des dispositifs de protection contre les surintensités prévus à cet effet. Dans le schéma TN-C, le conducteur neutre et le conducteur de protection sont confondus dans un seul conducteur dénommé conducteur PEN. Ce schéma n'est admis que si le conducteur PEN a une section d'au moins 10mm². Il n'est pas admis dans les canalisations mobiles. Les conditions de protection en schéma TN-C sont les suivantes : A) La boucle de défaut OADBO est constituée par la source S, le conducteur de phase (OAD) et le conducteur PEN (DBO). B) Le courant de défaut est égal à : Id = Uo / (Zph + ZPEN) Uo Zph ZPEN Tension entre phase et neutre, Impédance du conducteur de phase, Impédance du conducteur PEN. Les conditions de coupure dépendent de la nature et des caractéristiques de fonctionnement des dispositifs de protection : - lorsque la protection est assurée par des fusibles, le courant assurant la fusion du fusible dans le temps prescrit doit être inférieur au courant de défaut. Le courant de défaut I, doit être au moins égal au courant assurant la fusion du fusible dans le temps to prescrit (courbe Uc de la figure 1) en fonction de la tension nominale d'alimentation. t1, est le temps de fusion du fusible pour le courant de défaut Id ( t1 to). Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 8 / 28

9 - lorsque la protection est assurée par des disjoncteurs magnéto-thermiques, le courant assurant le fonctionnement instantané du disjoncteur (sans retard volontaire) doit être inférieur au courant de défaut. Les caractéristiques de fonctionnement de ces disjoncteurs comprennent deux zones : 1 Zone de fonctionnement thermique (protection contre les surcharges). 2 Zone de fonctionnement instantané (protection contre les courts-circuits et les défauts). Avec Im, courant minimal de fonctionnement instantané. - Si le courant de défaut Id est supérieur au courant Im, le temps de fonctionnement t1 du disjoncteur est nettement inférieur au temps prescrit t0. - Si le fonctionnement du disjoncteur est assuré par un déclencheur électronique, la coupure peut être obtenue dans la zone de court retard à condition que le temps de court retard pour le courant de défaut soit inférieur au temps prescrit. Les caractéristiques de fonctionnement de ces disjoncteurs comprennent trois zones : 1 Zone de fonctionnement à long retard (protection contre les surcharges). 2 Zone de fonctionnement à court retard (protection sélective contre les courts-circuits et les défauts). 3 Zone de fonctionnement instantané (protection contre les courts-circuits et les défauts). Si le courant de défaut Id est supérieur au courant Im2 (plus petit courant de fonctionnement instantané), le temps de fonctionnement du disjoncteur est nettement inférieur au temps prescrit to. Si le courant de défaut est inférieur à lm2, il doit être au moins égal àim1 (plus petit courant de fonctionnement à court retard). Il faut alors vérifier que le temps de fonctionnement pour le courant Id est inférieur au temps prescrit to (courbe A). La courbe B n'assure pas la protection. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 9 / 28

10 Dans certaines conditions, l'impédance de la boucle de défaut peut être trop grande pour que le courant de défaut soit suffisant pour assurer le fonctionnement du dispositif de protection dans le temps prescrit. La protection est alors assurée par des dispositifs à courant différentiel-résiduel, le conducteur de protection et le conducteur neutre étant séparés (schéma TN-S). Il en est par exemple ainsi pour des circuits de très grande longueur et les circuits alimentant des prises de courant du fait que la longueur des câbles souples n'est pas connue. Le schéma TN-S peut être combiné avec le schéma TN-C, le schéma TN-S étant impérativement placé en aval du schéma TNC; le schéma TN-S est ainsi utilisé dans les circuits terminaux et dans les canalisations mobiles. Dans le schéma TN-S, les conditions de protection sont les mêmes que dans le schéma TN-C, l'impédance du conducteur PEN étant remplacée par celle du conducteur de protection PE. CALCULS DE LA PROTECTION EN T.N : Le calcul exact du courant s'établissant en cas de défaut d'isolement est assez complexe, car il fait intervenir les impédances, directes, inverses et homopolaires, des composants du circuit. La norme C prévoit une méthode simplifiée qui donne les longueurs maximales des circuits, en fonction: - du type de protection (fusibles gg, am, ou petits disjoncteurs) - du calibre de la protection; - de la section des phases et du conducteur de protection; - du régime de neutre. 1. Calcul simplifié : Dans le schéma qui représente un départ basse tension la boucle de défaut B, C, D et E est alimentée par une tension estimée à 0,8 fois la tension simple. Cette estimation tient compte de la chute de tension dans le circuit amont, du fait de la surintensité provoquée par le court-circuit. La tension VBE est égale à 0,8 x 230 = 184 V ( pour un réseau 230/400 V). L'impédance de cette boucle de défaut, dans un calcul approché, est ramenée à la valeur de la résistance des câbles. Zd = impédance de la boucle de défaut B, C, D et E. On considère que le conducteur PEN suit le même parcours que le conducteur de phase BC, donc que BC = DE, soit une longueur de dérivation L = 40 m. Zd = 2 fois la résistance de BC d'où Zd = 2.ρ. L/S = 2 x 22,5 40/50 = 36 mω ρ = 22,5 mω.mm²/m pour le cuivre. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 10 / 28

