Technical collection. Protection terre. Guide expert basse tension n 2

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1 Technical collection Protection terre Guide expert basse tension n 2

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3 Sommaire Rôle de la "protection terre" Sécurité et disponibilité La sécurité et les normes d installation La norme CEI Le National Electric Code (NEC) Rôle et fonctionnalités de la "protection terre" Schéma des liaisons à la terre DDR et GFP 9 Les Technique des GFP Mise en œuvre dans l installation Fonctionnalités Coordination des GFP Sélectivité entre les protections GFP Sélectivité entre protection GFP amont et DPCC aval Sélectivité logique ZSI Mise en œuvre de la coordination des GFP Exemples d applications Exploitations particulières des GFP Protections des alternateurs Protection des récepteurs Applications particulières 7 Mise en œuvre des GFP Précautions à l installation Etre sûr du schéma des liaisons à la terre Précautions à l exploitation Les courants harmoniques dans le neutre Incidences sur la mesure des GFP Applications Méthodologie Application : mise en œuvre en schéma TN-S monosource Application : mise en œuvre en schéma TN-S multisource 23 Etude de schémas multisource Schéma multisource avec une seule mise à la terre Schéma Schémas 1 et Schéma multisource avec plusieurs mises à la terre Etude du schéma Solutions 31 Conclusion Mise en œuvre Etude du schéma électrique Schéma monosource Schéma multisource/monoground Schéma multisource/multiground Tableaux de synthèse Utilisation des types de GFP selon l installation Avantages et inconvénients selon le type de GFP 36

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5 Rôle de la "protection terre" 1.1. Sécurité et disponibilité Les exigences d une distribution d énergie électrique sont : b sécurité b disponibilité. Les normes d installation prennent en considération ces 2 exigences : b par des techniques b par des appareillages de protection spécifiques pour la prévention des défauts d isolement. L optimisation des solutions est réalisée par leur bonne coordination. Pour l utilisateur ou l exploitant, l énergie électrique doit être : b exempte de risques (besoin de sécurité des biens et des personnes) b toujours disponible (besoin en continuité de service). Ces besoins se traduisent : b en terme de sécurité, par des solutions techniques prévenant les risques provoqués par les défaut d isolement. Ces risques sont : v l électrisation (voire l électrocution) des personnes v la destruction des récepteurs et des risques d incendie. L occurrence d un défaut d isolement est non négligeable. La sécurité de l installation électrique est assurée par : - le respect des normes d installation - la mise en œuvre d appareillage de protection conformes aux normes produits (en particulier aux différentes normes CEI 60947). b en terme de disponibilité, par le choix de solutions bien adaptées. La coordination des protections est un facteur clef pour atteindre cet objectif La sécurité et les normes d installation La Norme CEI définit 3 types de schéma de liaisons à la terre (SLT) : b schéma TN b schéma TT b schéma IT. Les caractéristiques des SLT sont : b un défaut d isolement a des conséquences variables selon le schéma utilisé : v défaut dangereux ou non dangereux pour les personnes v courant de défaut élevé ou très faible. b si le défaut est dangereux, il faut l éliminer rapidement b le PE est un conducteur. Le schéma TT associé à des dispositifs différentiels à courant résiduel (DDR) pallie le risque incendie. Les normes d installations ont défini les principes fondamentaux de la protection des personnes contre le risque de chocs électriques qui sont : b la mise à la terre des masses des équipements et récepteurs électriques b l équipotentialité des masses simultanément accessibles qui tend à éliminer les tensions de contact b la coupure automatique de l alimentation électrique en cas de tension ou de courants dangereux provoqués par la circulation du courant de défaut d isolement La norme CEI Depuis 1997, la CEI 364 est identifiée par un n en 60 XXX, mais le contenu est strictement identique Les schémas de liaison à la terre (SLT) La norme CEI 60364, dans les 3-31 et 4-41, a défini et développé 3 principaux types de schémas de liaison à la terre (SLT). La philosophie de la norme CEI est de considérer la valeur de la tension de contact Uc créée par un défaut d isolement dans chacun des systèmes. 1/ Schéma TN-C et TN-S b Caractéristiques : v le défaut d isolement crée une tension de contact dangereuse : il faut l éliminer instantanément v le défaut d isolement peut être assimilé à un court-circuit phase - neutre (Id = quelques ka) v le retour des courants de défauts se fait au travers d un conducteur PE. De ce fait la valeur de l impédance de boucle est parfaitement maîtrisée. La protection des personnes contre les contacts indirects est alors assurée par les dispositifs de protection contre les courts-circuits (DPCC). Si l impédance est trop grande et ne permet pas au courant de défaut de solliciter ces protections, il peut être nécessaire d utiliser des dispositifs différentiels à courant résiduel (DDR) de basse sensibilité (BS >1 A). La protection des biens n est pas "naturellement" assurée. Le courant de défaut d isolement est important. Des courants vagabonds (non dangereux) peuvent circuler dus à la faible impédance PE - Neutre transformateur. En schéma TN-S, l installation de DDR permet de pallier les risques : b b de destruction des matériels (DDR jusqu à 30 A) d incendie (DDR à 300 ma). 3

6 Rôle de la "protection terre" Mais lorsque ces risques existent, il est recommandé (voire imposé) d utiliser un schéma TT. DB DB Figure 1a - "schéma TN-S". Figure 1b - "schéma TN-C". 2/ Schéma TT b Caractéristiques : v le défaut d isolement crée une tension de contact dangereuse : il faut l éliminer instantanément v le courant de défaut est limité par la résistance des terres et est généralement très inférieur aux seuils de réglage des DPCC (Id = quelques A). La protection des personnes contre les contacts indirects est alors assurée par un DDR de moyenne ou basse sensibilité. Le DDR provoque la mise hors tension de l équipement dès que le courant de défaut entraîne une tension de contact supérieure à la tension de sécurité U l. La protection des biens est assurée par l impédance naturelle importante (quelques Ω) de la boucle de défaut. L installation de DDR à 300 ma pallie aux risques d incendie. 3/ Schéma IT b Caractéristiques : v au premier défaut (Id y 1 A), la tension reste non dangereuse et l installation peut être laissée en service v mais ce défaut doit être localisé et éliminé v un contrôleur permanent d isolement (CPI) signale la présence du défaut d isolement. La protection des personnes contre les contacts indirects est naturellement assurée (pas de tension de contact). La protection des biens est naturellement assurée (courant de défaut quasiment nul dû à l impédance importante de la boucle de défaut). Lorsqu un deuxième défaut apparaît avant l élimination du premier, le comportement de l installation est analogue à celui d un schéma TN (Id 20 ka) ou d un schéma TT (Id 20 A) évoqué ci-dessus. DB DB Figure 2a - "schéma TT". Figure 3 - "schéma IT". 4

