Les régimes du neutre

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1 Chapitre 1 Les régimes du neutre Dans tout système triphasé Haute ou Basse Tension existent trois tensions simples, mesurées entre chacune des phases et un point commun appelé "point neutre". Physiquement, le neutre est le point commun de trois enroulements montés en étoile (voir figure 1.1). Lorsque le conducteur de neutre est présent, on dit que le neutre est distribué. Ph 3 point neutre Figure 1.1. Point neutre d'un système triphasé en étoile Le neutre peut être accesible ou non, distribué ou non. En France, la distribution du neutre en Haute Tension est exceptionnelle, on ne la rencontre qu'en éclairage public, avec les tensions 5,5 kv et 3,2 kv ; par contre, elle est très fréquente aux USA. En basse tension, la distribution du neutre est utilisée dans tous les pays.

2 28 Protection des réseaux électriques Dans une installation Haute ou Basse Tension, le neutre peut ou non être relié à la terre. On parle alors de régime du neutre. La connexion du neutre à la terre peut être réalisée directement, ou par l'intermédiaire d'une résistance ou d'une reactance. Dans le premier cas, on dit que le neutre est mis directement à la terre et dans le second cas, que le neutre est mis à la terre par une impédance. Lorsqu'il n'existe aucune liaison intentionnelle entre le point neutre et la terre, on dit que le neutre est isolé. Dans un réseau, le régime du neutre joue un rôle très important. Lors d'un défaut d'isolement, ou de la mise accidentelle d'une phase à la terre, les valeurs prises par les courants de défaut, les tensions de contact et les surtensions sont étroitement liées au mode de raccordement du neutre à la terre. Un neutre mis directement à la terre limite fortement les surtensions ; par contre, il engendre des courants de défaut très importants. Au contraire, un neutre isolé limite les courants de défaut à des valeurs très faibles, mais favorise l'apparition de surtensions élevées. La continuité de service en présence d'un défaut à la terre est également liée au régime du neutre. Un neutre isolé permet la continuité de service lors d'un défaut à la terre, sous réserve de respecter le décret sur la protection des travailleurs. Un neutre mis directement à la terre ou par une faible impédance impose au contraire un déclenchement dès l'apparition du premier défaut à la terre. L'importance des dommages que subissent certains équipements, tels que les moteurs et les alternateurs présentant un défaut d'isolement interne, dépend également du régime du neutre. Dans un réseau à neutre mis directement à la terre, une machine affectée d'un défaut d'isolement est fortement endommagée en raison de la valeur élevée du courant de défaut. Dans un réseau à neutre isolé ou fortement impédant, les dommages sont au contraire réduits, mais il faut que les équipements aient un niveau d'isolement compatible avec le niveau des surtensions pouvant se développer dans ce type de réseau. Le régime du neutre a également une influence importante sur le niveau des perturbations électromagnétiques engendrées lors d'un défaut. Les schémas favorisant des courants de défaut élevés et leur circulation dans les structures

3 Les régimes du neutre 29 métalliques des bâtiments sont très perturbateurs ; au contraire, les schémas qui réduisent ces courants et qui garantissent une bonne équipotentialité des masses le sont peu. Le choix du régime du neutre, tant en Basse Tension qu'en Haute Tension, dépend à la fois de la nature de l'installation et de celle du réseau. Il est également influencé par la nature des récepteurs, la recherche de la continuité de service et la limitation du niveau de perturbation subi par les équipements sensibles Les schémas de liaison à la terre en basse tension En France, les schémas de liaison à la terre basse tension sont régis par la norme NF C et des décrets ministériels. Dans la norme, le terme schéma de liaison à la terre est utilisé plutôt que le terme régime de neutre. Mais ce dernier est encore beaucoup utilisé par les gens de métier. Il existe trois schémas de liaison à la terre, ils sont définis par deux lettres. La première lettre définit la situation du point neutre par rapport à la terre : - T le point neutre est relié directement à la terre, - I le point neutre est isolé de la terre ou relié à la terre par une impédance élevée. La deuxième lettre définit la situation des masses de l'installation électrique par rapport à la terre : - T les masses sont reliées directement à la terre, - N les masses sont reliées directement au conducteur de neutre Définition du schéma IT Le schéma IT appelé communément neutre isolé est illustré par la figure 1.2. Le neutre est isolé ou relié à la terre par une impédance élevée (première lettre I). Une impédance de Q est fréquemment employée. Les masses des récepteurs sont interconnectées soit totalement, soit par groupes. Chaque groupe interconnecté est relié à une prise de terre (deuxième lettre T). Il est possible qu'une ou plusieurs masses soient reliées séparément à la terre. Dans la mesure du possible, il est recommandé d'interconnecter toutes les masses d'une même installation et de les relier à la même prise de terre. U est toutefois admis que des masses très éloignées les unes des autres, ou situées dans des