11 Le courant de défaut Id est donné par la relation: Id = VBE / ZD = 184 / = A La tension de contact : Uc= (0.8 V m) / (1+m) avec m = Sphase / Spe ( ici m = 1 ) Uc = ( )/ 2 = 184/2 = 92 V ( tension dangereuse ) Donc, en cas de défaut franc (phase-masse) dans le régime de neutre TN, il faut couper immédiatement le circuit en défaut. Si la protection du circuit est assurée par un disjoncteur de calibre 160 A avec un relais magnétique qui déclenche à 7 fois l'intensité nominale Imag = 7 X 160 = A, on a 5111A > A, d'ou Id > Imag. Le disjoncteur déclenche. Il faut aussi s'assurer que le temps de déclenchement du disjoncteur soit inférieur au temps maximal donné par le tableau 1 de la page suivante ( tdis < tsécurité ). - Temps de déclenchement du disjoncteur 160 A donné par le constructeur : 0,025 s soit 25 ms. -Temps donné par le tableau 1 pour une tension de 230 V: 0,4 s, d'où la condition de temps est assurée : 25 ms < 400 ms. Les deux conditions (courant de défaut suffisant pour faire déclencher le disjoncteur et temps de déclenchement du disjoncteur suffisamment court) sont réalisées dans ce cas de calcul approché. Remarque : Si les conditions de déclenchement n'étaient pas assurées, il faudrait: - augmenter la section des conducteurs ; - réaliser des connexions équipotentielles supplémentaires - agir sur le réglage du calibre du relais magnétique. 2. Hypothèses simplificatrices : Pour le départ à calculer, on applique la loi d'ohm, en faisant les hypothèses suivantes: - la tension entre la phase en défaut et le conducteur PE ou PEN à l'origine du circuit est égale à 80 % de la tension simple nominale; - on néglige les réactances des conducteurs devant leur résistance, sauf pour les sections supérieures à 120 mm². Au delà, on majore les résistances des valeurs suivantes : S = 150 mm², prendre R + 15 % S = 185 mm², prendre R + 20 % S = 240 mm², prendre R + 25 % - Le conducteur de protection chemine à côté des conducteurs de phases correspondants. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 11 / 28

12 Selon le schéma ci-contre on a les relations Id = UAB / RAB avec, UAB = 0,8 V par définition A RAB = ρl/s =ρl (1/Spe +1/Sph) On pose : m= Sph/Spe d'où RAB = ρ L/Sph ( 1+m ) Sachant que Id > Imag pour que la protection des personnes soit assurée, on déduit: I mag < (0,8 V SPh) / ρ L (1+m) d où Lm ax =(0,8 V SPh)/(1+m) Imag ( ou If) ρ METHODE DE CALCUL: Le calcul conduit à vérifier que la longueur du circuit est inférieure à la valeur donnée par la relation Lmax précédente. Lmax,longueur maximale de la canalisation, en mètres (m) V, tension simple nominale, en volts (V) SPh, section des conducteurs de phases (en mm2) ρ, résistivité des conducteurs à température normale de fonctionnement soit 22,5 x 10-3 Ω. mm²/m pour le cuivre et 36 x 10-3 Ω. mm²/m pour l'aluminium m, SPh/SPE, rapport entre section des phases et section du conducteur de protection Imag, courant, en ampères (A), de fonctionnement du déclencheur magnétique If, courant, en ampères (A), assurant la fusion du fusible et correspondant, sur les courbes de sécurité, à la tension de contact calculée par la relation: Uc = 0,8 x V x m / (1+m) Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 12 / 28

