Cahier technique n 212

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1 Collection Technique... Cahier technique n 212 Un conducteur actif et singulier : le neutre J. Schonek Building a ew Electric World *

2 Les Cahiers Techniques constituent une collection d une centaine de titres édités à l intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues et notices techniques. Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les installations, les systèmes et les équipements. Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des automatismes industriels. Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partir du site Schneider Electric. Code : Rubrique : Presse Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactez votre agent Schneider Electric. La collection des Cahiers Techniques s insère dans la «Collection Technique» de Schneider Electric. Avertissement L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte des informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne saurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenus dans cet ouvrage. La reproduction de tout ou partie d un Cahier Technique est autorisée avec la mention obligatoire : «Extrait du Cahier Technique Schneider Electric n (à préciser)».

3 n 212 Un conducteur actif et singulier : le neutre Jacques SCHOEK Ingénieur ESEEIHT et Docteur-Ingénieur de l Université de Toulouse, il a participé de 198 à 1995 à la conception des variateurs de vitesse de la marque Telemecanique. Il a été ensuite gérant de l activité Filtrage d Harmoniques. Il est actuellement en charge des études Applications et Réseaux Electrotechniques au sein de la Direction «Power Protection & Control» de Schneider Electric. CT 212 édition juin 24

4 Lexique i r, i s, i t, i (A) : I (A) : I L (A) : I l (A) : i h (%) : valeurs instantanées des courants dans les phases et le neutre valeur efficace du courant dans le neutre valeur efficace du courant dans une phase composante fondamentale du courant I L taux d harmonique de rang h du courant I L I h (A) : valeur efficace du courant harmonique de rang h, i h (A) h (%) = I 1 I l (A) THD (%) : taux de distorsion harmonique Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.2

5 Un conducteur actif et singulier : le neutre Un paradoxe : le conducteur neutre est un conducteur actif dans lequel il ne devrait circuler aucun courant, et pourtant Il existe un regain d intérêt pour le conducteur neutre, lié à la prolifération des charges électroniques, à la circulation de courants harmoniques et au risque de surcharge. Dans ce contexte, l objectif de ce document est de faire le point sur les habitudes et recommandations d installation : coupure, protection et dimensionnement du conducteur neutre. Sommaire 1 Un conducteur actif dans la 1.1 Schéma général de Distribution Electrique p. 4 distribution électrique 1.2 eutre, mais pas innocent p Rappels sur les Schémas des Liaisons à la Terre (dits «régimes de neutre») p Court-circuit phase neutre p. 7 2 Règles traditionnelles de dimensionnement 2.1 Section du conducteur neutre p. 8 et de protection du neutre 2.2 Coupure du conducteur neutre p Protection du conducteur neutre p Appareillage adapté à la coupure et à la protection du conducteur neutre p Et vinrent les harmoniques 3.1 Charges non linéaires monophasées p Charges monophasées dans un système triphasé p Courant dans le conducteur neutre dans un système triphasé p Taux de charge du conducteur neutre p Effet des courants harmoniques sur les canalisations électriques p Estimation du taux d harmonique 3 p Dimensionnement des constituants d une installation p Harmoniques et Schémas des Liaisons à la Terre p Comment gérer les harmoniques impactant le neutre p Synthèse p Conclusion p. 25 Annexe 1 : Rappels p. 26 Annexe 2 : Cas particulier des installations BT alimentées par plusieurs sources p. 27 Annexe 3 : Bibliographie p. 29 Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.3

6 1 Un conducteur actif dans la distribution électrique 1.1 Schéma général de distribution électrique Le schéma le plus courant de la distribution électrique en Basse Tension est de type triphasé, avec neutre distribué. Cette disposition permet à la fois l alimentation de charges triphasées non raccordées au neutre (moteurs, par exemple) et de charges monophasées courantes. Les niveaux de tension les plus utilisés en Europe sont de 4 V entre phases, et 23 V entre phases et neutre (cf. fig. 1 ). Le secondaire du transformateur d alimentation est donc généralement couplé en étoile, voire en zigzag. Le conducteur neutre est réglementairement de couleur bleu clair, quand il n est pas également utilisé comme conducteur de protection (PE, couleur vert/jaune). 1 4 V 4 V 2 4 V 23 V 23 V 3 23 V Fig. 1 : les tensions d alimentation en BT. 1.2 eutre, mais pas innocent Le conducteur neutre présente des particularités par rapport aux autres conducteurs de la distribution électrique. c Il a un rôle spécifique dans la définition des Systèmes des Liaisons à la Terre v il est en général possible et recommandé de le raccorder à la terre, v il peut être utilisé comme conducteur de protection. c Le conducteur neutre est un conducteur actif v il assure l alimentation des charges monophasées, v il assure la circulation des courants de déséquilibre, v il assure la circulation des courants harmoniques de rang 3 des charges non linéaires, v il est parcouru par des courants de défaut (défauts d isolement, surcharge, court-circuit). Lorsqu il est utilisé comme conducteur de protection, il est parcouru par des courants de fuite capacitive. Un certain nombre de précautions en découlent, dans la conception d une installation électrique : c le dimensionnement et la protection du conducteur neutre doivent suivre des règles précises ; c la continuité du conducteur neutre est impérative lorsqu il est utilisé comme conducteur de protection ; c la coupure du conducteur neutre est indispensable si son potentiel par rapport à la terre s élève et atteint un niveau dangereux. 1.3 Rappels sur les schémas des liaisons à la terre (dits «régimes de neutre») Ces rappels ont pour objectif de bien préciser le rôle spécifique tenu par le conducteur neutre dans la définition des Systèmes des Liaisons à la Terre -SLT-. Le choix d un schéma de liaisons à la terre répond à 2 objectifs : c la protection des personnes et des biens, c la continuité de service. Contre le risque de chocs électriques, les normes d installations ont défini les principes fondamentaux de la protection des personnes qui sont : c la mise à la Terre des masses des équipements et récepteurs électriques, c l équipotentialité des masses simultanément accessibles qui tend à éliminer les tensions de contact, c la coupure automatique de l alimentation électrique en cas de tensions ou de courants dangereux provoqués par la circulation du courant de défaut d isolement. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.4

