Cahier technique n 141

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1 Collecion Technique... Cahier echnique n 141 Les perurbaions élecriques en BT R. Calvas

2 Les Cahiers Techniques consiuen une collecion d une cenaine de ires édiés à l inenion des ingénieurs e echniciens qui recherchen une informaion plus approfondie, complémenaire à celle des guides, caalogues e noices echniques. Les Cahiers Techniques apporen des connaissances sur les nouvelles echniques e echnologies élecroechniques e élecroniques. Ils permeen égalemen de mieux comprendre les phénomènes renconrés dans les insallaions, les sysèmes e les équipemens. Chaque Cahier Technique raie en profondeur un hème précis dans les domaines des réseaux élecriques, proecions, conrôle-commande e des auomaismes indusriels. Les derniers ouvrages parus peuven êre éléchargés sur Inerne à parir du sie Schneider Elecric. Code : hp:// Rubrique : Le rendez-vous des expers Pour obenir un Cahier Technique ou la lise des ires disponibles conacez vore agen Schneider Elecric. La collecion des Cahiers Techniques s insère dans la «Collecion Technique» de Schneider Elecric. Averissemen L'aueur dégage oue responsabilié consécuive à l'uilisaion incorrece des informaions e schémas reproduis dans le présen ouvrage, e ne saurai êre enu responsable ni d'évenuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informaions e schémas conenus dans ce ouvrage. La reproducion de ou ou parie d un Cahier Technique es auorisée après accord de la Direcion Scienifique e Technique, avec la menion obligaoire : «Exrai du Cahier Technique Schneider Elecric n (à préciser)».

3 n 141 Les perurbaions élecriques en BT Roland CALVAS Ingénieur ENSERG 1964 (Ecole Naionale Supérieure d Elecronique e Radioélecricié de Grenoble) e diplômé de l Insiu d Adminisraion des Enreprises, il es enré chez Merlin Gerin en Lors de son parcours professionnel, il a éé responsable commercial, puis responsable markeing de l acivié proecion des personnes conre le risque élecrique. CT 141(e) édiion mai 2001

4 Lexique Coupure : absence plus ou moins longue de la ension. Creux de ension : baisse de la ension de plus de 10 %, suivie d un reour dans la plage de variaion normale. M. L. I. : Modulaion de Largeur d Impulsion (PWM en anglais : Pulse Widh Modulaion). Perurbaion élecrique : ou phénomène perurbaeur qui fai sorir l onde de ension (ou de couran) du seceur de ses caracérisiques nominales. Perurbaion élecromagnéique : ou phénomène perurbaeur de naure élecrique, magnéique ou élecrosaique qui peu affecer le seceur e / ou le foncionnemen des appareils élecriques e élecroniques. r. m. s. : «roo mean square», en français «valeur efficace». Régime du neure : Voir schéma des liaisons à la erre. Schéma des Liaisons à la Terre (SLT) : Encore parfois appelé «régime du neure». La norme CEI (en France la NF C ) officialise rois principaux schémas des liaisons à la erre qui définissen les raccordemens possibles du neure, de la source, e des masses, à la erre ou au neure. C es en foncion du SLT reenu pour un réseau que son définies les proecions élecriques nécessaires. Surension : dépassemen plus ou moins long de Un+10%. Surension brève : onde de ension ransioire caracérisée par une monée rapide suivie d une décroissance plus lene généralemen de caracère périodique. Surension rès brève : onde de ension ransioire caracérisée par une monée rapide suivie d une décroissane plus lene, généralemen périodique. Tension impulsionnelle : impulsion de durée inférieure à 10 ms superposée à la ension sinusoïdale. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.2