13 A retenir : RÉGLES DE PROTECTION EN REGIME TN 1. Règle générale : En cas de défaut entre un conducteur de phase et la masse, la coupure automatique est effectuée en un temps au maximum égal à la valeur spécifiée (tableau I), et en satisfaisant à la condition: Zs Is U0 Zs = impédance de la boucle de défaut Is = courant assurant la coupure automatique dans le temps spécifié (tmaxi : 5s) Uo = tension entre phase et terre 2. Courbes de sécurité : Les normes ont été établies à partir des travaux réalisés dans le domaine médical sur les courants dangereux pour le corps humain et définissent des courbes de sécurité(fig. 3) qui tiennent compte : - des tensions limites à ne pas dépasser ; - des temps maximaux supportables par le corps humain ; - des conditions d'environnement relatives à l'humidité; - de la nature du courant, continu ou alternatif. Plus la tension est élevée, plus le temps de passage possible du courant doit être court. C'est d'après les courbes de sécurité que les normalisateurs ont déterminé les temps maxi de coupure. La tension limite de sécurité UL est la tension de contact la plus élevée qui puisse être maintenue sans danger pour les personnes. Aux valeurs de tension de sécurité correspondent des temps de fonctionnement de la protection qui sont donnés dans le tableau Il. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 13 / 28

14 Cas du régime T.N Cas du régime I.T. La raison d'être du schéma IT étant de maintenir l'alimentation après l'apparition d'un premier défaut d'isolement, la réalisation des deux conditions est différente après un premier défaut d'une part, et après un deuxième défaut si le premier n'a pas été éliminé d'autre part. - Après un premier défaut: A) La boucle de défaut est constituée comme en schéma TT si les prises de terre des masses de l'installation et du neutre sont séparées et comme en schéma TN si les prises de terre sont confondues, une impédance limitatrice étant insérée dans cette boucle. La boucle de défaut O.S.A.D.RB.RA.Z.O est constituée par la source S, le conducteur de phase, le conducteur de protection, les deux prises de terre des masses de l'installation RA et du neutre RB et l'impédance limitatrice Z. Lorsque les prises de terre sont confondues, elles n'interviennent pas dans la boucle de défaut (trait pointillé). B) Le courant de défaut doit être insuffisant pour produire une tension de contact supérieure à la tension limite conventionnelle UL. Le courant de premier défaut est égal à Id 1 = Uo / Zo et doit être inférieur à UL/RA Les résistances des prises de terre étant négligeables par rapport à l'impédance Z. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 14 / 28

15 Lorsque les prises de terre du neutre et des masses de l'installation sont interconnectées (trait en pointillé), les conditions de protection sont les mêmes et il n'est pas nécessaire de vérifier la condition de limitation de la tension de contact. - Après un deuxième défaut: Les conditions de protection en schéma IT lors de l'apparition d'un deuxième défaut D2 (si le premier D1 n'a pas été éliminé) sont les suivantes : A) La boucle de défaut est une boucle de double défaut constituée comme en schéma TT si les deux masses en défaut sont reliées à des prises de terre différentes et comme en schéma TN si elles sont reliées à la même prise de terre. La boucle de défaut OSI/A.D1.B.C.D2.S2.O (est constituée par la source S1, un premier conducteur de phase L1, un premier conducteur de protection PE1, un deuxième conducteur de protection PE2, un deuxième conducteur de phase L2 et une deuxième source S2. B) Le courant de double défaut doit assurer le fonctionnement de l'un au moins des deux dispositifs de protection des deux circuits en défaut, dans les conditions du schéma TN si les masses sont interconnectées et du schéma TT si les masses ne sont pas interconnectées. Le courant de double défaut est égal à: ld2 =U / ( Zph1 + ZPE1 + Zph2 + ZPE2 ) U' étant égale à la tension entre phases. Si le conducteur neutre est distribué, U' est égale à la tension entre phase et neutre et Zph2 est l'impédance du conducteur neutre. Si les masses sont interconnectées, c'est-à-dire reliées à la même prise de terre, les calculs montrent que les conditions de protection sont satisfaites si le dispositif de protection de chaque circuit assure la coupure, dans le temps prescrit, d'un courant au moins égal à la moitié du courant de défaut franc qui circulerait si l'installation était réalisée en schéma TN. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 15 / 28