7 Rôle de la "protection terre" Protection par DDR Le schéma TT impose l utilisation de DDR de sensibilité de 300 ma jusqu à 30 A. Le schéma TN ou IT dont le PE est réalisé par un conducteur, ne nécessite pas un complément de protection par DDR. De ce fait, la protection par DDR est de type : b haute sensibilité (HS) pour la protection des personnes et incendie (30 ma / 300 ma) b basse sensibilité (BS) jusqu à 30 A pour la protection des biens. Cette protection peut être réalisée à l aide de tores de mesure spécifiques qui embrassent l ensemble des conducteurs actifs car les courants à mesurer sont faibles. En tête d installation, un schéma, intégrant un tore mesurant le courant dans le PE, est réalisable même avec des DDR haute sensibilité. DB DB Figure 4a. Coordination des DDR La coordination des fonctions différentielles des DDR est réalisée par la sélectivité et/ou par la sélection des circuits. 1/ La sélectivité consiste à ne faire déclencher que la protection différentielle située juste en amont du défaut. Cette sélectivité peut être à trois ou quatre niveaux selon l installation ; elle est aussi appelée "sélectivité verticale". Celle-ci doit être simultanément de type ampèremètrique et chronométrique. b Sélectivité ampéremétrique. La sensibilité de l appareil amont doit être au moins le double de celle de l appareil aval. En effet, les normes produits CEI et CEI annexe B définissent : v le non déclenchement du DDR pour un courant de défaut égal à 50 % du seuil de réglage v le déclenchement du DDR pour un courant de défaut égal à 100 % du seuil de réglage v des valeurs normalisées de réglages (30, 100, 300 ma et 1 A). DB b Sélectivité chronométrique. Les DDR ne limitent pas le courant de défaut. Le DDR amont aura donc un retard intentionnel permettant au DDR aval d éliminer seul le défaut. Le réglage de la temporisation du DDR amont devra : v prendre en compte le temps d ouverture du circuit par le DDR aval v ne pas être supérieure à la durée d élimination du défaut pour assurer la protection des personnes (généralement 1s). 5

8 Rôle de la "protection terre" 2/ La sélection consiste à subdiviser les circuits et à les protéger individuellement ou par groupe. Elle est aussi appelée "sélectivité horizontale" et est utilisée en distribution terminale. La sélectivité horizontale, prévue par certaines normes d installation pays, permet l économie d une fonction DDR en tête d installation. DB Le National Electrical Code (NEC) définit un SLT de type TN-S : b conducteur neutre non coupé b "conducteur" PE réalisé par les chemins de câbles. Pour assurer la protection des biens et prévenir les risques incendie d une installation électrique suivant ce schéma, le NEC s appuie sur des techniques employant des DDR de très basse sensibilité appelés GFP. Le GFP doit être réglé de la façon suivante : b seuil maximum (asymptote) à 1200 A b temps de réponse inférieur à 1 s pour un défaut de 3000 A (réglage de la courbe de déclenchement) Le National Electric Code (NEC) La mise en œuvre du NEC Le NEC au a défini des SLT de type TN-S et IT, ce dernier schéma étant réservé aux applications industrielles ou tertiaires spécifiques (hôpitaux). Le schéma TN-S est donc le plus utilisé dans les applications courantes. b Les caractéristiques essentielles de ce schéma TN-S sont : v le conducteur neutre n est jamais coupé v le PE est réalisé par la liaison entre toute les masses des équipements et les parties métalliques des chemins de câbles : ce n est en général pas un conducteur v les conducteurs de puissance peuvent cheminer dans des tubes métalliques servant de PE v la mise à la terre du neutre de la distribution ne se fait qu en un seul point - généralement à celui de mise à la terre du neutre du transformateur BT (cf et -21) v un défaut d isolement entraîne un courant de court-circuit. DB Figure 6 - "schéma NEC". La protection des personnes contre les contacts indirects est assurée : b par les DPCC en distribution de puissance car un défaut d isolement est assimilé à un court-circuit b par des dispositifs DDR haute sensibilité (1 n = 10 ma) au niveau du récepteur. La protection des biens, des études ont montré que les coûts globaux se chiffraient en MM dollars/an sans l utilisation de précautions particulières du fait : b de la possibilité de circulation de forts courants vagabonds b de la maîtrise délicate de l impédance de la boucle de défaut. De ce fait le standard du NEC considère que le risque d incendie est élevé. Le NEC au 230 a donc développé une technique de protection des risques "incendie" basée sur l emploi de DDR de très basse sensibilité. Cette technique est appelée GFP "Ground Fault Protection" ou "protection terre". Le dispositif de protection est souvent désigné par "GFP". 6

9 Rôle de la "protection terre" b Le NEC au impose l utilisation d un GFP au minimum en tête d installation BT si : v le neutre est directement mis à la terre v 150 V < tension simple < 600 V v I Nominal de l appareil de tête > 1000 A. b Le GFP doit être réglé de la façon suivante : v seuil maximum (asymptote) à 1200 A v temps de réponse inférieur à 1s pour un défaut de 3000 A (réglage de la courbe de déclenchement). Bien que le standard NEC impose un seuil maximum à 1200 A, il préconise : b des réglages autour de 300 à 400 A b d utiliser sur le départ aval, un GFP dont les réglages (seuil, temporisation) sont en accord avec les règles de sélectivité exprimées au paragraphe 2.2. b des dérogations à l utilisation de GFP sont admises : v si la continuité de service est impérative et le personnel de maintenance est bien formé et omniprésent v sur les alternateurs des groupes de secours v pour les circuits de lutte incendie Protection par GFP GFP suivant le NEC Ces fonctions sont généralement intégrées à un DPCC (disjoncteur). Trois types de GFP sont réalisables en fonction du dispositif de mesure installé : b "Residual Sensing" RS. Le courant "de défaut d isolement" est calculé par l addition vectorielle des courants des secondaires des TC (1) de mesure. (1) Le TC sur le conducteur neutre est souvent extérieur au disjoncteur. DB Figure 7a - "schéma RS". b "Source Ground Return" SGR. Le courant "de défaut d isolement" est mesuré dans la liaison neutre - terre du transformateur BT. Le TC est extérieur au disjoncteur. DB Figure 7b - "schéma SGR". 7

