SEANCE d ESSAIS de SYSTEMES THEME n 2 THEME : distribution énergie électrique FAMILLE de SYSTEMES : procédés industriels

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1 SEANCE d ESSAIS de SYSTEMES THEME n 2 THEME : distribution énergie électrique FAMILLE de SYSTEMES : procédés industriels STS Electrotechnique, Lycée de L Essouriau PROBLEMATIQUE : Le système étudié a été conçu pour déplacer des charges sur des chantiers de grande étendue. Etant donné les conditions d exploitations (extérieurs, intempéries ), le risque de défaut d isolement est grand et la protection des personnes primordiale. L exploitant de la grue vous demande d intervenir sur son installation afin de mener une étude de ce point de vue. L étude consiste à : vérifier la conformité de son installation du point de vue de la protection des personnes contre les défauts d isolement proposer des solutions de modifications si cela s avère nécessaire, en conformité avec les normes en vigueur. SYSTEME de LEVAGE (photo) : Système de levage (laboratoire STI GE) représentatif d une partie de la grue. CONDITIONS de DEROULEMENT de l ESSAI : Phases de l essai Objectifs Activités 1_Mise en situation (5 ) Présenter la situation de la grue dans son lecture, découverte, environnement 2_Justification de justifier la solution actuelle et en définir le principe calculs et choix dans catalogue la protection (30 ) 3_Validation de la valider la bonne protection des personnes dans la mesures et analyse solution de situation d exploitation actuelle protection des personnes (1h30) 4_Adaptation de la valider la bonne protection des personnes en calculs, mesures et analyse solution de tenant compte de l évolution de l installation protection des personnes (2h) 5_Mise à la norme (1h45) faire évoluer les solutions de protection pour les calculs, mesures et analyse circuits terminaux de protection 6_Synthèse (10 ) justifier des éléments de normes concernés analyse des résultats RESSOURCES DOCUMENTAIRES : document ressource concernant les différents appareils et accessoires de mesure du laboratoire, dossier technique du système de levage, diaporama «levage» présentant l organisation matérielle et fonctionnelle du système, catalogue Schneider distribution basse tension 02/03, ANNEXE 1 (folios - schémas de câblage) en fin du sujet, RESSOURCES LOGICIELLES : Internet explorer, RESSOURCES MATERIELLES : Banc Schneider d étude des schémas des liaisons à la terre / ventilateur couplé en triangle RESSOURCES MATERIELLES pour les MESURES : Oscilloscope à mémoire 2 voies / une sonde de tension / une pince de courant / deux multimètres CONSIGNES PARTICULIERES : APPELER le PROFESSEUR avant la MISE sous TENSION de CHAQUE MONTAGE! Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 1 / 14