16 Exemple de calcul avec une impédance : (nota : si le schéma I.T n a pas d impédance reliée on choisirait une impédance de Zi = 50000Ω ). Cas d un premier défaut : Le réseau comporte une impédance Zn égale à 2200Ω; la résistance de défaut r est égale à 2 Ω, Rn = 10Ω, Ru 10 Ω Id V / Ztotale = 230/( ) = 0,10 A La tension de défaut est: V = Ru Id = 10 0,1 = 1 V Le potentiel est inoffensif. Cas d'un deuxième défaut : Soit le jeu de barres du schéma qui alimente deux départs et sur lequel il existe deux défauts, l'un sur la phase 1, l'autre sur la phase 3. On calcule la protection de façon simplifiée : en cas de défaut double, il s'établit un courant de défaut Id dans la boucle A, B, C, D, E, F, G, H, J, K. On nomme Zb l'impédance de la boucle B, C, D, E, F, G, H, J. Nous sommes en présence d'un réseau 400 V triphasé. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 16 / 28

17 Les calculs sont les suivants : UBJ = Zb Id d'où Id = UBJ / Zb UBJ est la tension entre les phases, estimée à 0,8 U comme en TN d'où: UBJ = 0,8 x 400 = 320 V. Si l'on néglige la réactance, l'impédance de boucle peut être égale à : Zb = 2.(RBC + RHU) = 2 (ρ.40/25 +ρ.50/35) Zb = 2 x 22,5 (1,6 + 1,4) = 135 mω L'intensité de défaut est alors Id = UBJ/ Zb = 320/135 X 10-3 = A La tension de contact est donc Uc = UBJ/2 = 160 V (tension de contact dangereuse), Ces résultats nous montrent qu'en cas de défaut double, en régime de neutre IT, on est en présence d'un fort courant de court-circuit et d'une tension de contact dangereuse. A retenir : RÉGLES DE PROTECTION EN REGIME I.T. 1. Première règle : Au premier défaut: - la coupure n'est pas impérative; - aucun conducteur actif ne doit être relié directement à la terre; - les masses doivent être reliées à la terre individuellement ou par groupes, la condition suivante doit être satisfaite : RA Id = 50 V - un contrôleur permanent d'isolement (CPI) doit être prévu pour indiquer l'apparition d'un premier défaut, il doit actionner un signal sonore ou visuel. 2. Deuxième règle : Au deuxième défaut, la coupure de l'alimentation est impérative aux conditions suivantes : - lorsque les masses sont mises à la terre individuellement ou par groupe, la coupure est assurée par un dispositif de protection à courant différentiel résiduel (comme en régime TT) ; - lorsque les masses sont interconnectées, la coupure est assurée par les dispositifs de protection contre les surintensités (comme en schéma TN). 3. Troisième règle : Selon que le neutre est distribué ou non, la condition suivante doit être satisfaite Neutre non distribué: Zs (racine de 3 Uo ) / 2 Ia; avec neutre : Zs Uo / 2 Ia Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 17 / 28

18 Zs : impédance boucle de défaut phase-pe. Zi : impédance boucle de défaut neutre-pe. I a : courant assurant la protection dans le temps prescrit par le tableau. Uo : tension efficace entre phase et neutre. 4. Caractéristiques du régime IT : Ce type de régime de neutre permet surtout d'assurer une bonne continuité de service, mais il nécessite impérativement que les conditions suivantes soient respectées: - l'installation doit être alimentée par un poste de transformation privé; - un service d'entretien électrique compétent doit être installé pour la recherche du premier défaut; - l'installation doit être munie d'un ensemble de détection du premier défaut, d'un contrôleur permanent d'isolement (CPI) et d'un limiteur de surtension; - les protections au deuxième défaut doivent être assurées sur chacun des départs. APPAREILLAGE DE PROTECTION EN IT : 1. Contrôleur permanent d'isolement (CPI) : La mesure et le contrôle permanents de l'isolement permettent de signaler un premier défaut. Ils sont assurés par un contrôleur permanent d'isolement (CPI). Les valeurs normalisées de la résistance d'isolement sont données dans le tableau suivant : a. Principe : Ce dispositif est utilisé pour contrôler et mesurer l'isolement global des réseaux alternatifs à neutre isolé ou impédant. Il est basé sur le principe d'un générateur de courant injectant une tension continue entre le réseau et la terre. Cette tension crée un courant de fuite connu dont la mesure donne la résistance d'isolement. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 18 / 28