10 Rôle de la "protection terre" b "Zero Sequence" ZS. Le courant "de défaut d isolement" est directement calculé au primaire du TC par addition vectorielle des courants dans les conducteurs actifs. Ce type de GFP est utilisé seulement avec de faibles valeurs de courant de défaut. DB Figure 7c - "schéma ZS" Positionnement des GFP dans l installation Les GFP sont utilisés pour la protection contre le risque incendie. Type/niveau d installation En tête Divisionnaire Commentaires Source Ground Return (SGR) v Utilisé Residual sensing (RS) (SGR) v b Très utilisé Zero Sequence (SGR) v b Peu utilisé v Possible b Conseillé ou obligatoire 1.3. Rôle et fonctionnalités de la "protection terre" Pour assurer la protection incendie : b le NEC définit l emploi de DDR de très basse sensibilité appelés GFP b la norme IEC utilise les carctéristiques du schéma TT associé à des DDR basse ou haute sensibilité. Ces protections utilisent le même principe : la mesure du courant de défaut au moyen : b d un capteur sensible au courant homopolaire ou résiduel (courant de défaut à la terre) b d un relais de mesure qui compare ce courant au seuil de réglage b d un actionneur qui envoie un ordre de déclenchement à l organe de coupure du circuit surveillé en cas de dépassement du seuil de réglage. Ce type de protection est définie par le NEC (National Electrical Code) pour assurer la protection incendie sur des installations électriques de puissance Schéma des liaisons à la terre La norme CEI : b utilise les caractéristiques des SLT pour gérer le niveau des courants de défauts b ne préconise de ce fait que des dispositifs de mesure des courants de défauts ayant des valeurs de réglages très faibles (DDR à seuil, généralement, < 500 ma). Le NEC : b définit un schéma TN-S et schéma IT b préconise en schéma TN-S des dispositifs de protection des courants de défauts à valeurs de réglages élevés (GFP à seuil, généralement, > 500 A). SLT Courant de défaut Utilisation du SLT b CEI b NEC Incendie : b pour CEI b NEC Schéma TN-C Fort Id y 20 A b Interdit Non recommandé Sans objet b Peu utilisé b b Utilisé b b b Souvent utilisé Schéma TN-S Fort Id y 20 ka b b b b b b Non recommandé GFP 1200 A Schéma TT Moyen Id y 20 ka b b Interdit Schéma IT- 1er défaut Faible Id y 0,1 A b b Recommandé + DDR 300 ma Sans objet 8

11 Rôle de la "protection terre" DDR et GFP Le courant de défaut d isolement peut : b soit provoquer le déclenchement des DPCC s il est équivalent à un court-circuit b soit provoquer l ouverture automatique des circuits au moyen d appareillages spécifiques : v DDR si la valeur de réglage de seuils est de haute sensibilité (HS) 30 ma ou basse sensibilité (BS) jusqu à 30 A v GFP pour des valeurs de réglages de très basses sensibilité (> 100 A). DB

12 Les Technique des GFP 2.1. Mise en œuvre dans l installation Mise en œuvre des GFP La mesure doit être effectuée : b soit sur l ensemble des conducteurs actifs (3 Phases + Neutre si celui-ci est distribué). Le GFP est de type RS ou Z. b soit sur le conducteur PE. Le GFP est de type SGR. Le GFP basse sensibilité ne peut fonctionner qu en schéma TN-S. L analyse de la figure 8 fait apparaître trois niveaux. A/ Au niveau du TGBT, les caractéristiques de l installation sont : b des courants nominaux très importants (> 2000 A) b des courants de défaut d isolement élevés b le PE de la protection de source est facilement accessible. De ce fait, le GFP à mettre sur l appareil de tête est de type Residual Sensing ou Source Ground Return. La continuité de service impose une sélectivité totale des protections GFP en cas de défaut aval. A ce niveau les schémas d installation peuvent être complexes : multisource,... La gestion des GFP installés devra en tenir compte. B/ Au niveau du tableau intermédiaire ou divisionnaire, les caractéristiques de l installation sont : b des courants nominaux importants (de 100 à 2000 A) b des courants de défaut d isolement moyens b les PE des protections ne sont pas facilement accessibles. De ce fait, les GFP sont de type Residual ou Zero Sequence (pour les faibles valeurs). Nota : les problèmes de sélectivité peuvent être simplifiés dans le cas où des transformateurs d isolement sont utilisés. C/ Au niveau du récepteur, les caractéristiques de l installation sont : b des courants nominaux faibles (< 100 A ) b des courants de défaut d isolement faibles b les PE des protections ne sont pas facilement accessibles. La protection des biens et des personnes est ici réalisée par des DDR à seuil HS ou BS. La continuité de service est assurée : b par la sélectivité horizontale au niveau des départs terminaux : un DDR sur chaque départ b par la sélectivité verticale vers les protections du tableau divisionnaire amont (facilement réalisable car les valeurs de seuils sont très différentes). 10