2 1_Mise en situation Le chantier de grande étendue est alimenté par une ligne triphasée EDF en HTA. La distribution en BT est obtenue par l intermédiaire d un transformateur privé HTA/BT 15kV/400V. La grue est alimentée à partir du réseau BT et le schéma de liaison à la terre (S.L.T.) qui assure la sûreté de l installation est de type TN. 2_Justification de la protection 2.1 Indiquer les raisons qui selon vous ont guidé le choix du bureau d étude pour un S.L.T. de type TN sur le chantier. 2.2 Le S.L.T. de type TN possède deux variantes, le TN-C et le TN-S. Compléter le schéma de principe relatif à chacune d elle sur le DOCUMENT REPONSE. Quelles conditions imposent l utilisation de chacun d eux? 2.3 Sur le schéma précédant, on suppose un défaut d isolement entre la phase 1 et la carcasse du récepteur 2. - tracer en bleu la boucle de défaut (courant Id) sur le schéma. - indiquer à quel type de courant on a affaire. - tracer en rouge la flèche représentative de la tension de contact U C. - indiquer si cette tension U C constitue un danger pour la personne touchant la carcasse de la machine au moment du défaut? Justifier. - quels appareils doivent donc assurer la protection des personnes contre les risques d électrisation par contacts indirects avec ce S.L.T.? Justifier. 2.4 En vous reportant à la NF C donnée aux pages K230-K231 du catalogue Schneider distribution basse tension 02/03, indiquer ce qu impose la norme concernant la mise en œuvre du schéma TN pour les installations de type chantier. Depuis le Tableau Général Basse Tension (T.G.B.T.), le départ protégé par Q33 permet d alimenter la grue de chantier. L intensité efficace appelée par les trois moteurs de la grue (levage, translation et rotation) est de 59A. L appel de courant en ligne au démarrage est limité à 5 fois l intensité nominale par l utilisation de variateurs de vitesse et l interdiction d alimenter simultanément les trois moteurs. 2.5 En vous reportant à la page A27 du catalogue BT02/03, déterminer le type de courbe de déclenchement du disjoncteur Q33 de protection du départ «grue» Donner les principales caractéristiques du disjoncteur choisi (page A24, référence 24221). 3_Validation de la solution de protection des personnes Vous devez vérifier le comportement de la ligne d alimentation de la grue en présence d un défaut d isolement sur l un des conducteurs en aval de Q33. Conditions de déroulement des essais : - les essais s effectuent sur le banc Schneider d étude des schémas des liaisons à la terre, - la distribution s effectue par l intermédiaire d un transformateur triphasé BT/BT 400V/230V, - les valeurs des intensités mises en jeu représentent 10% des valeurs réelles, - les protections seront calibrées à 10% des calibres réels, - le récepteur représentant la grue sera constitué par moteur triphasé (ventilateur LS). Pour cela : Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 2 / 14

3 3.1 réaliser sur le panneau TT/TN le câblage du schéma conformément à l ANNEXE 1 (folio 001). FAIRE VERIFIER par l ENSEIGNANT. Le défaut d isolement sera simulé par la fermeture du bouton poussoir Bp En absence de défaut d isolement : - prédéterminer la valeur de la tension de contact Uc attendue à laquelle serait soumise une personne touchant les masses métalliques de la grue (cf. DOCUMENT REPONSE). - vérifier votre résultat par une mesure (cf. DOCUMENT REPONSE) - indiquer si cette tension de contact constitue un danger pour les utilisateurs? Justifier. 3.3 En présence d un défaut d isolement : - prédéterminer la valeur de la tension de contact Uc attendue à laquelle serait soumise une personne touchant les masses métalliques de la grue (cf. DOCUMENT REPONSE). - mettre sous tension le «départ grue» (Q1, Q22 et Q33 fermés), - réaliser un essai et observer le comportement des différentes protections (cf. DOCUMENT REPONSE). - vérifier votre résultat par la mesure * (cf. DOCUMENT REPONSE). * Pour une mesure instantanée de la tension maximale voir notice multimètre. - indiquer si cette tension de contact constitue un danger pour les utilisateurs? Justifier. 3.4 Insérer un oscilloscope à mémoire dans le circuit afin de visualiser les courbes id=f(t) et uc=f(t) et de déterminer le temps de déclenchement de la protection. 3.5 En vous reportant au tableau extrait des normes NF C et CEI et 2 donné en page K224 du catalogue BT 02/03, indiquer si la personne est en danger. 3.6 Conclure sur la validité de la solution de protection (TN + disjoncteurs magnéto-thermique) des personnes contre les contacts indirects par coupure automatique de l alimentation. 4_Adaptation de la solution de protection des personnes L évolution du chantier impose de déplacer la grue. Les conducteurs d alimentation (100 mm 2 ) de la grue sont rallongés. Leur longueur est portée à 30 mètres. L impédance de la boucle de défaut se trouve donc augmentée. Le disjoncteur de protection Q33 n est pas changé. Conditions de déroulement des essais : - sur le panneau TT/TN, la longueur de la boucle est simulée par une résistance de 5Ω (avec rhéostat 25ohms) insérée sur le conducteur PEN?. Vous devez vérifier le comportement des protections en présence d un défaut d isolement sur l un des conducteurs en aval de Q33 dans cette nouvelle configuration. Pour cela : 4.1 Câbler le panneau TT/TN et insérer les appareils de mesure conformément au schéma proposé en ANNEXE 1 (folio 002). FAIRE VERIFIER par l ENSEIGNANT. 4.2 En présence d un défaut d isolement (simulé par la fermeture de Bp3) : - mettre sous tension le départ «grue» (Q1, Q22 et Q33 fermés), - réaliser un essai et observer le comportement des différentes protections (cf. DOCUMENT REPONSE). - mesurer la tension de contact Uc à laquelle sont élevées les masses de la grue, - indiquer si cette tension de contact constitue un danger pour les utilisateurs? Justifier. 4.3 Conclure sur la protection des personnes contre les contacts indirects par coupure automatique de l alimentation par les disjoncteurs magnéto-thermiques? Justifier à l aide du calcul de l expression de Lmax : longueur maximale protégée par Q33. Indiquer alors ce qu il convient de faire pour qu une coupure automatique ait lieu. Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 3 / 14