5 Les perurbaions élecriques en BT Les réseaux BT son rès pollués e soumis à de muliples agressions. Les maériels élecroechniques, mais surou les appareils élecroniques qui son de plus en plus nombreux e raien des signaux de plus en plus bas, doiven résiser à un environnemen élecromagnéique sévère. E dans le même emps les exigences de disponibilié, que ce soi pour la producion, la gesion ou le commerce, son de plus en plus fores. Pour améliorer la qualié du «produi élecricié» e évier les dysfoncionnemens voire des desrucions de composans du réseau élecrique e / ou de récepeurs sensibles, il es indispensable de comprendre l origine des perurbaions e d en apprécier les risques. Voilà ou l obje de ce Cahier Technique. Il es une inroducion au vase domaine de la compaibilié e de l immunié élecromagnéique du 50 Hz jusqu aux fréquences radioélecriques. Dans ce ouvrage l aueur raie de ous les paramères e de leurs principales «anomalies» qui permeen de caracériser une alimenaion élecrique : c Ampliude : variaions - coupures - creux - surensions, c Fréquence : variaions, c Forme d onde : harmoniques - ransioires - courans poreurs, c Phase : déséquilibre, c Puissance : cours-circuis - surcharges (effes sur la ension). Sommaire 1 Les ensions indusrielles BT 1.1 Les ensions nominales p La fréquence p. 4 2 Les perurbaions d ampliude 2.1 Les creux de ension e les coupures brèves p Les surensions p. 9 3 Les perurbaions de l onde sinusoïdale 3.1 Les généraeurs p Les ransformaeurs p Les récepeurs p Les alimenaions à découpage p Les fours indusriels p Les courans poreurs p Les effes des perurbaions p Les perurbaions pariculières 4.1 Les déséquilibres de couran e ension p. 19 aux sysèmes polyphasés 4.2 Les déséquilibres de phase p Les perurbaions élecromagnéiques 5.1 Champs e rayonnemens p Décharges élecrosaiques p Conclusion p. 23 Annexe 1 : ransmission des surensions à ravers les ransformaeurs p. 24 Annexe 2 : la ferrorésonance p. 25 Annexe 3 : bibliographie p. 26 Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.3

6 1 Les ensions indusrielles BT Tous les réseaux subissen, ou son à l origine, des perurbaions. Or, des récepeurs, mais aussi les appareils de conrôle-commande e de proecion, son sensibles à la qualié de la ension qui leur es appliquée. La connaissance e la prise en compe de ces conraines d alimenaion en énergie élecrique s avèren donc bien nécessaires : c les consruceurs de maériels élecroechniques e élecroniques desinés à un marché mondial doiven prendre en compe des olérances qui varien selon les pays, c les bureaux d éudes e les insallaeurs doiven aussi prendre en compe ces phénomènes dès la concepion des réseaux, e selon les besoins de leurs cliens rouver des soluions echniques au niveau des schémas de disribuion e de l appareillage. Rappelons que les insallaions Basse Tension son soumises à la norme CEI (en France la NF C ). 1.1 Les ensions nominales Le domaine de la BT concerne les ensions : c alernaives : i V (fréquence i 10 khz), c coninues i V. Aussi appelées «ensions assignées», elles son définies dans la publicaion CEI de La plus usiée des ensions de la BT es «230/400 V», en France elle a éé officialisée par l arrêé du 29/05/86. Dans le monde, e jusqu en 2003, on rouvera encore diverses ensions nominales : c Européenne : 220/380 V, 50 Hz, c Anglaise : 240/415 V, 50 Hz, c USA : 120/240 V e 480 V, 60 Hz, c Japon : 100/200 V, 50 e 60 Hz. Mais ces ensions varien auour de la ension nominale en foncion de la srucure e de la charge du réseau (longueur des conduceurs e variaion de la charge) e des sysèmes régulaeurs du réseau public (ou privé). En Europe, la norme EN indique qu en exploiaion normale, pour chaque période d une semaine, 95 % des valeurs efficaces moyennées sur 10 minues doiven se siuer dans la plage Un ± 10 %. A ire d exemple, en France, EDF annonce une plage de variaion de ± 10 % mais adme, que emporairemen, les ensions puissen s écarer de plus de 20 % de la ension nominale. De plus ces variaions son à associer à la noion de durée, exemples : c permanen Un ± 10 %, c cinq minues Un ± 20 %. Dans les pays en voie de développemen, il es possible d observer fréquemmen des variaions plus fores que ± 20 %. 1.2 La fréquence En ce qui concerne la fréquence, les variaions lenes auour de la valeur nominale 50 ou 60 Hz son généralemen faibles. Dans les pays européens, don les réseaux son inerconnecés, la norme EN précise 50 Hz ± 1 % pendan 95 % d une semaine, e [+ 4 %, - 6 %] en cas de perurbaion rès imporane. Ces variaions peuven êre bien plus imporanes pour des réseaux auonomes, par exemple sur une île. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.4