19 b. Constitution : Le contrôleur permanent d'isolement comprend essentiellement un générateur de tension continue (réseau alternatif) ou un générateur de tension alternative à 10 Hz (réseau continu) et un relais de détection à seuil pour le courant de défaut. c.fonctionnement: En l'absence de défaut, l'isolement de l'installation fait qu'aucun courant continu ne circule dans le réseau. Dès qu'un défaut survient, un faible courant indique dans l'appareil de mesure la valeur de l'isolement. La tension aux bornes de la résistance Ri est amplifiée et enclenche le relais de seuil qui indique, par une signalisation visuelle et sonore, la présence d'un premier défaut. d. Recherche d'un défaut : Le défaut d'isolement doit être éliminé le plus rapidement possible. Pour le localiser, on peut: - couper successivement chacun des départs jusqu'à la disparition de l'alarme; le départ concerné fait alors l'objet d'une réparation ; - injecter dans l'installation un courant basse fréquence (ici par XGR environ 10 Hz) qui est détecté dans le circuit en défaut par un système à tores magnétiques fixes ou mobiles. 2. Protection par disjoncteurs : Principe : Dans le cas d'un deuxième défaut (défautdouble), deux disjoncteurs sont concernés: D1 et D2 (fig. 3). La mise en parallèle des courbes de fonctionnement des disjoncteurs D1 et D2 et de la, courbe de sécurité permet de vérifier que la protection des personnes est assurée. L'application des temps de coupure donnés au tableau 1 permet de satisfaire aux conditions de sécurité. Il suffit que l'un des deux disjoncteurs ouvre le circuit sous l'effet du relais magnétique pour qu'on soit ramené au cas du premier défaut. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 19 / 28

20 3. Protection par fusibles : La condition est: Id > Imag1 OU Id > Imag2 Principe : La comparaison des temps de coupure (tableau 1) avec les courbes de fusion des fusibles F1 et F2 permet de vérifier que la protection des personnes est assurée au deuxième défaut. Il suffit que Id soit supérieur à l'un ou l'autre des courants assurant la fusion des fusibles dans le temps prescrit par le tableau 1. to temps maximal donné par le tableau 1 ; La condition est: Id > IF1 OU Id > IF2 4. Limiteur de surtensions : Le réseau étant isolé de la terre, il est nécessaire de brancher au secondaire du transformateur un limiteur de surtensions qui permet l'écoulement des surtensions à la terre. Le limiteur doit supporter le courant de court-circuit du transformateur. Son fonctionnement provoque la signalisation du CPI. Le choix d'un limiteur dépend de la tension du réseau, du niveau d'isolement de l'installation et du point de connexion (neutre-terre, ou phase-terre). CALCUL DE LA PROTECTION EN IT : Dans une installation à neutre isolé (IT), en cas de deuxième défaut, on est ramené: - au cas du schéma TN si les masses sont interconnectées ou communes; - au cas du schéma TT si les masses sont séparées. 1. Interconnexion des masses : Selon que le neutre est distribué ou non, les calculs sont différents. De plus, il est impossible d'effectuer la vérification pour tous les cas de défauts doubles. On suppose une répartition identique de la tension entre chacun des deux défauts. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 20 / 28