4 La protection des personnes sera assurée dorénavant par un bloc de détection différentiel des courants résiduels de fuite (DDR) associé au disjoncteur Q33. Vous devez vérifier le comportement de cette nouvelle solution en présence d un défaut d isolement sur l un des conducteurs en aval de Q33 dans la même configuration. Pour cela : 4.4 Câbler le panneau TT/TN et insérer les appareils de mesure conformément au schéma proposé en ANNEXE 1 (folio 003). FAIRE VERIFIER par l ENSEIGNANT. 4.5 En présence d un défaut d isolement (simulé par la fermeture de Bp3) : - mettre sous tension le départ «grue» (Q1, Q22 et Q33 fermés), - réaliser un essai et observer le comportement des différentes protections (cf. DOCUMENT REPONSE). 4.6 Justifier par un calcul la sensibilité I n du dispositif différentiel associé à Q33 ainsi que la valeur du courant différentiel résiduel provoquant son fonctionnement. 4.7 Insérer un oscilloscope à mémoire dans le circuit afin de visualiser les courbes id=f(t) et uc=f(t). Déterminer le temps de déclenchement de la protection. 4.8 En vous reportant au tableau extrait des normes NF C et CEI et 2 donné en page K224 du catalogue BT 02/03, indiquer si la personne est en danger. 4.9 Conclure sur la validité de cette solution (S.L.T. TN et disjoncteur+ddr) de protection des personnes contre les contacts indirects par coupure automatique de l alimentation. 5_Mise à la norme de l installation (protection des circuits terminaux) Depuis le T.G.B.T., le disjoncteur Q21 est en tête de deux départs monophasés respectivement protégés par Q31 et Q32. Sur le départ Q32 est raccordé un récepteur monophasé dont les masses métalliques sont raccordées au conducteur de protection électrique. Ce récepteur sera simulé par une résistance de 120Ω. Un défaut d isolement franc sera simulé par la fermeture du bouton poussoir Bp2. La personne utilisant le récepteur à une résistance corporelle de 1000Ω Vous devez vérifier dans ce cas le comportement du départ Q21-Q32 en présence d un défaut d isolement. 5.1 Câbler le panneau TT/TN et insérer les appareils de mesure conformément au schéma proposé en ANNEXE 1 (folio 004). FAIRE VERIFIER par l ENSEIGNANT. 5.2 Mettre en œuvre une procédure d essais permettant de vérifier et justifier le comportement des protections en l absence et en présence d un défaut d isolement (cf. DOCUMENT REPONSE).. En cours d exploitation une rupture du conducteur de protection électrique (PE) se produit. Vous devez vérifier dans ce cas le comportement du départ Q21-Q32 en présence d un défaut d isolement. 5.3 Modifier le câblage du panneau en supprimant le conducteur raccordant la masse du récepteur au conducteur PE ANNEXE 1 (folio 005). 5.4 Mettre en œuvre une procédure d essais permettant de vérifier et justifier le comportement des protections en l absence et en présence d un défaut d isolement. (cf. DOCUMENT Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 4 / 14