7 2 Les perurbaions d ampliude Les réseaux son perurbés, par des variaions de charge en exploiaion normale, mais surou par des phénomènes aléaoires don l origine es accidenelle, cours-circuis par exemple. Un réseau BT es soumis à ces deux causes de perurbaions quelle que soi leur origine (BT, MT, ou HT). Les deux principales perurbaions de l ampliude son : c les creux de ension e coupures brèves, c les surensions. 2.1 Les creux de ension e les coupures brèves Le creux de ension es généralemen défini comme une baisse de 10 % à près de 100 % de la valeur nominale de la ension pendan un emps compris enre 10 ms e quelques secondes (cf. fig. 1 ). Lorsque la ension es absene (baisse de ension de 100 %) pendan 1 s à 1 mn on parle de «coupure brève», e enre 10 ms e 1 s de «coupure rès brève». Lorsque la durée es i 10 ms, la coupure es généralemen due à des «phénomènes ransioires» ou volonaires, par exemple à l emploi de gradaeurs. Perurbaions dues à l exploiaion des réseaux HT e MT c Les modificaions volonaires de la géomérie d un réseau provoquen des coupures brèves qui peuven aeindre plusieurs secondes. Mais les réseaux de disribuion maillés son moins sensibles à ce phénomène. c La mise sous ension de gros ransformaeurs provoque des creux de ension évoluifs dus aux courans d enclenchemen. Le ableau de la figure n 2 donne, à ire d exemple, le couran de mise sous ension des ransformaeurs MT/BT. Il en es de même lors de la mise sous ension des condensaeurs MT e des gros moeurs : pour les condensaeurs le couran d appel peu aeindre 100 fois leur couran nominal (selon CEI 831-1) e jusqu à 8 In pendan plusieurs dizaines de secondes pour les moeurs. c Perurbaions dues à des défaus sur des réseaux HT e MT (cour-circui e défau d isolemen). Des phénomènes, els que : défau d isolemen du maériel, coup de foudre, blessure d un câble souerrain, mise à la erre d un conduceur aérien, provoquen des cours-circuis qui génèren des chues de ension imporanes dans une zone plus ou moins éendue auour de l origine du défau ; ceci avan la mise hors service de l élémen défecueux par les proecions. Parallèlemen les usagers direcemen desservis par l élémen en défau son définiivemen ou emporairemen privés Ampliude de la ension v > 10 ms v 10 % < v i 100 % Coupure Fig. 1 : creux de ension ( v) e coupure. (ms) P ne Consane (KVA) I de emps (s) encl. crêe = In ransformaeur , , , , , , , , , , ,45 Fig. 2 : valeur des courans d enclenchemen e consane de emps des ransformaeurs MT/BT lors d un enclenchemen côé MT (lors d un enclenchemen côé BT, «ne» es 2 fois plus élevé). d alimenaion. Ces phénomènes affecen ous les niveaux de ension, mais pariculièremen les réseaux MT (20 kv). Pour chaque défau, le nombre e le ype des creux de ension e coupures brèves dépenden des proecions e des auomaismes de réenclenchemen uilisés. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.5