21 a. Non-distribution du neutre : Lmax = 0,8 x U x Sph / 2ρ (1 + m) x Imag (ou If) et UC = (0,8 x U x m)/(1+m) b. Distribution du neutre : Lmax = 0,8 x V x S1 / 2ρ (1 + m) x Imag (ou If) et UC = (0,8 x V x m)/(1+m) Lmax: longueur maximale du départ (m) V : tension simple en volts (V) U : tension composée en volts (V) Sph : section de phase, en millimètres carrés (mm²) S1 : section du neutre, en millimètres carrés (mm²) ρ : résistivité 22,5 x 10-3 Ωmm²/m (cuivre) ; 36 x 10-3 Ωmm²/m ( (aluminium) Imag : courant de déclenchement du relais magnétique If : courant de fusion du fusible, dans le temps du tableau 1 M : rapport Sph (ou S1)/ SPE La norme C recommande de ne pas distribuer le neutre dans le cas du schéma IT, car il diminue considérablement les longueurs protégées et pénalise ce mode de distribution. 2. Séparation des masses : Dans le cas d'un défaut double, si les masses sont séparées, on se retrouve dans la situation du régime de neutre TT. Il faut alors installer une protection différentielle à courant résiduel de défaut en tête de chaque groupe de masses relié à une prise de terre distincte. La sensibilité doit être adaptée à la résistance de la prise de terre. On applique la relation: Re UL / I n avec Re = valeur en ohms de la résistance de terre éloignée. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 21 / 28

22 LE CHOIX DU REGIME DE NEUTRE Le choix du schéma des liaisons à la terre dépend d'un certain nombre de critères d'ordre technique, économique, réglementaire et concernant la conception, la réalisation et l'exploitation des installations électriques. En basse tension : ; Du point de vue des conditions d'alimentation de l'installation, le choix du schéma dépend de la puissance de l'installation; - les installations de faible puissance - au plus égale à 36 kva - telles que les installations des locaux privatifs à usage d'habitation, sont réalisées en schéma TT qui est celui en France des réseaux de distribution publique à basse tension; - les installations de puissance moyenne - comprise en 36 et 250 kva - peuvent être réalisées soit en schéma TT, soit en schéma TN. Ces installations sont alimentées directement par le réseau de distribution publique à basse tension mais, dans certaines conditions, elles peuvent être réalisées en schéma TN; ces conditions nécessitent l'accord du distributeur qui, d'une part, doit adapter son réseau aux exigences du schéma TN en assurant la continuité sans coupure du conducteur neutre et, d'autre part, doit indiquer les valeurs d'impédances de son réseau pour permettre la détermination des conditions de coupure; - les installations de grande puissance - supérieure à 250 kva - nécessitent l'alimentation par l'intermédiaire d'un poste de livraison, ce qui donne ainsi la possibilité du choix du schéma. ; Du point de vue économique, le schéma TN est le plus simple à mettre en œuvre du fait qu'il ne nécessite généralement pas d'autres dispositifs de coupure automatique que les dispositifs de protection prévus normalement pour assurer la protection contre les surintensités. En outre, la réalisation en schéma TN-C présente l'économie d'un pôle dans les appareillages et d'un conducteur. De son côté, le schéma IT nécessite un certain nombre de dispositions complémentaires, telles que: - présence d'un service d'entretien pouvant intervenir dès l'apparition d'un premier défaut d'isolement pour le rechercher et l'éliminer; - installation d'un contrôleur permanent d'isolement signalant l'apparition de tout défaut d'isolement; - protection du conducteur neutre, lorsqu'il est distribué, à tous les niveaux de la distribution, entraînant la coupure de tous les conducteurs actifs; - installation de dispositifs à courant différentiel-résiduel par groupe de masses non interconnectées. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 22 / 28