5 REPONSE). Indiquer également si le PE est indispensable au fonctionnement du récepteur lors de l absence d un défaut. La norme recommande, pour les distributions terminales l utilisation de DDR du fait que l impédance de boucle ne peut être maîtrisée (ex : raccordement d un récepteur inconnu sur une prise). Deux solutions seront étudiées. Vous devez vérifier dans un premier temps cas le comportement du départ Q21-Q32 en présence d un défaut d isolement et de l association à Q21 d un D.D.R. (I n = 300mA). 5.5 Modifier le câblage du panneau TT/TN afin de protéger le départ par le D.D.R. 300mA associé à Q21 (Folio 006). Placer une pince ampèremétrique pour relever l intensité du courant de défaut Id traversant la personne et un voltmètre pour mesurer la tension de contact Uc. 5.6 Mettre en œuvre une procédure d essais permettant de vérifier et justifier le comportement des protections en présence d un défaut d isolement. (cf. DOCUMENT REPONSE) 5.7 Compte tenu des grandeurs électriques mesurées, justifier le non déclenchement du disjoncteur différentiel Q21. Vous devez vérifier maintenant le comportement du départ Q21-Q32 en présence d un défaut d isolement et de l association à Q21 d un D.D.R. de sensibilité I n = 30mA. 5.8 Modifier le câblage du panneau TT/TN (Folio 007) afin de protéger le départ par le D.D.R. 30mA associé à Q32. Insérer un oscilloscope à mémoire afin de relever id=f(t) et uc=f(t). 5.9 Mettre en œuvre une procédure d essais permettant de vérifier et justifier le comportement des protections en présence d un défaut d isolement. (cf. DOCUMENT REPONSE) Indiquer si la protection des personnes contre les risques d électrisation par contact indirect en absence de mise à la terre des masses d utilisation vous semble assurée? Justifier Déterminer le temps de déclenchement de la protection. Ce temps est-il conforme avec ceux définis par la norme? 6_Synthèse 6.1 Donner la raison pour laquelle en schéma de liaison à la terre de type TN la norme impose la présence de D.D.R haute sensibilité en distribution terminale. 7_REFERENCES - NF-C banc régime du neutre et protections des personnes (Schneider electric) - cahier technique n catalogue distribution électrique, Schneider electric Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 5 / 14

6 DOCUMENTS REPONSES Nom : Prénom : Question 2_2_ SCHEMA DE PRINCIPE TNC TNS Question 3_2_ Tension de contact UC Valeur attendue Expression Application numérique Résultat Valeur mesurée Question 3_3_ Protection (Disjoncteurs) Q1 Q22 Q33 Comportement (déclenchement) Tension de contact UC Valeur attendue Formule Application numérique Résultat Valeur mesurée Question 4_2_ Protection (Disjoncteurs) Q1 Q22 Q33 Comportement (déclenchement) ATTENTION LA DUREE DU DEFAUT NE SERA PAS SUPERIEURE A 3 SECONDES Question 4_5_ Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 6 / 14

7 Protection (Disjoncteurs) Q1 Q22 Q33+D.D.R ma Comportement (déclenchement) Question 5_2_ Tension d alimentation Récepteur alimenté.. V OUI NON Uc = V Question 5_4_ Protection (Disjoncteurs) Comportement (déclenchement) Q1 OUI NON Q21 OUI NON Q32 OUI NON Tension d alimentation Récepteur alimenté.. V OUI NON Uc = V Protection (Disjoncteurs) Comportement (déclenchement) Q1 OUI NON Q21 OUI NON Q32 OUI NON Question 5_6_ Protection (Disjoncteurs) Comportement (déclenchement) Q1 OUI NON Q21+D.D.R. 300mA OUI NON Q32 OUI NON Tension de contact UC Intensité du courant de défaut ID Question 5_8_ Protection (Disjoncteurs) Comportement (déclenchement) Q1 OUI NON Q21 OUI NON Q32+D.D.R. 30mA OUI NON Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 7 / 14

8 ANNEXE 1 (folios - schémas de câblage) Folio n 1 Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 8 / 14

9 Folio n 2 Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 9 / 14

10 Folio n 3 Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 10 / 14

11 Folio n 4 Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 11 / 14

12 Folio n 5 Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 12 / 14

13 Folio n 6 Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 13 / 14

14 Folio n 7 Mme & M. COSTARD et AUBERT TP_thm2_slt_grue_levage_dis.doc Durée : 6h Page 14 / 14

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