13 Les Technique des GFP DB Figure 8 - "schéma général". 11

14 Les Technique des GFP 2.2. Fonctionnalités Coordination des GFP La sélectivité entre les protections terre doit être ampèremètrique et chronométrique. Cette sélectivité se fait entre : b la protection GFP amont et les protections GFP aval b la protection GFP amont et les déclenchements CR des protections aval. La sélectivité logique "ZSI" garantit la coordination des protections amont et aval. Elle nécessite un fil pilote entre les appareillages. Le standard du NEC n impose, pour prévenir les risques d incendie, qu une protection terre par GFP sur l appareil de tête. Or les défauts d isolement ont rarement lieu sur les jeux de barre du TGBT mais plus souvent sur la partie médiane ou terminale de la distribution. Il est indispensable que seule la protection aval située juste en amont du défaut agisse afin d éviter la mise hors service de l installation toute entière. Le GFP amont doit être coordonné avec les protections situées en aval. La coordination des protections sera faite entre : b le GFP amont et les éventuels GFP aval b le GFP amont et les DPCC en aval, car du fait des valeurs de réglage des seuils des GFP (quelques centaines d ampères), la protection par GFP peut interférer avec les protections par DPCC installées en aval. Nota : l utilisation de transformateurs, assurant l isolement galvanique, le changement de SLT ou le changement de tension, règle les problèmes de sélectivité (cf ). DB Figure Sélectivité entre les protections GFP Règles de sélectivité : la sélectivité est de type ampèremétrique et chronométrique Ces deux types de sélectivité doivent être simultanément mises en œuvre. b Sélectivité ampèremètrique. Le réglage du seuil de déclenchement du GFP amont est supérieur à celui du GFP aval. Du fait des tolérances sur les réglages, une différence de 30% entre le seuil amont et aval est suffisante. b Sélectivité chronométrique. Le réglage du retard intentionnel du GFP amont est supérieur au temps d ouverture de la protection aval. En outre, il est indispensable que le retard intentionnel apporté à la protection amont respecte la durée maximale d élimination des défauts d isolement définie par le NEC (soit 1s pour 3000 A). DB DB Figure 10 - Coordination entre GFP. 12

15 Les Technique des GFP Sélectivité entre protection GFP amont et DPCC aval Règles de Sélectivité entre GFP et fusibles aval Du fait des valeurs de réglage des seuils des GFP (quelques centaines d ampères), la protection par GFP peut interférer en cas de défaut terre avec les protections par fusibles installées en aval. Si les appareillages avals ne sont pas équipés d une protection de terre, il faut vérifier que le réglage du GFP amont prend en compte la courbe de fusions des fusibles aval. L étude des courbes de fonctionnement montre que la sélectivité totale est assurée avec : b un ratio de l ordre de 10 à 15 entre le seuil de réglage du GFP amont et le calibre des fusibles aval b un retard intentionnel du GFP amont supérieur au temps de coupure de la protection aval. Une fonction de type I²t = constante sur le réglage du GFP permet d améliorer légèrement le ratio de sélectivité. Le ratio peut fortement se réduire par l utilisation de disjoncteur grâce à la possibilité de réglage du seuil magnétique ou CR du disjoncteur aval. DB DB Figure 11 - Coordination entre GFP amont et protections aval. Règles de sélectivité entre GFP et disjoncteurs b La condition exprimée ci dessus équivaut à un réglage de la protection GFP à 1,5 fois celui de la protection magnétique ou CR du disjoncteur aval. b Si cette condition n est pas vérifiée, pour la réaliser on peut : v baisser le seuil du réglage magnétique en prenant garde aux déclenchements intempestifs sur le départ aval concerné (en particulier sur le départ-moteur) v augmenter le seuil du GFP en faisant attention de bien conserver la protection de l installation contre les courants vagabonds car cette solution autorise la circulation de courants plus élevés. DB DB Figure 12a. Figure 12b Sélectivité logique ZSI ZSI = "Zone Selective Interlocking" Recommandée et très utilisée aux USA, elle est mise en place au moyen d un fil pilote reliant chacune des fonctions GFP avals et la fonction GFP amont. 13

16 Les Technique des GFP En cas de défaut, le relais le plus proche du défaut terre (R1 par ex) voit le défaut, envoie un signal au relais en amont (R2) lui signalant qu il l a vu et qu il va l éliminer instantanément. R2 reçoit ce message, voit le défaut mais reste en attente du signal émis par R1 et envoie également un signal à R3, etc. Le relais R2 ne déclenchera qu après une temporisation (quelques dizaine de ms) si le défaut n est pas éliminé par R1 (Voir exemples 1 et 2). DB Figure 13a - Sélectivité ZSI. Cette technique permet de : b réaliser facilement en standard la sélectivité sur 3 niveaux ou plus b supprimer les contraintes importantes sur l installation, liées au déclenchement temporisé de la protection, en cas de défaut directement sur les jeux de barres amont. Toutes les protections sont donc quasiment instantanées. Cette technique nécessite l utilisation d un fil pilote entre toutes les protections concernées. Exemple 1 : b les disjoncteurs D1 à D3 sont équipés d un déclencheur permettant la mise en œuvre d une sélectivité logique : v un défaut d isolement apparaît au point C provoquant un courant de défaut de 1500 A b le relais n 3 (seuil à 300 A) donne instantanément l ordre de déclenchement au disjoncteur (D3) du départ concerné : v le relais n 3 envoie également un signal au relais n 2, qui a aussi détecté le défaut (seuil à 800 A), annihilant temporairement l ordre de déclenchement du disjoncteur D2 pendant quelques centaines de millisecondes, durée de l élimination du défaut par le disjoncteur D3 v le relais n 2 à son tour envoie un signal au relais n 1 v le relais n 2 donnera l ordre d ouvrir le disjoncteur D2 au bout de quelques centaines de millisecondes seulement si le défaut persiste, c est-à-dire si le disjoncteur D3 ne s est pas ouvert v de même, le relais n 1 donnera l ordre d ouvrir le disjoncteur D1 quelques centaines de millisecondes après l occurrence du défaut seulement si les disjoncteurs D2 et D3 ne se sont pas ouverts. DB Figure 13b - Application ZSI. 14