7 Il existe, pour les réseaux BT, 3 types de SLT. Ils diffèrent par la mise à la terre ou non du point neutre de la source de tension et par le mode de raccordement des masses (cf. fig. 2 ). Le choix du régime de neutre dépend des caractéristiques de l installation et des conditions et impératifs d exploitation. Schéma TT Dans ce type de schéma (cf. fig. 2a), dit de «neutre à la terre» : c le neutre de la source est relié à une prise de terre distincte de celle des masses, c toutes les masses protégées par un même dispositif de coupure doivent être reliées au même système de mise à la terre. C est le cas typique de la distribution publique en France. La figure 3 indique le circuit parcouru par le courant en cas de défaut : la tension de contact sur la masse de l appareil en défaut atteint une valeur dangereuse. Le schéma TT impose donc la coupure au premier défaut d isolement. Le dispositif de coupure mis en œuvre est un Dispositif Différentiel à courant Résiduel (DDR). a - eutre à la terre (TT) PE c - Mise au neutre (T-S) PE R B R A R B b - Mise au neutre (T-C) PE d - eutre isolé (IT) PE R B R B Contrôleur permanent d'isolement Fig. 2 : les trois principaux schémas des liaisons à la terre ou SLT sont les schémas TT, T et IT, définis par la CEI Le T peut être soit T-C (neutre et PE confondus) soit T-S (neutre et PE distincts). DDR R B R A U d Fig. 3 : défaut d isolement avec schéma TT Avec un réseau 4 V/23V, R A et R B de 1 Ω, la tension de contact Ud est de 115 V! I d R d Schéma T Le principe de ce schéma dit de «mise au neutre» est de transformer tout défaut d isolement en court-circuit monophasé phase neutre. Dans ce type de schéma : c le point neutre BT de chaque source est relié directement à la terre, c toutes les masses de l installation sont reliées à la terre et donc au neutre : v par un seul conducteur (PE) de protection et de neutre avec le SLT T-C (conducteur Commun de protection et de neutre), (cf fig. 2b) ; v par les conducteurs de protection (PE) et de neutre () distincts avec le SLT T-S (conducteurs Séparés), (cf fig. 2c). Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.5

8 Le courant de défaut est équivalent à un courtcircuit Phase/eutre. Il génère une tension de contact dangereuse (cf. fig. 4 ). Le déclenchement du disjoncteur par une protection «court retard» ou un déclencheur magnétique est donc obligatoire (DPCC : Dispositif de Protection contre les Courts-Circuits). Le schéma T permet d utiliser les protections de surintensité habituelles pour protéger contre les défauts d isolement par déclenchement au premier défaut. L emploi de DDR permet de s affranchir des vérifications sur la valeur du courant en cas de défaut, mais il est totalement inadapté et exclus en schéma T-C. Le schéma T-C n est pas recommandé pour l alimentation des dispositifs électroniques en raison de la possible circulation de courants harmoniques dans le neutre, sujet abordé dans les chapitres suivants. Schéma IT Dans ce type de schéma dit «à neutre isolé», le neutre du transformateur est : c soit isolé de la terre (neutre isolé), c soit relié à la terre par une impédance élevée (neutre impédant). Toutes les masses de l installation sont reliées à la terre (cf. fig. 2d). En schéma IT, le premier défaut d isolement n impose pas le déclenchement, mais ce défaut doit être détecté au moyen d un Contrôleur Permanent d Isolement (CPI), et éliminé. Sinon un deuxième défaut survenant sur un autre conducteur actif provoque un court-circuit entre les conducteurs actifs concernés (cf. fig. 5 ). Le déclenchement est alors nécessaire pour éliminer la tension de contact dangereuse. Ce déclenchement est normalement obtenu par les protections de surintensité et parfois, selon la PE R B U d configuration du réseau, par des DDR protégeant des groupes de masses interconnectées. Avec le respect de cette obligation de rechercher et d éliminer le premier défaut, le schéma IT procure la meilleure continuité d alimentation. La distribution du neutre est déconseillée en IT. En effet, en cas de premier défaut (maintenu) la tension phase terre sur les phases saines est égale à la tension composée. Les appareils monophasés raccordés à ces phases sont alors soumis à des tensions d isolement phase masse supérieures à la normale, ce qui peut conduire à leur détérioration. (Exemple : alimentation de matériel informatique). La non distribution du neutre interdit le raccordement d appareils monophasés entre phase et neutre et évite donc ce risque. Dans le cas contraire, les appareils devront être spécifiés pour une tension d isolement égale à la tension entre phases. I d R d DPCC Fig. 4 : défaut d isolement en cas de schéma T-S. I d I d PE Contrôleur permanent d'isolement (CPI) Limiteur de surtension I d DPCC I d DPCC Ud2 R d2 U d1 R d1 R B Fig. 5 : courant de défaut en cas de double défaut avec le SLT IT et tensions dangereuses U d1 et U d2. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.6

9 1.4 Court-circuit phase neutre Le calcul du courant de court-circuit entre phase et neutre diffère légèrement du calcul du courant de court-circuit triphasé. La figure 6 représente schématiquement les 3 possibilités de courtcircuit dans une installation avec : V: tension simple (phase neutre) en sortie de transformateur, U: tension composée (entre phases) en sortie de transformateur, Z T : impédance d un enroulement du transformateur, Z L : impédance d un conducteur de phase, Z : impédance du conducteur de neutre, I cc_tri : courant de court-circuit triphasé, I cc_ph : courant de court-circuit entre phases, I cc_ph- : courant de court-circuit phase neutre. En général l impédance de raccordement du neutre du transformateur est négligeable, d où les équations : Z T Z T Z T Z L Z L Z L Z Triphasé 1 Phase-neutre Phase-neutre Fig. 6 : les possibilités de court-circuit sur un réseau triphasé. 2 3 V Icc_tri = (ZT + Z L) U V. 3 Icc_ph = = = 2(Z. T + Z L) 2(Z. T + Z L) V Icc_ph- = (ZT + ZL + Z ) 3 2 I cc_tri Si les conducteurs de phases et de neutre sont identiques, Z = Z L, et donc : V I cc_ph- = (Z T + 2.Z L) Pour de grandes longueurs de câbles, en particulier en distribution terminale, l impédance du transformateur est négligeable devant l impédance des conducteurs, et alors : V Icc_tri ZL 3 V Icc_ph. 2 ZL V Icc_ph- 2. ZL D où l inégalité : I cc_tri > I cc_ph > I cc_ph- Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.7