8 En France : v sur les réseaux THT (400 e 225 kv), différens réenclencheurs son en service : - réenclencheurs monophasés lens foncionnan en cas de défau monophasé : la durée de la coupure es de l ordre de 1,5 à 2 s, - réenclencheurs riphasés lens (défaus polyphasés) don le foncionnemen es assujei au conrôle de synchronisaion des ensions : la durée de la coupure es de l ordre de 5 s. Ces réenclencheurs son aussi uilisés sur les réseaux HT (90 e 63 kv). v sur les réseaux MT aériens (5 à 20 kv) pour lesquels le neure es mis à la erre par une impédance limian le couran de défau homopolaire à 300 A, au niveau du pose source des «disjonceurs shun» permeen l éliminaion des défaus monophasés fugiifs (conacs avec des branches), ceci sans gêne pour l usager BT (cf. fig. 3 ). Par conre, les défaus polyphasés son raiés par des réenclencheurs rapides e lens qui provoquen des creux de ension sur la BT (cf. fig. 4 ). Environ 75 % des défaus son éliminés après le réenclenchemen rapide qui correspond à la classique coupure brève de 300 ms. v sur les réseaux MT souerrains (5 à 20 kv). Il n y a pas a priori de défau fugiif, donc ou défau enraîne la mise hors ension «définiive» de la parie concernée du réseau. De ce fai les réseaux souerrains (ville) son organisés soi en «double dérivaion» (cf. fig. 5 ), soi le plus souven en boucle ouvere (cf. fig. 6 ). Des auomaismes permeen de réalimener les poses HT/BT exemps de défau en moins d une minue. N 300 A Disjonceur shun Fig. 3 : éliminaion d un défau monophasé par un disjonceur shun qui en cour-circuian le défau perme l exincion de l arc. a) Couran appelé par le dépar en défau HT In 0 (s) b) Tension sur le dépar en défau MT Un 0 u (s) c) Tension sur les aures dépars Dépar en défau Un 0 u (s) Origine du défau 0,1 0,3 0,5 15 0,5 Définiif Ouverure disjonceur Réenclenchemen rapide Ouverure disjonceur Réenclenchemen len Ouverure disjonceur Principe : Sur un réseau MT en aérien, la plupar des défaus son fugiifs, aussi le disjonceur en êe de chaque dépar es équipé d un auomaisme qui ene deux réenclenchemens (parfois rois) : c le premier insananémen (durée d ouverure + fermeure : 0,3 s), c le second après environ 15 s. Fig. 4 : variaions de ension lors des réenclenchemens rapides e lens sur un réseau de disribuion MT. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.6

9 Pose HT/MT Pose HT/MT Circui «A» Circui «B» U Arrivée «A» Arrivée «B» Réseau alimené par A f B f A f = 5 ou 25 s Fig. 5 : alimenaion MT en double dérivaion. Dans l encadré, séquence de l auomaisme d un permuaeur Merlin Gerin conforme aux spécificaions EDF (France). Transformaeurs HT/MT Pose HT/MT Chemin d'alimenaion de ous les poses sauf le n 1 Chemin d'alimenaion du pose n 1 Transformaeur MT/BT Pose n 1 Transformaeur MT/BT Poin d'ouverure de boucle Transformaeur MT/BT Fig. 6 : alimenaion MT en boucle ouvere (coupure d arère). Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.7

10 Perurbaions dues à l exploiaion des réseaux BT Les creux de ension observés sur un réseau BT e dus à son exploiaion son provoqués par : c l enclenchemen de condensaeurs (évenuellemen placés en êe de réseau) qui provoque, comme en MT, un creux de ension rès bref voire un phénomène ransioire de ype oscillaoire ; c un simple démarrage de gros moeurs, direcemen alimenés par le TGBT, qui provoque un creux de ension ou don la «reprise au vol» (réalimenaion après une coupure brève) provoque un appel de couran parfois imporan (jusqu à deux fois les 8 à 10 In d un démarrage direc). Perurbaions dues à des défaus sur des réseaux BT Les cours-circuis sur la disribuion principale BT, enre deux conduceurs acifs ou enre un conduceur acif e une masse en schéma de liaison à la erre TN (cf. Cahier Technique n 172), son aussi à l origine de creux e de coupures de ension. Ces cours-circuis éliminés par les disjonceurs, sélecifs ou non, provoquen un creux de ension d auan plus «profond» que le dépar incriminé es imporan au regard de la puissance de la source, e qui peu durer de 50 à 500 ms. La forme de quelques creux e coupures de ension es donnée dans le ableau de la figure 7. A noer que les réseaux BT secourus par groupes ournans e disposiifs d inversion de source (normal/secours) peuven se rouver sans alimenaion pendan plusieurs secondes (cf. Cahier Technique n 161) : Temps d inerrupion = T1 + Td + T, avec : T1 = emporisaion au démarrage du groupe (0,4 à 10 s), Td = emps de démarrage du groupe (quelques secondes), T = emps d inversion (< 0,4 s). Des ordres de grandeur des creux de ension selon les différens ypes de permuaion son donnés dans le ableau de la figure n 8. Conclusion sur les creux de ension e les coupures brèves Saisiquemen on observe des coupures e des creux de ension, en êe d un réseau BT, de 1 fois par mois à 10 fois par jour. Leur origine es majoriairemen due à la moyenne e haue ension e dans 80 % des cas leur durée es comprise enre 20 e 350 ms. L appareillage élecroechnique es généralemen insensible à ces phénomènes, mis à par les conaceurs e relais don la «chue» e la «remonée» inempesives peuven provoquer d énormes problèmes dans les procédés indusriels. Avec le développemen de l inelligence réparie e des micro-auomaes, capeurs, préacionneurs inelligens, il convien de porer une grande aenion à l immunié des maériels aux creux de ension e coupures d alimenaion. En effe, l appareillage uilisan de l élecronique ne doi pas provoquer de signalisaion erronée ou donner des ordres inempesifs. c Permuaion de source volonaire Durée : quelques millisecondes à plusieurs minues. Un c Permuaion de source auomaique suie à un défau exérieur Durée : quelques millisecondes à 10 s. Un c Cour-circui exerne Durée : de 10 ms à plus de 100 ms. Un c Enclenchemen d une grosse unié Durée : foncion de la puissance du réseau. Un c Coupures brèves avec gros moeur e reprise au vol. Un Fig. 7 : principaux ypes de coupure e creux de ension. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.8