17 Les Technique des GFP Exemple 2 : b un défaut d isolement apparaît au point A provoquant un courant de défaut de 1500 A b le relais n 1 (seuil à 1200 A) donne instantanément l ordre de déclenchement au disjoncteur (A) n ayant reçu aucun signal des relais situés en aval b le déclenchement instantané de D1 permet de réduire fortement les contraintes sur les jeux de barres Mise en œuvre de la coordination des GFP Les règles de sélectivité entre GFP et disjoncteurs impliquent un réglage de la protection GFP à 1,5 fois celui de la protection magnétique ou CR du disjoncteur aval Exemples d applications Sélectivité entre GFP Exemple 1 : b le disjoncteur D1 est équipé d un GFP de type SGR réglé à 1200 A temporisé au cran 2 (soit t = 140 ms) b le disjoncteur D2 est équipé d un GFP2 de type RS réglé à 400 A instantané b un défaut d isolement apparaît en B provoquant un courant de défaut de 1500 A : v l étude des courbes de déclenchement montre que les 2 relais "voient" le courant de défaut. Mais seul GFP2 fait déclencher sa protection instantanément v la sélectivité sera assurer si le temps total δt2 d élimination du défaut par D2 est inférieur à la temporisation Dt de D1. DB DB DB Figure 14a - Courbes de déclenchement. Figure 12c. Exemple 2 : b un défaut d isolement apparaît en A provoquant un courant de défaut de 2000 A : v le disjoncteur D1 l éliminera après la temporisation t v l installation subit la contrainte thermique du défaut pendant la temporisation t et le temps δt1 d élimination du défaut Sélectivité entre GFP amont et DPCC aval Exemple 1 : b le disjoncteur amont D1 est équipé d un GFP dont le seuil est réglé à 1000 A ±15 % et la temporisation à 400 ms : v le disjoncteur D2 a un calibre de 100 A protégeant des circuits de distribution. Le réglage du CR de D2 est à 10 In soit 1000 A ±15 % v un défaut d isolement apparaît au point B provoquant un courant de défaut Id. b l étude des courbes de déclenchement montre un chevauchement autour de la valeur de réglage du magnétique (1000 A soit 10 In ±15 %) donc une perte de sélectivité. En abaissant le seuil CR à 7 In, on obtient la sélectivité entre les 2 protections quelle que soit la valeur du défaut d isolement. Figure 14b. 15

18 Les Technique des GFP 2.4. Exploitations particulières des GFP La protection par GFP peut être aussi utilisée pour : b protéger des alternateurs b protéger des récepteurs. L utilisation de transformateurs sur une partie de l installation permet de confiner les défauts d isolement. La sélectivité avec le GFP amont est naturellement réalisé Protections des alternateurs Un défaut d isolement à l intérieur de la carcasse métallique d un groupe générateur risque d endommager gravement l alternateur de ce groupe. Le défaut doit être détecté et éliminé rapidement. De plus, si d autres alternateurs sont mis en parallèle, ils vont débiter dans le défaut et risquent de provoquer un déclenchement par surcharges. La continuité de service n est plus assurée. De ce fait, un GFP intégré dans le circuit de l alternateur permet : b de découpler rapidement le générateur en défaut et de préserver la continuité de service b d agir au niveau des circuits de commande de l alternateur en défaut pour le mettre à l arrêt et diminuer les risques de dégradation. DB Figure 15 - "protection des alternateurs". Ce GFP est de type "Residual Sensing" à installer au plus près de la protection suivant un schéma TN-C au niveau de chaque groupe générateur avec mise à la terre des masses par un PE séparé : b en cas de défaut sur l alternateur n 1 : v un courant de défaut homopolaire s établit dans PE1 Id1 + Id2 du au débit des sources 1 et 2 dans le défaut v ce courant est vu par le GFP1 qui va donner l ordre de découplage instantané de l alternateur 1 (ouverture du disjoncteur D1) v ce courant n est pas vu par le GFP2, du fait du schéma TN-C. Ce type de protection est appelée par les Anglo-saxons "restricted differential". Les GFP installés ne protègent que les sources. GFP est de type "Residual Sensing" RS. Réglage des seuils des GFP : de 3 à 100 A suivant le calibre du GE Protection des récepteurs Un défaut d isolement de faible valeur dans le bobinage d un moteur peut rapidement se développer et se terminer par un court-circuit générant des dégradations importantes voire la destruction du moteur. Un GFP à seuil faible (quelques ampères) assure une protection correcte en mettant hors service le moteur avant des dommages importants. GFP est de type "Zero Sequence". Réglage des seuils des GFP : de 3 à 30 A suivant le type de récepteurs. 16

19 Les Technique des GFP Applications particulières Il est assez courant aux USA d insérer des transformateurs BT couplés Y dans la distribution de puissance : b pour abaisser la tension b mixer les SLT b assurer l isolement galvanique entre les différentes applications,... Ce transformateur permet aussi de s affranchir du problème de sélectivité entre le GFP amont et les protections avals. Effectivement, les courants de défauts (homopolaires) ne remontent pas à travers ce type de couplage. DB Figure 16 - "transformateurs et sélectivité". 17

20 Mise en œuvre des GFP La mise en oeuvre correcte des GFP sur les réseaux consiste à : b être bien protégé contre les défauts d isolement b déclencher uniquement quand cela est nécessaire Précautions à l installation La mise en œuvre correcte des GFP implique d être sûr : b du SLT installé. Le SLT doit être TN-S b de la mesure réalisée v de ne pas oublier le courant du conducteur neutre v en cas d utilisation de TC extérieur, de correctement les câbler au primaire comme au secondaire b d avoir une bonne coordination (sélectivité) entre les protections Etre sûr du schéma des liaisons à la terre La protection GFP est une protection incendie à seuil élevé (de quelques dizaines jusqu à 1200 ampères) : b en schéma de type IT et/ou TT, cette fonction n est pas nécessaire : les courants de défaut d isolement sont naturellement faibles, inférieurs à quelques ampères (cf ) b en schéma TN-C, les conducteurs PE et neutre sont confondus : de ce fait on ne peut discriminer les courants d un défaut d isolement larvé et dangereux, d un courant de neutre normal. Le schéma doit être de type TN-S. Le GFP fonctionne correctement seulement : b avec un vrai conducteur PE, c est-à-dire un conducteur de protection qui ne véhicule que les courants de défauts b avec un SLT qui favorise, en cas de défaut d isolement, le passage d un fort courant de défaut. Schéma Residual Sensing En premier lieu, il est nécessaire de vérifier que: b l ensemble des conducteurs actifs, y compris le conducteur neutre est contrôlé par le ou les tores de mesure b le conducteur PE n est pas dans le circuit de mesure b le conducteur neutre n est pas un PEN, ou ne le devient pas par évolution du schéma (cas du multisource) b la mesure du courant dans le neutre (si elle est faite par un TC séparé) est réalisée avec la bonne polarité (primaire et secondaire) afin que l électronique de l appareillage de protection effectue correctement la somme vectorielle des courants des phases et du neutre b le TC extérieur est du même calibre que le TC des phases. DB Figure 17 - "schéma RS" : alimentation amont et aval. Nota 1 : l utilisation d un disjoncteur tétrapolaire permet de s affranchir des problèmes à. Nota 2 : la position du TC de mesure sur le conducteur neutre est indépendante du type d alimentation de l appareillage : b alimentation par l amont ou b alimentation par l aval. 18