10 2 Règles traditionnelles de dimensionnement et de protection du neutre Les règles et indications exposées dans ce chapitre ont pour principales sources les normes de conception et de réalisation des installations BT : CEI 6364 et F C Section du conducteur neutre En régime sinusoïdal, le courant dans le conducteur neutre dépend du déséquilibre entre les charges monophasées raccordées entre phases et neutre. Charges équilibrées : le courant dans le conducteur neutre est nul (cf. fig. 7 ). Charges déséquilibrées : le courant dans le conducteur neutre n est pas nul comme illustré sur la figure 8 page ci-contre. Dans le cas de charges déséquilibrées de même nature, le courant dans le neutre est inférieur ou égal au courant phase le plus élevé (cf. fig. 9 page ci-contre). Dans le cas de charges déséquilibrées de nature différente sur chacune des phases (résistive, inductive, capacitive) il peut arriver que le courant neutre soit supérieur au courant dans chacune des phases. Ce cas de figure n est toutefois pas très courant dans la pratique. De plus, la présence d harmoniques (objet du chapitre suivant) dans le conducteur neutre est aussi un facteur important pour la détermination de sa section. La section du conducteur neutre, déterminée en fonction du courant véhiculé, peut être : c inférieure à la section des conducteurs de phases si les conditions suivantes sont remplies simultanément : v la section des conducteurs de phases doit être supérieure à 16 mm 2 Cuivre ou 25 mm 2 Aluminium, v la section du conducteur neutre doit être au moins égale à 16 mm 2 Cuivre ou 25 mm 2 Aluminium, v les charges alimentées en service normal sont supposées équilibrées, avec un taux d harmonique de rang 3 inférieur à 15 %, v le conducteur neutre doit être protégé contre les surintensités. i i 1 t i 2 i 3 i i t Fig. 7 : courants phases et courant neutre avec des charges linéaires équilibrées. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.8

11 Une pratique courante consiste à avoir un conducteur neutre de section «moitié» de la section des conducteurs de phases. c égale à la section des conducteurs de phases. C est le cas général, en particulier dans les circuits monophasés à 2 conducteurs, ou lorsque la section des conducteurs de phases est inférieure à 16 mm 2 Cuivre ou 25 mm 2 Aluminium. C est également vrai dans le cas d alimentation de charges non linéaires et que le taux d harmonique 3 se situe dans la fourchette de 15 à 33 %. c supérieure ou égale à la section des conducteurs de phases, dans le cas d alimentation de charges non linéaires et que le taux d harmonique 3 dépasse 33 %. L intensité dans le conducteur neutre est alors prépondérante pour la détermination de la section des conducteurs. i i 1 t i 3 i 2 i t Fig. 8 : courants phases et courant neutre avec des charges linéaires déséquilibrées. Dans un réseau triphasé il circule un courant de déséquilibre dû à l impossibilité d un équilibrage permanent parfait des charges monophasées. 1 A Ce courant est égal à : I = I1 + I2 +I3 2 A Il peut être très variable comme le montre l exemple ci-dessous : A Voire même supérieur au courant de phase si la phase 2 est coupée : I = 17,32 A 1 A 2 A 15 A 1 A 2 A Fig. 9 : importance des courants de déséquilibre dans le neutre. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.9

12 2.2 Coupure du conducteur neutre Les règles de coupure ou de non-coupure du conducteur neutre ont pour objet de limiter les risques d électrocution consécutifs à une élévation de son potentiel. En schéma T-C Le conducteur neutre a également le rôle de conducteur de protection (PE). Le maintien de sa continuité est donc impératif en toutes circonstances, et de fait interdit tout dispositif de coupure sur sa liaison. En schéma TT ou T-S Le neutre est relié à la terre à l origine de l installation. Dans des conditions normales, son potentiel se trouve voisin du potentiel de terre. Cependant, pour différentes raisons, le potentiel du conducteur neutre peut s éloigner sensiblement du potentiel de terre et atteindre des tensions dangereuses par rapport à la terre. La figure 1 illustre un phénomène possible : la circulation de courant dans le conducteur neutre provoque l élévation du potentiel du neutre au niveau d une charge, même si celle-ci n est plus reliée à la phase à la suite d une manœuvre ou d un déclenchement. De plus, une inversion de câblage entre phase et neutre au niveau d une charge étant toujours possible, la non-coupure de l une des polarités risque en fait de maintenir la tension phase appliquée à la charge. La coupure simultanée de la phase et du neutre est donc recommandée. Par ailleurs, en cas de défaut dans une partie de l installation (coupure accidentelle du conducteur neutre en amont, augmentation des impédances, défaut MT/BT, coup de foudre sur les lignes basse tension...), le potentiel du neutre au niveau des charges utilisatrices peut s élever de façon brutale et dangereuse. Ces risques sont particulièrement présents dans les étages d un immeuble de grande hauteur, où il est plus difficile de garantir la qualité des liaisons à la terre du fait de la longueur exceptionnelle du câblage. Il a déjà été mesuré sur une installation un cas extrême où le potentiel du neutre par rapport à la terre était de 8 V en fonctionnement normal. Ce cas présente un risque d électrocution. Afin de ne pas créer de situations dangereuses, il est donc vivement conseillé d appliquer la règle de coupure du neutre sans dérogation. En schéma IT Le conducteur neutre peut se trouver à un potentiel quelconque, même s il est généralement voisin du potentiel de terre. En présence d un défaut (par exemple une phase à la terre) le potentiel du neutre par rapport à la terre peut s élever jusqu à la tension simple. Pour la maintenance d une partie d installation réputée hors tension, donc a priori non dangereuse, le personnel d intervention peut cependant être en situation dangereuse si le conducteur neutre n est pas coupé. Pour ces raisons, il est impératif de couper le conducteur neutre dans tous les cas. Seule la coupure du neutre garantit l égalité des potentiels entre masse et terre après déclenchement. Recommandations importantes c Le neutre ne doit jamais être coupé seul : il doit être coupé après les phases et rétabli avant les phases. Le non respect de cette règle provoque, en régime triphasé déséquilibré, des surtensions sur les appareils monophasés : la tension entre phases pouvant être appliquée à un circuit conçu pour être alimenté par la tension simple (phase neutre). Ce risque est illustré sur la figure 11 page ci-contre. Z L I Z! Fig. 1 : élévation du potentiel du neutre. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.1