11 Type de permuaion Synchrone Temps mor Pseudosynchrone BT MT Exemples d applicaion c permuaion de jeux c alimenaion de pompes, c alimenaion par deux c reprise au vol des de barres, c alimenaion des circuis arrivées MT permuables, moeurs asynchrones. c subsiuion d un auxiliaires d un pose de c alimenaion par une généraeur par un aure, ransformaion, source normale e une c permuaion enre une c alimenaion des source de remplacemen. ASI e le seceur. magasins à grande surface, c ec. Durée de permuaion nulle 0,5 à 10 s 1 à 30 s 0,06 à 0,3 s Disposiifs employés c coupleur, c inverseur de source c ensemble de cellules c disjonceurs HT rapides c synchrocoupleur, auomaique à disjonceurs. MT avec permuaeur. associés à un permuaeur c ensemble ASI avec ulra-rapide e un conaceur saique. conrôleur de phases. Observaions La permuaion doi êre Les disposiifs inverseurs menionnés ci-dessus son Difficulés d élaboraion réalisée avan l absence généralemen des ensembles monés, câblés e réglés de l ordre de permuaion oale de ension de la en usine (voir par exemple le caalogue (présence de ension source principale. Schneider Elecric). résiduelle). Fig. 8 : différens ypes de permuaion e leurs durées. 2.2 Les surensions Mis à par les élévaions accidenelles de ension, par exemple branchemen d un ransformaeur 230 V en 400 V, les seules élévaions de ension qui peuven dépasser la plage nominale de variaion Un + 10 % s observen lorsque le réseau BT n es pas chargé. Mais les ransformaeurs des poses sources son généralemen équipés de régleurs en charge qui permeen au disribueur d énergie de mainenir la MT dans la plage Un ± 7%. Les surensions impulsionnelles son quan à elles dues esseniellemen aux manoeuvres sur les réseaux e à la foudre. Peu dangereuses pour l appareillage radiionnel BT conforme aux normes de fabricaion, elles peuven affecer les appareils comporan de l élecronique (enue en ension réduie à 1500 V). Manœuvres sur le réseau MT c Mise sous ension de baeries de condensaeurs MT sans self de blocage : la valeur crêe peu aeindre 2 Un (cf. fig. 9 ). c Mise hors ension de ransformaeur MT/BT : la valeur crêe peu aeindre 3 Un ; elle dépend beaucoup du couran «arraché» par l organe de coupure MT (cf. fig. 10 ). Ces surensions son ransmises à la BT par le ransformaeur MT/BT en foncion de ses rappors de ransformaion, inducif e capaciif (cf. annexe 2). Elles ne doiven pas êre ignorées car elles son dangereuses pour l appareillage BT pariculièremen lorsque le circui BT es faiblemen capaciif, c es-à-dire peu éendu. C es noammen le cas lors de la mise en service d une insallaion. Un Un Enclenchemen -20 (ms) Fig. 9 : onde de ension à l enclenchemen d une baerie de condensaeurs MT. Un 1-1 Fig. 10 : onde de ension au déclenchemen d un ransformaeur MT/BT. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.9