21 Mise en œuvre des GFP Schéma Source Ground Return Il faut s assurer que: b la mesure s effectue bien sur un conducteur PE et non sur un PEN b les précautions sur la polarité du TC exprimées ci-dessus sont prises en compte (même si la mesure est effectuée par un seul TC celui ci peut être ultérieurement couplé à d autres TC) b le TC extèrieur est du même calibre que le TC des phases. DB Figure 18 - "schéma SGR" : alimentation amont et aval. Couplage des TC de mesure Afin de coupler correctement 2 TC de mesure ou de raccorder un TC extérieur, il est nécessaire : b v v b v v v v dans tous les cas : de vérifier qu ils soient du même calibre de vérifier la polarité au primaire comme au secondaire. en cas de couplage au niveau du câblage des secondaires, il est souhaitable : de bien les mettre en court-circuit quand ils sont ouverts (découplés) de raccorder les bornes de même repères ensemble (S1 à S1 et S2 à S2) de mettre la borne secondaire S2 d un seul des TC à la terre d affecter les fonctions couplage découplage sur les liaisons entre les bornes S1. DB Figure 19 - Couplage de TC extérieur Précautions à l exploitation En exploitation, le schéma TN-S doit être respecté. Une installation "multisource / multigrounding" doit être étudiée soigneusement car le schéma amont peut être un TN-C et le conducteur neutre, un PEN. Le principal problème est d être sûr que le schéma TN-S ne se transforme pas en schéma TN-C à l exploitation. Cela peut être dangereux et perturbateur en cas de courant important dans le conducteur neutre. 19

22 Les techniques de mise en œuvre Les courants harmoniques dans le neutre La circulation de courant naturel important dans le conducteur neutre est due à certaines charges non linéaires de plus en plus fréquentes dans la distribution électrique (1) : b alimentation à découpage des systèmes informatiques (PC, périphériques,...) b ballast pour éclairage fluorescent,... Ces charges génèrent des pollutions harmoniques qui contribuent à faire circuler un courant homopolaire important dans le conducteur neutre. Ces courants harmoniques ont comme caractéristiques : b d être d harmonique 3 ou multiple de 3 b d être quasiment permanents (dès que les charges sont alimentées) b d avoir des amplitudes importantes (en tous cas nettement supérieures aux courants de déséquilibre). DB Figure 20 - Circulation des harmoniques 3. (1) Une étude effectuée en 1990 sur l alimentation de récepteurs de type informatique a montré que : b pour une grande partie des sites, le courant de neutre est de l ordre de 25 % du courant moyen par phase b 23 % des sites ont un courant de neutre de plus de 100 % du courant par phase. En effet, étant donné leur fréquence trois fois plus élevée et leur déphasage par pas de 2π/3, seuls les courants d harmonique 3 et multiple de trois s ajoutent dans le neutre au lieu de s annuler. Les autres ordres peuvent être négligés. Devant ce problème, plusieurs solutions sont envisageables : b b b surdimensionner le câble de neutre équilibrer autant que possible les charges intercaler un transformateur couplé Y qui bloque les courants d harmoniques d ordre 3. La philosophie NEC, qui ne prévoie pas de protection du neutre, préconise de surdimensionner le câble de neutre en le doublant Incidences sur la mesure des GFP En schéma TN-S, il n y a pas d incidence. Mais il faut faire très attention à ce que le schéma de type TN-S ne se transforme pas en TN-C. En schéma TN-C, le conducteur neutre et le PE sont confondus. Les courants de neutre (en particuliers harmoniques) circulent dans le PE et les structures. Ces courants dans le PE peuvent créer des perturbations sur les équipements sensibles : b par rayonnement des structures b par perte d équipotentialité entre 2 équipements. Un Schéma TN-S se transformant en Schéma TN-C provoque les mêmes problèmes. Les courants mesurés par les GFP de tête deviennent erronés : b les courants naturels du neutre peuvent être interprétés comme des courants de défaut b les courants de défaut passant par le conducteur neutre peuvent désensibiliser ou faire déclencher intempestivement les GFP. Exemples Cas 1 : défaut d isolement sur le conducteur Neutre Le schéma TN-S se transforme en schéma TN-C en cas de défaut d isolement du conducteur neutre. Ce défaut n est pas dangereux donc il n est pas nécessaire de mettre hors service l installation. En revanche, la circulation des courants en amont de défaut peut provoquer un dysfonctionnement des GFP. 20

23 Les techniques de mise en œuvre Il est donc nécessaire de vérifier qu il n y a pas ce type de défaut sur l installation. DB Figure 21a - TN-S transformé en TN-C. Cas 2 : multisource avec multigrounding C est un cas fréquent en particulier pour réaliser l extension d une installation. Dès que deux sources ou plus sont couplées avec plusieurs mises à la terre, les conducteurs neutre en amont des couplages sont transformés en PEN. Nota : une mise à la terre unique des 2 sources réduit le problème (la circulation du courant de neutre dans les structures) mais : b les conducteurs neutre en amont du couplage sont des PEN b ce schéma n est pas trés simple à concevoir correctement. DB Figure 21b - Schéma multisource / multigrounding conducteur PEN. Nota : pour étudier les schémas, le code suivant sera utilisé : Neutre P E P E N 3.3. Applications La mise en œuvre d un schéma avec une seule source ne pose pas de problèmes particuliers car le courant de défaut ou de neutre ne peut pas être dévié Méthodologie La mise en œuvre rappelée au paragraphe 3.1 consiste à vérifier 6 critères. b Etre sûr de la mesure : a 0 : le GFP est physiquement bien installé : le TC de mesure est correctement positionné. Il faut ensuite vérifier sur l unifilaire. b Etre sûr du SLT TN-S, c est à dire : v en fonctionnement sans défaut : a 1 : les GFP n ont pas de déclenchements intempestifs avec ou sans charges déséquilibrées et / ou harmoniques a 2 : les équipements sensibles environnants ne sont pas perturbés. 21