13 1 2 3 Z1 Z2 3 ' 2 Z3 Z3 << Z1 et Z2 1 individuel du neutre ou la coupure par appareils unipolaires (cf. CEI 6364). De plus, du fait des tensions mises en jeu, l appareillage de coupure du conducteur neutre devra avoir aussi les caractéristiques nécessaires au sectionnement, notamment une tension d isolement suffisante (exemple : tenue à une onde de choc de 12,3 kv en BT pour l appareillage industriel, selon la norme CEI 6947). c Pour être coupé le neutre doit être sûrement identifiable, c est pourquoi les normes d installation imposent son repérage par la couleur bleu clair et la lettre sur les bornes et les schémas. ota : Dans le cas d une distribution sans eutre, le conducteur de couleur bleue peut être utilisé en tant que phase, mais ceci n est pas recommandé. En ce qui concerne la position du pôle eutre dans l appareillage, elle n est que rarement précisée dans les normes, hormis par exemple en France dans la C , pour les disjoncteurs de branchement BT. Toutefois l habitude dans un grand nombre de pays européens, y compris en France, est de disposer les bornes de raccordement du eutre à gauche de celles des phases (cf. fig. 12 ). Fig. 11 : risque de surtension en cas de coupure du conducteur neutre. Si la charge connectée entre la phase 3 et le neutre est beaucoup plus importante que les charges des autres phases (1 et 2), en cas de rupture du conducteur neutre le point neutre artificiel se trouve porté à un potentiel voisin de celui de la phase 3. Les charges connectées entre les phases 1, 2 et se trouvent donc soumises aux tensions V1 et V2, voisines de V13 et V23. Il est donc vivement recommandé de couper ou de sectionner le neutre avec des appareillages omnipolaires afin d éviter le sectionnement Fig. 12 : le pôle du conducteur eutre est à gauche (disjoncteur Compact S1, marque Merlin Gerin). 2.3 Protection du conducteur neutre En schéma T-C Le conducteur de protection (PE) ne pouvant être coupé en aucune circonstance il n est pas possible de couper le conducteur () dans une installation de type T-C pour laquelle ces deux conducteurs sont confondus en un seul (PE). En conséquence, la section du neutre sera choisie de manière appropriée puisque la protection par coupure automatique n est pas applicable. En schéma TT ou T-S En cas de surcharge ou de court-circuit phase neutre sur un départ donné, le même courant de défaut parcourt les conducteurs de phase et du neutre. Deux cas sont donc à considérer : c Section du neutre égale à la section des phases La protection du neutre n est pas obligatoire. Le conducteur neutre est protégé par le dispositif de protection du conducteur de phase. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.11

14 c Section du neutre inférieure à la section des phases Un dispositif de protection contre les surcharges approprié à la section du conducteur neutre est obligatoire. En schéma IT En cas de double défaut, l un sur une phase, l autre sur le neutre, des départs de calibres différents peuvent être concernés (reliés par les défauts). La protection des seules phases n est pas une solution sûre : la protection de phase d un calibre supérieur sur un départ peut être inadaptée à la section du neutre de l autre départ. La protection et la coupure du neutre sont donc obligatoires, sauf cas particuliers (exemples : circuits monophasés, protection par DDR ). 2.4 Appareillage adapté à la coupure et à la protection du conducteur neutre Si les conditions précédentes sont remplies et si le neutre est repéré sans risque d erreur, il est possible, voire recommandé pour des raisons économiques, de ne pas le protéger. Dans les autres cas, les risques d inversion phase/neutre justifient la protection du neutre. Le cas des coupe-circuits Sauf cas très particuliers (utilisation de cartouches fusibles à percuteurs associés à un appareil de coupure), la fusion d un fusible placé sur un conducteur actif ne permet pas d interrompre le courant dans les autres conducteurs actifs : la coupure est unipolaire. Pour éviter la coupure du neutre seul, celui-ci ne devra donc jamais être protégé par fusible. De même, le conducteur neutre ne sera pas coupé automatiquement en cas de fusion d un fusible sur l une des phases. Le cas des disjoncteurs L appareillage bipolaire (Phase/Phase ou Phase/ eutre) ou tétrapolaire, permet de couper simultanément les phases et le neutre pour mettre un circuit hors tension. Les appareils phase/neutre, dont seule la phase est protégée, sont plus économiques et moins volumineux, mais nécessitent un repérage sans faille du neutre (cf. fig. 13 ). Le cas des DDR Les DDR sont considérés comme des appareils apportant une grande sûreté de fonctionnement d une installation électrique : ils participent à la protection contre les contacts directs et indirects, ainsi qu à la protection incendie. De plus, une inversion entre phase et neutre au niveau des DDR n affecte pas leur fonctionnement. Toutes ces fonctions réunies dans un même dispositif font que les DDR sont recommandés dans les nouvelles installations comme lors des extensions. Le cas des appareils de coupure d urgence Pour assurer une mise hors tension rapide d un circuit, la coupure omnipolaire (de tous les conducteurs actifs y compris le neutre) est recommandée au niveau de l appareil de coupure ou de l arrêt d urgence. Le cas du contrôle commande Pour les appareillages (contacteurs, télérupteurs, interrupteurs, délesteurs, régulateurs...) non destinés à la protection mais employés pour la commande ou le contrôle de charges (machines, éclairages), la coupure du neutre n est pas imposée par la normalisation. Toutefois, lorsque des contacts auxiliaires des appareils de protection sont utilisés pour réaliser des fonctions logiques ou de signalisation, il est parfois difficile de prédire le potentiel de chacun des conducteurs en situation de défaut (surtout dans un schéma triphasé). Dans ce cas, la coupure du neutre est aussi recommandée. Fig. 13 : «Déclic» disjoncteur Phase eutre avec identification du pôle neutre (Marque Merlin Gerin). Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.12