23 ; Du point de vue des conditions d'exploitation, le schéma IT présente l'avantage d'assurer la continuité de l'alimentation, du fait que la coupure n'est pas exigée lors de l'apparition d'un premier défaut. Mais cet avantage nécessite de prendre les dispositions permettant d'éviter une coupure si un deuxième défaut apparaît sur une autre phase de l'installation. Ces dispositions concernent essentiellement l'installation d'un contrôleur permanent d'isolement et la présence d'un service d'entretien. ;Du point de vue technique, tous les schémas assurent le même niveau de sécurité, mais nécessitent des dispositions particulières pour l'assurer; - dans le schéma TT, sauf cas particuliers, la protection nécessite l'utilisation de dispositifs à courant différentiel-résiduel; - dans le schéma TN, une protection par dispositifs à courant différentiel-résiduel peut être nécessaire pour des circuits de grande longueur. Le schéma TN-S doit toujours être utilisé en aval du schéma TN-C. Dans le schéma TN-C, la circulation du courant de neutre dans le conducteur de protection PEN peut créer des perturbations ou des échauffements nuisibles; c'est pourquoi ce schéma ne doit pas être utilisé dans les locaux présentant des risques d'incendie ou d'explosion, ni dans les installations d'alimentation de matériels de traitement de l'information, ni dans les locaux à usage médical. Dans le schéma IT, il est fortement recommandé de ne pas distribuer le conducteur neutre, sinon la protection doit être assurée à l'origine de tous les circuits.en effet, si un premier défaut affecte le conducteur neutre de l'appareil M1 de faible puissance, la limitation du courant de premier défaut par l'impédance Z sera telle que le fusible F ne sera pas sollicité. Si un deuxième défaut affecte un conducteur de phase de l'appareil M2 de forte puissance, le courant de double défaut se refermera par le conducteur neutre de petite section SI et ce conducteur parcouru par une forte surintensité va fondre, provoquant un risque d'incendie, avant que le disjoncteur D ne soit sollicité. L'appareil M1 est alors alimenté sous la tension composée, ce qui peut entraîner sa destruction. Afin d'éviter ces incidents, le conducteur neutre doit comporter un dispositif de protection qui, en cas de surintensité, provoque la coupure du conducteur neutre et de tous les conducteurs actifs du circuit. La non-distribution du conducteur neutre peut nécessiter plusieurs systèmes de distribution, par exemple un système 230 volts pour l'éclairage et un à 400 volts pour les autres consommateurs. Les matériels doivent présenter un niveau d'isolement correspondant à la tension entre phases. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 23 / 28

24 L'étendue des installations doit être limitée afin de réduire l'intensité des courants de fuite qui intervient dans le courant de premier défaut. Les calculs de détermination des conditions de protection sont plus compliquées et conduisent à des exigences plus sévères qu'en schéma TN. ; Le tableau B résume les principales caractéristiques de chacun des schémas et le tableau C indique les schémas préférentiels, recommandés, incompatibles, déconseillés ou interdits suivant l'utilisation des bâtiments ou des locaux. Des schémas de liaisons à la terre peuvent coexister dans un même bâtiment ou dans un même local à condition que des masses simultanément accessibles soient reliées au même système de mise à la terre, par exemple en reliant ces masses par une liaison équipotentielle supplémentaire. Cette disposition permet d'assurer que tout défaut dans l'une des installations ne provoque pas de tension de contact dangereuse entre une masse d'une installation réalisée suivant un schéma et une masse d'une installation réalisée suivant un autre schéma. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 24 / 28

25 Polémiques actuelles : LE SCHEMA IT EST-IL NECESSAIRE DANS LES INSTALLATIONS DE SECURITE? C'est sans doute l'avantage de la continuité d'exploitation qui justifie l'obligation réglementaire de réaliser les installations de, sécurité suivant le schéma IT. En effet, l'article EL 3 du règlement de sécurité dans les établissements recevant du public prescrit que, dans les installations qui doivent être mises ou maintenues en service pour assurer ou faciliter l'évacuation du public, lorsqu'il est nécessaire de prendre des mesures de protection contre les contacts indirects, ces mesures doivent être choisies parmi celles qui n'obligent pas à la coupure des circuits intéressés au premier défaut d'isolement. S'il est exact que la conception du schéma IT répond au principe ainsi défini, il n'en est pas moins vrai que tout schéma peut satisfaire à cette exigence dans les conditions suivantes : - qu'une sélectivité totale soit réalisée entre les dispositifs de protection de façon à n'éliminer que la partie d'installation dans laquelle se produit le défaut, ce que permettent facilement les techniques de sélectivité; - que les foyers lumineux soient répartis de telle façon qu'après coupure d'un circuit, le niveau d'éclairement demeure suffisant, c'est-à-dire supérieur aux valeurs minimales imposées, ce qui peut être obtenu en disposant les foyers lumineux alternativement sur deux circuits distincts. L'autorisation de réaliser les installations de sécurité dans les autres schémas, notamment en schéma TN, faciliterait la conception et la réalisation des installations qui alimentent d'autres utilisations pour lesquelles un schéma autre que IT est préférable. Malheureusement, nous constatons que cette association entre la conception d'installations de sécurité et le schéma IT a été tellement développée par certaines instances que des maîtres d'œuvre imposent systématiquement le schéma IT pour la réalisation de leurs installations dès qu'ils ont l'impression qu une coupure d'alimentation risque d'être dommageable. C'est ainsi que les cahiers des charges d'établissements hospitaliers ou de centres commerciaux imposent ce schéma sans réfléchir aux difficultés et contraintes qu'il impose; l'expérience montre d'ailleurs que généralement ces installations sont toujours en situation de défaut, le signal d'avertissement ayant été neutralisé. Alors pourquoi imposer un schéma IT? Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 25 / 28