24 Les techniques de mise en œuvre v en fonctionnement avec défauts : b 1 : le GFP sur le départ en défaut mesure la "vraie" valeur du défaut b 2 : les GFP non concernés n ont pas de déclenchements intempestifs. b Etre sûr de la disponibilité : b 3 : la sélectivité avec les protections amont et aval est bien assurée en cas de défaut d isolement Application : mise en œuvre en schéma TN-S monosource Elle ne pose pas de problème si la méthodologie vue précédemment est respectée. b Etre sûr de la mesure : Critère a 0 Il est nécessaire de vérifier que : v en schéma "Residual Sensing", l ensemble des câbles actifs est contrôlé et que le tore sur le conducteur neutre est bien positionné (sens du courant primaire, câblage du secondaire) v en schéma "Source Ground Return", le tore de mesure est bien installé sur le PE (et non pas sur un PEN ou un conducteur neutre). b Etre sûr du SLT TN-S : Critères a 1 et a 2 v le courant circulant dans le neutre n a qu un seul chemin pour retourner à la source qu il y ait ou non des courants harmoniques dans le neutre. La somme vectorielle des courants (3 Ph + N) est nulle. Le critère a 1 est vérifié. v le courant de neutre ne peut pas se reboucler dans le PE car il n y a qu une connexion du neutre de transformateur vers le PE. Il n y a pas de rayonnement possible des structures. Le critère a 2 est vérifié. Critères b 1 et b 2 En cas de défaut, le courant ne peut pas revenir par le neutre et revient intégralement à la source par le PE. De ce fait : v les GFP placés sur la chaîne d alimentation du départ lisent le vrai courant de défaut v les autres ne pouvant pas le voir restent inactifs. Les critères b 1 et b 2 sont vérifiés. Critère b 3 b Etre sûr de la disponibilité : v la sélectivité doit être assurée selon les règles du paragraphe 2.2. Le critère b 3 sera alors vérifié. DB Figure 22 - Schéma monosource. 22

25 Les techniques de mise en œuvre Dès que le réseau comporte au moins 2 sources, le schéma de protection adopté devra tenir compte des problèmes liés : b aux harmoniques d ordre 3 et multiple de 3 b b à la non coupure du neutre aux déviations possibles des courants. De ce fait, l étude d un schéma "multisource" doit clairement faire apparaître les chemins de retour possibles : b b des courants de neutre des courants de défauts d isolement c'est à dire bien distinguer la partie PE et PEN du schéma Application : mise en œuvre en schéma TN-S multisource Le cas du multisource est plus complexe. Il existe une multitude de configuration de réseaux possible dépendant : b du schéma (sources en parallèle, source Normal / Remplacement,...) b de la gestion des sources b du nombre de mises à la terre du neutre de l installation : généralement le NEC recommande une seule mise à la terre mais tolère ce type de schéma dans certains cas ( (b)) b de la solution adoptée pour effectuer cette mise à la terre. Chacune de ces configurations nécessite une étude particulière. Les applications présentées dans ce paragraphe seront du type multisource à 2 sources. Les différents schémas de principe mis en œuvre sont résumés dans ce tableau. Position des appareillages Fonctionnement Q1 Q2 Q3 Normal N F F O Remplacement R1 O F F Remplacement R2 F O F F : Fermé O : Ouvert Les 6 critères (a0, a1, a2, b1, b2 et b3) à appliquer à chaque schéma sont définis au paragraphe Pour étudier tous les cas de figures et en tenant compte des symétries entre GFP1 et GFP2, il faudra vérifier 12 critères (6 critères x 2 schémas). DB Figure 24 - Couplage. 23

26 Etude de schémas multisource 4.1. Schéma multisource avec une seule mise à la terre Le schéma multisource / une mise à la terre est caractérisée par un PEN sur la / les liaison(s) arrivée : b le schéma généralement utilisé est le schéma 2 (la mise à la terre est symétrique réalisée au niveau du couplage) b les schémas 1 et 3 ne sont utilisés qu en couplage de source. Caractéristiques schéma 2 La protection terre peut être : b de type SGR b de type RS si le découplage du neutre des charges est bien réalisé b les disjoncteurs arrivée sont de type tripolaire. La gestion des défauts ne nécessitent pas de de protection terre sur le coupleur. Caractéristiques schémas 1 et 3 Ces schémas sont disymétriques. Ils n ont d intérêt que lorsqu ils sont utilisés en couplage de source avec un GE comme source de Remplacement. DB Ces schémas ne sont pas très faciles à réaliser et à maintenir en cas d extension : il faut éviter de réaliser une 2 éme mise à la terre. Il n existe qu un seul chemin de retour vers les sources : b pour les courants naturels du neutre b pour les courants de défaut du PE. Les schémas (figure 25) sont de 3 types : DB Schéma 1 Schéma 2 Schéma 3 Figure 25. Le schéma n 2 est le seul employé tel que. Les schémas 1 et 3 ne sont utilisés que sous forme simplifiée : b charge U2 (schéma 1) ou U1 (schéma 3) absente b pas de couplage Q3. L étude de ces schémas est caractérisée par un PEN sur la/les liaison(s) arrivée. De ce fait les disjoncteurs arrivée Q1 et Q2 sont obligatoirement de type tripolaire Schéma 2 La mise à la terre du neutre étant réalisée au moyen du conducteur neutre de distribution, le neutre des protections de tête est de ce fait un PEN. La liaison de mise à la terre en revanche est un PE. DB DB Figure 26a. Rappel de la codification utilisée : Neutre P E P E N 24

27 Etude de schémas multisource Etude 1 / schéma 2 La protection terre de tête peut être mise en œuvre par des GFP de type "Source Ground Return" dont les TC de mesure sont installés sur cette liaison (cf. figure 26b). DB Figure 26b - Schéma de type "Source Ground Return". En fonctionnement normal N : b a 0 est bien vérifié car il s agit d un PE b a 1 et a 2 sont également vérifiés (les courants dans le conducteur neutre ne peuvent pas circuler dans le PE et les circuits de terre) b b 1 est vérifié b b 2 n est pas vérifié car il s agit d un PE commun aux 2 parties de l installation b b 3 peut être vérifié sans problème. Les protections GFP mises en œuvre assurent la sécurité de l installation car le courant maximal de fuite pour les deux installations est toujours limité à 1200 A. Mais la continuité de service n est pas réalisée car un défaut d isolement entraîne une mise hors service de l ensemble de l installation. Par exemple, un défaut sur U2 entraîne la mise hors service de U1 et U2. En fonctionnement remplacement R1 ou R2 : les critères de fonctionnement sont tous vérifiés. Pour résoudre totalement le problème lié au critère b 2, on peut : b mettre en œuvre un schéma de couplages de TC (Etude 2) b faire évoluer le schéma de l installation (Etude 3) Etude 2 / schéma 2 En remarquant que le A1 (ou A2) est : b un PE en fonctionnement normal N b un PEN en fonctionnement R1 (ou R2) b un Neutre en fonctionnement R2 (ou R1), on peut installer les TC de mesure des GFP (de type SGR) de tête sur ces liaisons. 25