15 3 Et vinrent les harmoniques 3.1 Charges non linéaires monophasées Une part croissante de l électricité est consommée par des charges électroniques non linéaires monophasées (éclairage fluorescent à ballast électronique, appareils électroniques domestiques, informatique, variateurs de vitesse ). Ces appareils disposent en général d une alimentation à découpage, dont le schéma d entrée le plus répandu est du type redresseur monophasé à diodes avec filtrage capacitif (cf. fig. 14 ). La forme d onde de courant et son spectre harmonique typique sont représentés sur les figures 15 et 16. % Charge Fig. 14 : redresseur monophasé avec filtrage capacitif. Le courant absorbé par ces charges est constitué d impulsions positives et négatives, en synchronisme avec les crêtes de la tension réseau. De ce fait, sa composante harmonique de rang 3 peut atteindre 85 % du fondamental Rang Fig. 16 : spectre harmonique du courant phase. Ici le taux de distorsion (THD) est de 11 %, le taux d harmonique 3 (i 3 ) est de 85 %. Tension réseau Courant ligne t Fig. 15 : allure du courant. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.13

16 Le tableau de la figure 17 donne des exemples d appareils monophasés générateurs de courants harmoniques, et leurs principales caractéristiques typiques. Type d appareil P (W) I L (A) i 3 (%) Micro-ordinateur 6,5 85 Micro-ordinateur + imprimante active 3 1,45 35 Photocopieur en veille 7,32 65 Photocopieur actif Tube fluo à ballast magnétique 36,2 25 Tube fluo à ballast électronique 36,16 1 Ballon fluorescent 25 1,4 1 Lampe fluo compacte 25,2 8 Moteur avec variateur de vitesse P (W) : puissance active consommée I L (A) : valeur efficace du courant absorbé i 3 (%) : taux de courant harmonique de rang 3 Fig. 17 : les principaux générateurs d harmoniques de rang 3 dans les installations industrielles et tertiaires. 3.2 Charges monophasées dans un système triphasé Dans un système simplifié constitué d une source triphasée équilibrée et de trois charges monophasées identiques, connectées entre phases et neutre (cf. fig. 18 ) considérons deux cas particuliers : v celui de trois charges linéaires, v celui de trois charges non linéaires. c Dans le cas de charges linéaires, les courants constituent un système triphasé équilibré. La somme des courants de phases est nulle, ainsi donc que le courant dans le neutre. c Dans le cas de charges non linéaires, les courants de phases ne sont pas sinusoïdaux et contiennent donc des harmoniques, en particulier de rang multiple de 3. Les courants des trois phases étant égaux, les courants harmoniques, de rang 3 par exemple, ont la même amplitude et peuvent s écrire sous la forme : ir3 I3. sin 3. ωt 2π is3 = I3. sin 3. ωt = I. sin ( t ) = i 3 3ω 2π 3 = ( ) 4π it3 = I3. sin 3. ωt = I3. sin ( 3ωt 4π) = i 3 Dans cet exemple, les courants harmoniques de rang 3 des 3 phases sont donc identiques. Le courant dans le neutre étant égal à la somme des courants des phases, la composante de rang 3 du courant neutre est donc égale à la somme des composantes de rang 3, soit : r3 r3 Source i Charge Fig. 18 : charges monophasées. i t i s Charge i r Charge D une manière générale, pour des charges équilibrées, les courants harmoniques de rang multiple de 3 sont en phase et s additionnent arithmétiquement dans le conducteur neutre, alors que les composantes fondamentales et les harmoniques de rang non multiple de 3 s annulent. Les courants harmoniques 3 sont des courants homopolaires qui circulent en phase dans les 3 phases. i n3 = 3.i r3 Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.14

17 3.3 Courant dans le conducteur neutre dans un système triphasé La figure 19 réunit plusieurs courbes représentant les courants circulant dans les phases de 3 charges monophasées non linéaires identiques (comme décrites en 3.1), et connectées entre phases et neutre. Le courant résultant dans le conducteur neutre, somme des trois courants de phase, est également représenté. i r t i s t i t t i t Fig. 19 : courants phases et neutre alimentant 3 charges monophasées non linéaires identiques. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.15

18 Les spectres harmoniques des courants phases et neutre sont représentés sur les figures 2 et 21. Ces diagrammes montrent que le courant neutre ne contient que des composantes de rang impair multiple de 3 (soit : 3, 9, 15...), dont les amplitudes sont 3 fois supérieures à celles des courants de phase. Le rang 3 est bien sûr prépondérant et les autres composantes de rang multiple de 3 (soit : 9, 15 ) contribuent très peu à la valeur efficace. Le courant neutre est donc pratiquement égal à 3 fois le courant harmonique 3 de chaque phase, soit : I 3.I 3 Le courant neutre considéré ici est le résultat de la recombinaison des courants des circuits monophasés. Dans les installations électriques, il concerne donc en premier lieu les systèmes de répartition (triphasé vers monophasé) et les dispositifs dits «têtes de tableau». Ce phénomène concerne uniquement les circuits triphasés, les courants phase et neutre dans les circuits monophasés étant bien sûr identiques. Calcul de la valeur efficace maximale du courant neutre Supposons, comme sur la figure 19, que les ondes de courant des 3 phases ne se chevauchent pas. Sur une période T du fondamental, le courant d une phase est constitué d une onde positive et d une onde négative, séparées d un intervalle où le courant est nul. La valeur efficace du courant ligne peut être calculée par l expression : T 1 2 I L =. l. T i dt La valeur efficace du courant neutre peut être calculée sur un intervalle égal à T/3. Sur cet intervalle, le courant neutre est également constitué d une onde positive et d une onde négative, identiques à celles du courant phase. La valeur efficace du courant neutre peut donc être calculée de la manière suivante : I = I = T / 3 1. i 2 n. dt T / 3 T / i 2 n. dt T T/ 3 T et comme : i 2 2 n. dt = il. dt alors : I T = 1.. l.. I T i 2 3 dt = 3 Le courant dans le conducteur neutre a donc ici une valeur efficace e fois supérieure à celle du courant dans une phase. Lorsque les ondes de courant des 3 phases se chevauchent (cf. fig. 22 et 23 page suivante), la valeur efficace du courant dans le neutre est inférieure à e fois la valeur efficace du courant dans une phase. De même, lorsque les charges comportent une part de circuit linéaire, le courant absorbé ne présente pas de palier nul (cf. fig. 24 ci-contre), et la démonstration fournie ci-dessus ne s applique pas. La valeur efficace du courant dans le neutre est alors strictement inférieure à e fois la valeur efficace du courant dans une phase. L % % Rang Rang Fig. 2 : spectre du courant phase. Fig. 21 : spectre du courant neutre. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.16