4 30 Protection des réseaux électriques bâtiments différents, ne le soient pas. Dans ce cas, chaque groupe de masses reliées à la même prise de terre, et chaque masse reliée individuellement à la terre doivent être protégés par un dispositif différentiel à courant résiduel. Les prises de terre des masses et du neutre peuvent être ou non interconnectées ou confondues. Il n'est pas avantageux de distribuer le neutre car cela entraîne une diminution des longueurs maximales des canalisations (voir ). L'installation d'un limiteur de surtension entre le point neutre du transformateur HTA/BT et la terre est obligatoire. Si le neutre n'est pas accessible, le limiteur de surtension est installé entre une phase et la terre. Il protège le réseau basse tension contre les élévations de tension résultant d'un défaut à la terre dans le poste de transformation ou d'un amorçage entre les enroulements haute tension et basse tension du transformateur. 1 récepteur récepteui Z P s : impédance de mise à la terre du neutre : limiteur de surtension Figure 1.2. Schéma IT Définition du schéma TT Le point neutre est relié directement à la terre (première lettre T). Les masses des récepteurs sont interconnectées soit toutes ensembles, soit par groupes, soit individuellement et sont reliées à la terre (deuxième lettre T). La protection est assurée au moyen de dispositifs différentiels résiduels. Toutes les masses protégées par le même dispositif de protection doivent être reliées à la même prise de terre.

5 Les régimes du neutre 31 La prise de terre du neutre et celle des masses peuvent ou non être interconnectées ou confondues. Le neutre peut être distribué ou non. PH 3 PH2 PH 1 N PE récepteur récepteur Figure 1.3. Schéma TT Définition du schéma TN Le point neutre est relié directement à la terre (première lettre T). Les masses des récepteurs sont reliées au conducteur de neutre (deuxième lettre N). On distingue deux schémas possibles suivant que le conducteur de neutre (N) et le conducteur de protection (PE) sont confondus ou non. Lorsque les conducteurs de neutre et de protection sont confondus en un seul conducteur appelé PEN, le schéma est identifié par une troisième lettre C et est appelé TNC (voir figure 1.4). Il est recommandé de relier régulièrement le conducteur de protection à la terre afin d'éviter les montées de potentiel des masses en cas de défaut. Ce schéma est interdit pour les sections inférieures à 10 mm 2 cuivre et 16 mm 2 aluminium, ainsi qu'en aval d'un schéma TNS (voir NF C , 546-2). Il est également interdit pour les canalisations mobiles (voir NF C , ). Lorsque les conducteurs de neutre et de protection sont séparés, le schéma est identifié par une troisième lettre S et est appelé TNS (voir figure 1.5). Il est recommandé de relier régulièrement le conducteur de protection à la terre afin d'éviter les montées de potentiel des masses en cas de défaut. Ce schéma est interdit en amont d'un schéma TNC.