12 Foudre La foudre affece direcemen les réseaux aériens. De nombreuses éudes raien du suje. Toues les régions ne son pas égalemen exposées, on parle de niveau kéraunique. De mêmes oues les insallaions ne son pas égalemen exposées. L exposiion exrême correspond au cas des lignes aériennes de grande longueur en région pariculièremen sujee aux orages. La figure 11 indique le nombre e le niveau des surensions que l on peu s aendre à renconrer au cours d une année. Il s agi de valeurs saisiques e l on es oujours à la merci d un coup de foudre direc de valeur bien supérieure. Les normes sur la coordinaion de l isolemen e sur la compaibilié élecromagnéique - CEM - prennen bien en compe ce phénomène naurel qui développe une énergie impulsionnelle considérable ransmise aux réseaux BT par les ransformaeurs MT/BT. De plus en plus les normes relaives à l appareillage prévoien la enue aux ondes de ension e de couran représenaives de la foudre. Oure ces «ondes» à fron raide, la foudre a un effe pervers dû aux éclaeurs e aux parafoudres placés en amon des poses MT/BT. L imporance du risque dépend du Schéma des Liaisons à la Terre - SLT - (cf. norme NF C ). Prenons le cas du SLT TTN (cf. fig. 12 ). Lorsque la foudre ombe sur la ligne MT, elle fai amorcer l éclaeur, ou le parafoudre, qui laisse alors passer une parie de l onde de choc qui peu êre amplifiée par le phénomène de réflexion d onde (voir le Cahier Technique n 168). Un el amorçage d un éclaeur donne naissance à un couran 50 Hz, de la phase en défau à la prise de erre Rpn. Ce couran, limié par l impédance Z (à 300 A en France) se mainien jusqu à l inervenion des proecions du pose de source. Il provoque, en passan dans Rpn, la monée en poeniel de ou le réseau BT par rappor à la erre profonde à laquelle les équipemens BT son reliés par Ra. Il y a alors un risque de «claquage en reour» des maériels BT qui se maérialise, lorsque le produi «Couran x Rpn» es supérieur à la ension d isolemen par rappor à la masse des équipemens. Ainsi avec un couran de 300 A e une ension d isolemen de 2500 V, Rpn ne doi pas dépasser 8 Ω ; valeur qui peu êre dépassée selon l hydraulicié e la naure du errain! A noer que le problème es le même lors d un défau à la masse d un élémen MT du pose. Dans ce cas ce son les réseaux MT souerrains qui présenen le plus grand risque car ce couran es soi limié à une valeur supérieure (1000 A en France), soi non limié comme dans cerains pays. L essai de 2U à la fréquence 50 Hz pendan 1 mn perme de vérifier la enue en ension des maériels BT. Enfin le SLT du pose a un rôle imporan en ce qui concerne la ransmission de l onde de choc à la BT. En effe oure la surension due à la ransmission capaciive à ravers le ransformaeur, l onde de couran de foudre développe dans l impédance de prise de erre une ension Uf d auan plus imporane que la prise de erre es selfique (cf. fig. 12 ). Nombre de surensions par an (sans proecion) Faible exposiion Fore exposiion 0,2 0, Exposiion exrême Amorçage des disposiifs Niveaux de surension (KV) Fig. 11 : nombre e valeur des surensions saisiquemen possibles selon le niveau d exposiion à la foudre. Uf N Z Eclaeur Uf Pose Source Rpn Uf Pose MT/BT Ra Récepeur Fig. 12 : schéma TTN des liaisons à la erre d un pose MT/BT (mises à la erre communes de l éclaeur, de la masse du ransformaeur e du neure BT), e ransmission de l onde de foudre vers le réseau BT. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.10