19 Le facteur e ne peut donc être obtenu qu en cas d alimentation exclusive de charges, telles que décrites en 3.1, identiques sur les 3 phases. La puissance de ces dispositifs étant relativement faible (en général quelques dizaines de watts chacun), ceci ne peut donc concerner que des départs de faible intensité. Le courant neutre peut alors dépasser le courant phase, mais sur des départs peu chargés. Il n y a donc pas de dépassement de la capacité du conducteur neutre, si sa section est égale à celle des phases. i i s i t i r t Fig. 22 : courants dans les 3 phases, avec chevauchement. i t Fig. 23 : courant dans le neutre, avec chevauchement. i t Fig. 24 : courant absorbé par une charge avec circuits linéaire et non-linéaire. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.17

20 3.4 Taux de charge du conducteur neutre Le courant dans le neutre peut donc dépasser le courant de chaque phase dans des installations telles celles possédant un grand nombre de dispositifs monophasés (équipements informatiques, éclairage fluorescent). C est le cas dans les immeubles de bureaux, centres de calcul, Internet Data Centers, centres d appels téléphoniques, banques, salles de marchés, zones d éclairage en Grande Distribution Cette situation n est pas générale, en raison de l alimentation simultanée de charges linéaires et/ ou triphasées (chauffage, ventilation, éclairage incandescent ) ne générant pas de courant harmonique de rang 3. Une attention particulière doit cependant être apportée aux sections des conducteurs neutre, pour leur détermination lors de la conception d une nouvelle installation, ou pour leur adaptation lors d un changement des charges alimentées. Une approche simplifiée permet d estimer le taux de charge du conducteur neutre. Comme indiqué en 3.3, pour des charges équilibrées, le courant dans le neutre I est très voisin de 3.I 3, soit : I 3.I 3 qui peut s écrire : I 3.i 3.I 1 Pour de faibles valeurs de distorsion, la valeur efficace du courant est proche de la valeur efficace du fondamental, donc : I 3.i 3.I L d où : I /I L 3.i 3 (%) Cette équation lie tout simplement le taux de surcharge du neutre (I /I L ) au taux de courant harmonique de rang 3. Elle permet d observer, en particulier, que lorsque ce taux atteint 33 %, le courant dans le conducteur neutre est égal au courant dans les phases. Pour des valeurs quelconques de distorsion, des simulations ont permis d obtenir une loi moins approximative, présentée sur la figure 25. I / I L 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4, Fig. 25 : taux de charge du conducteur neutre en fonction du taux d harmonique 3. i 3 (%) Sans information détaillée sur les émissions d harmoniques des appareils installés, une autre approche simplifiée consiste à lier directement le taux de charge du conducteur neutre au pourcentage de charges électroniques. La courbe de la figure 26 a été établie compte tenu d un taux de courant harmonique 3 généré par les charges électroniques égal à 85 %. I / I L 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4, i 3 (%) Fig. 26 : surcharge du conducteur neutre en fonction du pourcentage de charges non linéaires. Dans les installations de forte puissance (ordre de grandeur : P > 1 kva ou I > 15 A), plusieurs facteurs contribuent à réduire la surcharge du neutre : c de plus en plus d équipements informatiques (stations de travail, serveurs, routeurs, ASI ) utilisent des circuits de compensation du facteur de puissance (Power Factor Correction -PFC-) pour réduire considérablement les harmoniques de rang 3 générés ; c les installations de chauffage, ventilation, climatisation des bâtiments de grande taille sont alimentées en triphasé, elles ne contribuent donc pas à la génération d harmoniques de rang 3 ; c les dispositifs d éclairage fluorescent (à ballasts magnétiques ou électroniques) génèrent proportionnellement moins d harmoniques de rang 3, et ceux-ci compensent partiellement les harmoniques générés par les équipements informatiques. Ce foisonnement des charges est d autant plus important que la puissance de l installation est importante. Sauf cas exceptionnel, le taux d harmonique dans ces installations ne dépasse pas 33 % et le courant dans le conducteur neutre ne dépasse pas le courant dans les phases. Il n est donc pas nécessaire de surdimensionner le conducteur neutre par rapport aux conducteurs de phases. (cas des conducteurs unipolaires). Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.18