28 Etude de schémas multisource En fonctionnement normal N (cf. figure 27a) DB Figure 27a. Les critères de fonctionnement sont vérifiés car A1 (ou A2) est un PE. En fonctionnement remplacement R1 (cf. figure 27b) DB Figure 27b. Comme la liaison A1 est un PEN pour les utilisations U1 et U2, et la laison A2 un neutre pour l utilisation U2, il est possible d éliminer la mesure du courant de neutre dans ce conducteur grâce au couplage des TC (cf. figure 27b). Les courants de défaut ne sont mesurés que par le TC de mesure de Q1 : pas de sélectivité possible entre U1 et U2. Tous les critères de fonctionnement sont vérifiés. Nota : les TC de mesure doivent être correctement polarisés et de même calibre. En fonctionnement remplacement R2 : même principe Etude 3 / schéma 3 Dans cette configuration, utilisée en Australie, le neutre des protections de tête est "refabriqué" en aval du PE. Il est néanmoins nécessaire de s assurer qu il n y a pas d autres neutres amonts et/ou PE avals connectés. Cela fausserait les mesures. La protection est assurée par des GFP de type Residual ayant le TC neutre placé sur cette liaison (en respectant bien entendu la polarité). 26

29 Etude de schémas multisource En fonctionnement normal N (cf. figure 28a) DB Figure 28a. Critères a 1 et a 2 Le courant circulant dans le neutre N1 (ou N2) n a qu un seul chemin pour retourner à la source. Le GFP1 (ou GFP2) fait la somme vectorielle de la totalité des courants de phases et de neutre. Les critères a 1 et a 2 sont vérifiés. Critères b 1 et b 2 En cas de défaut sur U1 (ou U2), le courant ne peut pas revenir par le neutre N1 (ou N2). Il revient intégralement à la source par le PE et le PEN1 (ou PEN2). De ce fait, le GFP1 (ou GFP2) placé sur la chaîne d alimentation du départ lit le vrai courant de défaut et le GFP2 (ou GFP1) ne voit aucun courant de défaut et reste inactif. Critère b 3 La sélectivité doit être assurée selon les conditions définies au 2-2. Donc l ensemble des critères est bien vérifié. En fonctionnement remplacement R1 (cf. figure 28b) DB Figure 28b. 27

30 Etude de schémas multisource La fonctionnalité de N1 et de N2 n est pas affectée par ce fonctionnement. Afin de gérer la protection des 2 utilisations (U1 + U2), il faut réaliser la somme des courants de neutre (N1 + N2). Le couplage des TC réalisé sur la figure 28b permet de vérifier les deux critères. En fonctionnement remplacement R2 : même principe Commentaires Le schéma avec mise à la terre symétrique est utilisé dans les pays anglosaxons. Il nécessite de respecter scrupuleusement l agencement du PE, du neutre et du PEN dans le TGBT. Caractéristiques complémentaires b Gestion des courants de défauts sans TC de mesure sur le coupleur b Test complet de la fonction GFP possible en usine : TC extérieurs étant situés dans le TGBT b Protection réalisée que sur la partie de l installation en aval des TC de mesure : génant si les sources sont éloignées Schémas 1 et 3 Les schémas 1 et 3 (cf. figure 25) sont identiques. Nota : les disjoncteurs Q1 et Q2 sont obligatoirement tripolaires Etude du schéma 1 simplifié Le diagramme de fonctionnement ne comprend que 2 états (Normal N ou Remplacement R2). Le schéma et le diagramme ci-aprés (cf. figure 29) représentent ce type d application : la source 2 étant souvent réalisé par GE. DB b Sans charge U2. b Sans coupleur Q3. Position des appareillages Fonctionnement Q1 Q2 Normal N F O Remplacement R2 O F F : Fermé O : Ouvert Figure 29. DB S1 GE PE PEN1 Q1 RS SGR Q2 TGBT N1 charges U1 terre Figure 30a. En fonctionnement Normal N Le schéma est identique au schéma monosource (PE et neutre séparés) : donc pas de problème de mise en œuvre de la protection terre GFP1 de type RS ou SGR. 28

31 Etude de schémas multisource En fonctionnement remplacement R2 Au niveau de Q2, le neutre et le PE sont communs (PEN) : de ce fait, l utilisation d une protection de terre GFP2 de type SGR avec TC extérieur sur la PE est la seule solution (simple) à mettre en œuvre Etude du schéma 1 complet Ce schéma présente peu d intérêts et de plus nécessite un TC extérieur pour assurer la gestion correcte des protections de terre. DB Figure 30b. En fonctionnement Normal N Pour Q1, le schéma est identique à celui d un schéma monosource. Pour Q2, le GFP2 est de type SGR avec la mesure est faite sur PE2 (cf. figure 30b). En fonctionnement Normal R1 Le schéma est analogue à un schéma monosource. En fonctionnement Normal R2 PE2 devient un PEN. Un 2 éme TC extérieur sur le PE (cf. figure 30b) associé à un relayage réalise la mesure Schéma multisource avec plusieurs mises à la terre Le schéma multisource avec plusieurs mises à la terre est facile à mettre en œuvre. Cependant, il est nécessaire au niveau des protections de terre (GFP) d utiliser des relayages particuliers si le conducteur neutre n est pas coupé. L utilisation de disjoncteurs d arrivée et de couplage tétrapolaire élimine ces problèmes et permet une gestion simple et efficace de la protection de terre (GFP). Les transformateurs BT des sources S1 et S2 ont leur point neutre directement relié à la terre. Cette mise à la terre peut être commune ou séparée. Un courant dans le conducteur neutre de la charge U1 peut revenir directement à S1 ou en passant par les mises à la terre. 29