6 32 Protection des réseaux électriques Les deux schémas TNC et TNS peuvent être utilisés dans une même installation, on parle alors de schéma TN-C-S. Mais le schéma TNC (4 fils) ne doit jamais être en aval du schéma TNS (5 fils). récepteur récepteur Figure 1.4. Schéma TNC t I, I récepteur A L> " récepteur Figure 1.5. Schéma TNS Comparaison des schémas de liaison à la terre Les trois schémas de liaison à la terre diffèrent dans leur technique d'exploitation et de protection des personnes, ils comportent chacun des avantages et des inconvénients que nous allons comparer Caractéristiques du schéma IT Technique d'exploitation : - surveillance permanente de l'isolement, - signalisation du premier défaut d'isolement, - recherche et élimination obligatoires du défaut, - coupure si il existe deux défauts d'isolement simultanés (double défaut).

7 Les régimes du neutre 33 Technique de protection des personnes : - interconnexion et mise à la terre des masses, - surveillance du premier défaut par un contrôleur permanent d'isolement (voir ), - coupure au deuxième défaut par les protections contre les surintensités (disjoncteurs ou fusibles). Avantages : - solution assurant la meilleure continuité de service en exploitation, - lors d'un défaut d'isolement, l'intensité de court-circuit est très faible. Inconvénients : - il nécessite un personnel d'entretien pour la surveillance en exploitation ; - il nécessite un bon niveau d'isolement du réseau. Cela implique la fragmentation du réseau si celui-ci est très étendu, et l'alimentation des récepteurs à courant de fuite important par des transformateurs de séparation ; - la vérification des déclenchements pour les doubles défauts doit être effectuée si possible à l'étude du projet de réseau, par des calculs, et obligatoirement à la mise en service par des mesures. Cette vérification doit être effectuée après toute intervention sur le réseau (modification, extension ) ; - il nécessite l'installation de limiteurs de surtension ; - il nécessite de réaliser une équipotentialité de toutes les masses de l'installation ; sinon il faut installer un dispositif différentiel résiduel sur chaque groupe de masse interconnecté ; - il faut éviter de distribuer le conducteur de neutre ; dans le schéma IT, il est en effet recommandé de ne pas distribuer le conducteur de neutre pour les raisons suivantes : - si le conducteur de neutre est distribué, lorsqu'il est affecté par un défaut à la masse, les avantages du régime IT sont supprimés car un défaut d'isolement sur une phase provoque un double défaut et donc une coupure, - si le neutre est distribué, il est obligatoire de le protéger contre les surcharges et les courts-circuits, - les longueurs maximales des circuits sont plus faibles lorsque le neutre est distribué (voir ) ; - la localisation des défauts est difficile sur les réseaux étendus ; - lors d'un défaut à la terre, la tension des deux phases saines par rapport à la terre prend la valeur de la tension composée (voir 2.8.6). Les matériels doivent donc être choisis en conséquence.

8 34 Protection des réseaux électriques Caractéristiques du schéma TT Technique d'exploitation : - coupure au premier défaut d'isolement. Technique de protection des personnes : -mise à la terre des masses, associée à l'emploi obligatoire de dispositifs différentiels résiduels (au moins un, en tête de l'installation) ; - toutes les masses protégées par un même dispositif différentiel résiduel doivent être reliées à la même prise de terre ; - les masses simultanément accessibles doivent être reliées à la même prise de terre. Avantages : - le plus simple à étudier, mettre en œuvre, contrôler et exploiter ; - il ne nécessite pas un personnel d'entretien en permanence pour la surveillance en exploitation (seul un contrôle périodique des dispositifs différentiels résiduels peut être nécessaire) ; - la présence de dispositifs différentiels résiduels permet en plus la prévention des risques d'incendie lorsque leur sensibilité est inférieure ou égale à 500 ma (voir NFC ); - la localisation des défauts est facile ; - lors d'un défaut d'isolement, l'intensité de court-circuit est faible. Inconvénients : - coupure au premier défaut d'isolement ; - il faut installer un dispositif différentiel résiduel sur chaque départ pour obtenir une sélectivité totale ; - les récepteurs ou parties d'installation qui créent en fonctionnement normal, des courants de fuite importants, doivent faire l'objet de mesures spéciales pour éviter des déclenchements intempestifs des dispositifs différentiels résiduels. Il faut dans ce cas alimenter les récepteurs par des transformateurs de séparation ou utiliser des dispositifs différentiels résiduels à seuil élevé, compatible avec la résistance de la prise de terre des masses Caractéristiques des schémas TNC et TNS Technique d'exploitation : - coupure au premier défaut d'isolement.