21 3.5 Effet des courants harmoniques sur les canalisations électriques La circulation de courants harmoniques provoque un échauffement supplémentaire des canalisations électriques, pour plusieurs raisons : c échauffement du conducteur neutre par la circulation de courants harmoniques de rang 3, alors que ce conducteur n est normalement parcouru par aucun courant en régime sinusoïdal équilibré, c échauffement supplémentaire de tous les conducteurs par augmentation de l effet de peau et des pertes par courants de Foucault, résultant de la circulation de tous les rangs d harmoniques. Dans le cas des Canalisations Electriques Préfabriquées -CEP-, des mesures d échauffement ont permis de déterminer le facteur de déclassement à appliquer. La figure 27 indique les courants maximaux admissibles dans les conducteurs de phase et de neutre, en fonction du taux d harmonique (I max = k.i nominal ). Par exemple, les courants maximaux admissibles dans une canalisation de calibre 1 A avec circulation de courants harmoniques tels que i 3 =5%est de : v courant phase maximal : 77 A, v courant neutre maximal : 98 A. Le choix du calibre de la canalisation doit bien sûr tenir compte de l intensité possible dans le conducteur neutre, mais une canalisation dont les conducteurs ont tous la même section est parfaitement adaptée à cette situation. k 1,4 1,2 1,,8,6,4, I phase I neutre i 3 (%) Fig. 27 : courants phases et neutre admissibles dans une CEP. L utilisation d un conducteur neutre de section double ou en cuivre à la place de l aluminium n apporte pas d amélioration sensible. En effet, les pertes dans le conducteur neutre, même réduites par ces constructions particulières, contribuent sensiblement à l échauffement global de la canalisation. Un déclassement est donc tout de même nécessaire. 3.6 Estimation du taux d harmonique 3 La section du conducteur neutre dépend de l estimation du taux d harmonique 3 dans l installation. Dans l impossibilité d effectuer des mesures sur site (conception d une installation neuve, par exemple), deux démarches sont envisageables : l une simplifiée, l autre plus rigoureuse. Démarche simplifiée A partir de la nomenclature et des caractéristiques des charges raccordées dans l installation, calculer : c la somme des courants phases de toutes les charges, mono et triphasées, soit I ph (A) ; c la somme des courants harmoniques 3 des charges électroniques monophasées seules, soit I 3 (A) ; c le taux d harmonique 3 : i3(%) = 1. I 3 Iph Démarche plus rigoureuse Pour obtenir une estimation plus précise du taux d harmonique 3, une démarche plus rigoureuse doit tenir compte de facteurs supplémentaires : c facteur de puissance des charges, c facteur de simultanéité de fonctionnement, c foisonnement de phase des courants harmoniques de rang 3, c spectre réel des charges installées (et non un spectre typique). La description détaillée d une telle démarche sort du cadre de ce document. Exemple (démarche simplifiée) Dans un bâtiment de bureaux, les charges alimentées par phase sur chaque départ sont relevées dans le tableau de la figure 28 page suivante. A noter que pour simplifier, le courant harmonique 3 est obtenu en multipliant le taux d harmonique 3 par le courant efficace (et non le courant fondamental, en général inconnu). Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.19

22 Type de charge ombre Courant unitaire Courant Taux Courant efficace absorbé efficace total d harmonique 3 harmonique 3 total (A) (A) (%) (A) Micro-ordinateur 1, ,25 Micro-ordinateur 5 1,45 7,3 35 2,55 + imprimante Photocopieur 2,32,64 65,42 en veille Tubes fluo, avec 2, ballast magnétique Chauffage 1 1 Total 27 8,2 Fig. 28 : courants d alimentation des charges présentes dans un immeuble de bureaux. Le calcul donne un taux d harmonique 3 global égal à : i 3 (%) = 1 x 8,2 =, 3 27 Remarque : Un taux d harmonique 3 élevé (> 33 %) peut se rencontrer dans une zone où de nombreux appareils identiques sont alimentés par la même ligne (cas de l alimentation d un ensemble de PC). Dans cette zone, le courant neutre peut alors dépasser le courant phase. Par contre, si en amont l appareillage de tableau et les conducteurs sont dimensionnés pour une puissance supérieure, le risque de surcharge du neutre à ce niveau est très faible. Si dans l exemple qui précède, l installation est calibrée à 4 A, le taux d harmonique 3 ramené à cette valeur de courant n est plus que de 2 %. 3.7 Dimensionnement des constituants d une installation Le taux d harmonique 3 a un impact sur le courant dans le neutre et donc sur le dimensionnement de toutes les composantes d une installation : c tableaux de distribution, c appareillage de protection et de répartition, c câbles et canalisations. Suivant le taux estimé d harmonique 3, trois cas sont possibles : taux inférieur à 15 %, de 15 à 33 %, et taux supérieur à 33 %. Taux d harmonique 3 inférieur à 15 % (i 3 i 15 %) Le conducteur neutre est considéré comme non chargé. La section des conducteurs de phases est fonction seulement du courant dans les phases. La section du conducteur neutre peut être inférieure à la section des phases si la section est supérieure à 16 mm 2 en Cuivre ou 25 mm 2 en Aluminium. La protection du neutre n est pas nécessaire, sauf si la section du neutre est inférieure à celle des phases. Taux d harmonique 3 compris entre 15 et 33 % (15 < i 3 i 33 %), ou en l absence d information sur le taux d harmoniques Le conducteur neutre est considéré comme chargé. Le courant d emploi des canalisations multipolaires doit être réduit d un facteur,84 (ou inversement : choisir une canalisation dont le courant d emploi est égal au courant calculé, divisé par,84). La section du neutre doit être impérativement égale à la section des phases. La protection du neutre n est pas nécessaire. c Exemple de calcul dans le cas d une CEP v Hypothèse de dimensionnement : Courant phase calculé = 1 A Taux d harmonique 3 (i 3 ) = 2 % Courant neutre calculé (pour i 3 = 2 %) = 6 A (voir figure 25). Dans ce cas, le calibre de la CEP est déterminé en fonction du courant d emploi dans les phases (I ph > I ). Courant d emploi de la canalisation adaptée = 119 A (= 1 A/,84). v Choix de la CEP et des protections Calibre de la canalisation adaptée = 125 A (1 er calibre catalogué > 119 A). Calibre du disjoncteur de protection = 125 A (idem calibre de la canalisation). Le seuil de déclenchement de surcharge de phases et de neutre est réglé pour le courant phase calculé soit 1 A. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.2