26 MESURES ELECTRIQUES EN REGIME T.T. 1. Rappels : La résistance d'une prise de terre dépend : - de ses dimensions, de sa forme; - de la résistivité du terrain dans lequel elle est établie ; - du contact entre la partie métallique et le sol. Cette résistance varie dans le temps et en fonction de la température, de l'humidité et de la corrosion. Remarque : Il est interdit d'utiliser comme canalisation de terre ou comme conducteur de protection les canalisations d'eau, de chauffage central, ainsi que les gaines métalliques des câbles. La section minimale du conducteur de terre entre prise de terre et borne ou barrette de mesure est de 16 mm² pour du cuivre isolé et de 25 mm² pour du cuivre nu. 2. Mesure de la résistance d'une prise de terre : a. Principe ( figure 1) : On utilise la méthode appelée «chute de potentiel». À la prise de terre E(X), on associe deux électrodes auxiliaires S(Y) et H(Z) placées comme le montre la figure 1. À l'aide d'un générateur G, on fait circuler un courant I dans le circuit H(Z)-terre E(X) et on mesure la différence de potentiel U obtenue entre E(X) et S(Y). La valeur de la résistance est donnée par la relation ; R = U / I R = résistance de la prise de terre en Ω Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 26 / 28

27 b. Mesureur de terre ou tellurohmmètre (fig. 2 ) : fig. 2. Mesureur de terre (schéma interne). C'est un appareil qui sert à mesurer la résistance de terre. Alimenté par piles ou par batteries rechargeables, l'appareil fournit, via un générateur de courant régulé, un courant I de mesure, alternatif, de fréquence comprise entre 85 et 250 Hz. Cette fréquence est souvent prise égale à 128 Hz pour éviter d'être perturbé par des parasites issus du réseau. La tension mesurée entre E(X) et S(Y) est filtrée pour éliminer la fréquence fondamentale du réseau (50 ou 60 Hz), les harmoniques multiples de cette fondamentale ainsi que d'autres fréquences perturbatrices. Amplifiée, cette tension, image de la ré sistance de terre, est ensuite affichée sur un écran à cristaux liquides (LCD) ou sur un galvanomètre. Au cours de la mesure, de plus en plus d'appareils permettent de contrôler la tension parasite présente sur les piquets auxiliaires ou la résistance de ces piquets, Ces paramètres servent à valider le résultat affiché par l'appareil et à localiser les défauts en cas de problèmes de mesure. c. Distance entre les piquets : La méthode la plus fiable est celle dite de Tagg. La distance entre E(X) et H(Z) doit être suffisante pour éviter toutes perturbations entre les piquets. Le piquet S(Y) doit être planté à 62 % de la distance entre E(X) et H(Z). 3. Mesures du courant différentiel : (d'après NF C ) Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 27 / 28

28 Première méthode : Une résistance variable Rp est branchée entre un conducteur actif en aval du DDR et de la masse. Le courant est mesuré tandis que l'on réduit la valeur de la résistance R p, Le courant I n de fonctionnement doit être inférieur au courant I n. assigné. Deuxième méthode : La résistance variable est branchée entre un conducteur actif en amont, et un autre conducteur actif en aval du DDR. On effectue la mesure en réduisant la valeur de la résistance Rp ; la charge doit être déconnectée pendant l'essai. Troisième méthode : On utilise une électrode auxiliaire, le courant est augmenté en réduisant la valeur de la résistance Rp. On mesure la tension V entre les masses et l'électrode auxiliaire indépendante. La condition suivante doit être vérifiée: V = UL I / I n UL : tension limite de sécurité. Remarques : - Pour les méthodes 1 et 3 en régime IT, il est nécessaire de relier à la terre un point de l'installation pendant les essais; - pendant les essais, le temps de fonctionnement peut être mesuré. Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 28 / 28

29 Lycée Jean Monnet Terminale E.S.T. Page 29 / 28