9 Les régimes du neutre 35 Technique de protection des personnes : - interconnexion et mise à la terre des masses et du neutre imperatives ; -coupure au premier défaut par les protections contre les surintensités (disjoncteur ou fusible). Avantages : - le schéma TNC permet de faire une économie à l'installation (suppression d'un pôle d'appareillage et d'un conducteur) ; - la protection contre les contacts indirects est assurée par les dispositifs de protection contre les surintensités. Inconvénients : - coupure au premier défaut d'isolement ; - le schéma TNC implique l'utilisation de canalisations fixes et rigides ( de la norme NF C ) - il nécessite de relier régulièrement le conducteur de protection à la terre dans toute l'installation, de façon à le maintenir au potentiel de la terre ; - la vérification des déclenchements sur le premier défaut d'isolement doit être effectuée si possible lors de l'étude par le calcul, et obligatoirement, lors de la mise en service, par des mesures ; cette vérification doit être effectuée après toute intervention sur le réseau (modification, extension) ; - le conducteur de protection doit être dans les mêmes canalisations que les conducteurs actifs des circuits correspondants ; - il nécessite souvent de réaliser des liaisons équipotentielles supplémentaires ; - pour le schéma TNC, les harmoniques 3 et multiples de 3 circulent dans le conducteur de protection ; -il présente un risque d'incendie plus élevé. Le schéma TNC est d'ailleurs interdit dans les locaux à risque d'incendie ; -lors d'un défaut d'isolement, l'intensité de court-circuit est élevée et peut provoquer des dommages aux matériels ou des perturbations électro-magnétiques Particularités d'installation en régime de neutre isolé basse tension Le régime de neutre isolé basse tension impose la surveillance permanente de l'isolement, la recherche du premier défaut d'isolement et la présence d'un limiteur de surtension. Nous allons voir comment réaliser ces fonctions.

10 36 Protection des réseaux électriques Installation d'un contrôleur permanent d'isolement (voir figure 1.6) Dans un réseau à neutre isolé, il faut un dispositif qui contrôle en permanence le niveau d'isolement de façon à ne pas laisser perdurer le défaut. Ceci pour éviter une détérioration du matériel en défaut et éviter un déclenchement dans l'éventualité d'un deuxième défaut d'isolement. Le premier défaut doit être recherché et éliminé par le personnel d'exploitation. Le contrôleur permanent d'isolement réalise la fonction de contrôle de l'isolement. Il applique une tension continue entre le neutre et la terre, ou entre une phase et la terre si le neutre n'est pas accessible. Cette tension crée dans les résistances d'isolement, un courant de fuite indépendant des capacités des câbles (en courant continu, les condensateurs ont une impédance infinie). En cas de défaut d'isolement, un courant continu traverse le contrôleur qui provoque une alarme Installation d'un limiteur de surtension (voir figure 1.6) Sa fonction est d'écouler à la terre les surtensions dangereuses susceptibles d'apparaître comme un défaut à la terre dans le poste de transformation ou un amorçage entre enroulements HT et BT d'un transformateur. Il est installé entre le neutre et la terre du transformateur ou entre une phase et la terre si le neutre n'est pas accessible. Ph i Ph 2 Ph 3 limiteur de surtension. CONTRÔLEUR PERMANENT D'ISOLEMENT Figure 1.6. Installation d'un contrôleur permanent d'isolement et d'un limiteur de surtension en régime IT Recherche des défauts à la terre par un générateur basse fréquence Cet appareil permet (voir figure 1.7). la localisation sous tension des défauts à la terre Un générateur (1) basse fréquence (entre 2 et 10 Hz) injecte un courant entre le neutre et la terre, ou entre une phase et la terre si le neutre n'est pas accessible. Lors d'un défaut d'isolement sur un départ, un courant de fuite basse fréquence s'écoule vers la terre.

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