23 ota : le facteur,84 est donné par la norme F C 15-1, la CEI préconise un facteur de,86. Taux d harmonique 3 supérieur à 33 % (i 3 > 33 %) Ce cas rare correspond à un taux d harmoniques particulièrement élevé, provoquant la circulation d un courant dans le neutre supérieur au courant dans les phases. Le dimensionnement du conducteur neutre doit donc être réalisé avec précautions. Dans le cas général, le courant d emploi des conducteurs de phases doit être réduit d un facteur,84 (ou inversement : choisir une canalisation dont le courant d emploi est égal au courant calculé, divisé par,84). De plus, le courant d emploi du conducteur neutre doit être égal à 1,45 fois le courant d emploi des conducteurs de phases. Soit 1,45 /,84 fois le courant phase calculé, donc environ 1,73 fois le courant phase calculé. La méthode recommandée consiste à adopter une canalisation multipolaire où la section du neutre est égale à la section des phases. Le courant du conducteur neutre est alors prépondérant pour la détermination de la section des conducteurs. La protection du neutre n est pas nécessaire, mais en cas de doute sur le taux de charge du conducteur neutre, sa protection est recommandée. Cette approche est en particulier adoptée en distribution terminale, où les câbles multipolaires ont des sections identiques pour les phases et le neutre. Avec les CEP, la connaissance précise des échauffements en fonction des courants harmoniques permet d aboutir à une approche moins conservatrice. Le calibre d une CEP peut être choisi directement en fonction du courant neutre calculé. c Exemple de calcul dans le cas d une CEP v Hypothèse de dimensionnement : Courant phase calculé = 1 A Courant neutre calculé (pour i h3 = 5 %) = 13 A (voir figure 25). Le calibre de la CEP est déterminé en fonction du courant neutre admissible (I ph < I ). v Choix de la CEP et des protections Calibre de la canalisation adaptée = 16 A (1 er calibre catalogué > 13 A) Calibre du disjoncteur de protection = 16 A (idem calibre de la canalisation) Le seuil de déclenchement de surcharge des phases est réglé pour le courant phase calculé soit 1 A. Le neutre est non protégé (disjoncteur en configuration 4P-3D). Une autre méthode consiste à adopter une section du conducteur neutre supérieure à celle des phases. Une solution communément adoptée pour faire évoluer une installation existante consiste à doubler le conducteur neutre («neutre à 2 %»). Les appareils de protection et commande (disjoncteur, interrupteurs, contacteurs ) doivent alors être dimensionnés en fonction du courant dans le neutre. c Dans le cas des câbles unipolaires, il peut être plus économique de choisir des conducteurs de phases de section inférieure à la section du conducteur neutre. La protection des câbles peut être assurée par un disjoncteur dont le seuil de déclenchement sur le neutre est supérieur et proportionnel au seuil de déclenchement sur les phases (disjoncteur avec neutre renforcé, «oversized neutral»). Exemple : Disjoncteur de calibre 4 A. Seuil de déclenchement sur un pôle de phase = 15 à 25 A. Seuil de déclenchement sur le pôle neutre = 24 à 4 A. 3.8 Harmoniques et Schémas des Liaisons à la Terre Dans le cas du régime de neutre TC, un seul conducteur (PE) assure en principe l équipotentialité des masses (la protection) en cas de défaut terre et le transit des courants de déséquilibre. En réalité, la circulation de courants harmoniques dans ce conducteur pose certains problèmes. c Au travers de l impédance du PE, les courants harmoniques créent de petites différences de potentiel entre appareils (de l ordre de quelques volts), qui peuvent entraîner des dysfonctionnements de communication entre des équipements électroniques. c Ces courants «vagabondent» de manière aléatoire et permanente dans les structures du bâtiment, et perturbent les récepteurs sensibles par rayonnement. c Le PE ne peut être protégé contre les surcharges. c Enfin, la circulation de courants harmoniques dans le neutre entraîne une chute de tension dans le PE créant des différences de potentiel entre les masses reliées au PE, ce qui peut présenter un danger. Le régime de neutre TC doit donc être réservé à l alimentation des circuits de puissance, en tête d installation, et est à proscrire dans le cas de l alimentation de charges sensibles (équipements informatiques par exemple) avec circulation de courants harmoniques. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.21

24 3.9 Comment gérer les harmoniques impactant le neutre Plusieurs dispositions peuvent être prises pour éliminer ou réduire les effets des courants harmoniques, en particulier de rang 3. Adaptations de l installation Les principales solutions pour éviter la surcharge du conducteur neutre sont les suivantes : c Utiliser un conducteur neutre séparé pour chaque phase. Solution rarement mise en œuvre car peu économique. c Doubler le conducteur neutre. Le courant dans le neutre ne pouvant pas dépasser 1,73 fois le courant dans chaque phase, ceci est une solution technologique simple dans une installation ancienne. c Utiliser des canalisations de calibre adapté au courant dans le neutre, qui peut être le courant prépondérant (cf. 3.5) Transformateur triangle étoile Ce couplage est couramment utilisé en distribution, pour éliminer la circulation de courants harmoniques de rang 3 dans les réseaux de distribution et de transport. A noter que cette élimination n est totale que si les charges au secondaire sont parfaitement équilibrées. Dans le cas contraire, les courants harmoniques de rang 3 des 3 phases ne sont pas égaux, et ne se compensent pas totalement aux sommets du triangle. colonne au secondaire n est pas totale. Un courant harmonique de rang 3 doit donc circuler dans l enroulement primaire et dans la ligne d alimentation. Réactance à couplage zigzag Le schéma de principe de cette réactance est illustré sur la figure 29. Comme dans le cas d un transformateur zigzag, on voit aisément sur cette figure que les ampères-tours sur une même colonne s annulent. Il en résulte que l impédance parcourue par les courants d harmonique 3 est très faible (inductance de fuite du bobinage seulement). La réactance zigzag procure donc un chemin de retour de faible impédance aux courants homopolaires, et harmoniques de rang 3 et multiple de 3. Elle réduit donc le courant i circulant dans le neutre de l alimentation, comme illustré figure 3, dans le cas de charges monophasées. i 3 i 3 i 3 Transformateur à secondaire en zigzag Ce couplage est également utilisé en distribution et présente le même intérêt que le couplage triangle étoile. A noter que l élimination des courants harmoniques de rang 3 n est totale que si les charges sont parfaitement équilibrées. Dans le cas contraire, les courants harmoniques de rang 3 des trois phases ne sont pas égaux, et la compensation des ampères-tours sur une même i 3i 3 Fig. 29 : réactance zigzag. i ' I h i i ' i t Fig. 3 : courants neutre i avec et i sans utilisation d une réactance zigzag. Cahier Technique Schneider Electric n 212 / p.22

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