13 Pour enir compe de ce phénomène, en France les poses «hau de poeau» son insallés (cf. fig. 13 ) avec des prises de erre du pose, du neure e des récepeurs BT séparées (schéma appelé à prises de erre séparées, TTS selon NF C ). Cee disposiion perme d évier la monée en poeniel de l insallaion BT e donc le risque de claquages en reour de l appareillage e des récepeurs BT (cf. fig. 14 ). Les équipemens MT, de par leurs normes de fabricaion, peuven supporer ces surensions (enue à l onde de choc 125 kv pour un maériel de ension spécifiée 24 kv). Lors d un claquage HT/BT dans le ransformaeur, c es la valeur de Rn ou Rpn qui évie les claquages en reour dans le maériel BT. Des relevés, réalisés en grande parie en Suisse par Landis e Gyr, e publiés noammen par l I.E.E.E., monren que des surensions ransioires dépassan un kilovol se renconren plusieurs fois par an, en divers poins d un réseau de disribuion basse ension (cf. fig. 15 ). Il es relaivemen excepionnel de déecer des surensions supérieures à 6 ou 7 kv car, à ces niveaux, il se produi un phénomène d amorçage dans l air, ou dans le câblage qui agi comme éclaeur. Ce amorçage, ou claquage diélecrique, écrêe les surensions à un niveau d auan plus bas que le câblage es moins soigné. Une elle «proecion» endommage l insallaion e peu créer à erme de graves problèmes de sécurié par percemen, conournemen e charbonnage des isolans. La soluion pour les sies exposés es la mise en œuvre de parafoudres enre les conduceurs acifs e la erre, pour plus de précisions voir le Cahier Technique n 179. ;; yy ;; yy Transformaeur MT/BT Proecion BT «Hau de poeau» ;; yy ;; yy Compage ;; yy ;; yy Proecion BT «Individuelle» Rp Rn Ra Fig. 13 : pose MT/BT «hau de poeau». Schéma TTS des liaisons à la erre d un pose MT/BT (mises à la erre séparées de l éclaeur, de la masse du ransformaeur e du neure BT). Ce SLT es ITS si un limieur de surension es inséré dans la liaison à la erre du neure BT. Rp i 30 Ω Rn i 4 Ω Rp Rn Ra car le maériel du pose (ransformaeur e disjonceur hau de poeau) es surisolé à 20 kv choc. pour couvrir le risque de claquage en reour du maériel BT de l'abonné suie à un claquage HT/BT, cee valeur résule du calcul suivan : Rn i 2 x U U 300 A Rn i 2 x = 4 Ω 300 Fig. 14 : prises de erre d un pose MT/BT alimené par des lignes aériennes. Nombre de ransioires par an Maison d'habiaion (salon à l'éage) ,2 0,1 0,02 0,01 Usine Landis e Gyr (salle des fours) Maison d'habiaion (arrivée d'alimenaion souerraine) Usine Landis e Gyr (laboraoire) Eablissemen bancaire à Bâle (enrée de service) Ferme alimenée par lignes aériennes Courbe composie aux USA réseau 120 V 0,10,2 0,3 0,5 0, kv Fig. 15 : fréquences e valeurs crêe des surensions dues à la foudre sur des insallaions BT (source : Landis e Gyr). Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.11

14 Manœuvres de l appareillage e foncionnemen des proecions BT c Les bobines des relais e les conaceurs on une impédance de caracère selfique, e inerrompre un «couran selfique» provoque presque oujours des surensions imporanes. Dans le cas d un relais (cf. fig. 16 ), lorsque le couran es coupé brualemen par l inerrupeur K, l énergie 1/2 Li 2 se ransforme en énergie 1/2 CV 2 d où une surension : 1 L V = i, V C = , x 10 = Les surensions observées peuven aeindre près de 10 kv sur un circui 230V. Ces auxiliaires de commande devraien êre aniparisiés par leurs consruceurs, sinon un circui RC, ou une varisance, placé en parallèle sur leur bobine perme d absorber la surension. c Sur les réseaux BT e HT, à vide ou faiblemen chargés, inerrompre un faible couran inducif n es pas facile e enraîne la créaion de surensions souven muliples (rains d ondes). Sur le circui monophasé de la figure 17, pris pour exemple, lorsqu on ouvre l inerrupeur K, le couran coninue à circuler dans L 2 avec, aux bornes de C 2, la ension V BN : L VBN = i 2 C 2 sinω 2. Il en va de même en ce qui concerne le réseau amon avec aux bornes de C 1 la ension : L VAN = i 1 sinω 1 C. 1 A l insan de l ouverure, les ensions V BN e V AN évoluen en opposiion e la ension V AB devien vie suffisammen imporane pour qu il y ai un réallumage de l arc (réamorçage enre les conacs de l appareil de coupure K). Le couran à couper es faible, les conacs s écaran, e le baemen enre les deux ensions V BN e V AN, son des élémens qui fon que l arc s éein, puis les ensions remonen e le phénomène redémarre Plusieurs cycles appelés réamorçages peuven ainsi se produire, ceci jusqu à ce que l énergie dissipée par l arc, e l écaremen des conacs qui augmene, arrêen le phénomène. Le résula es l appariion de rains d ondes, de 1 ension e de fréquence élevées ( ω = ), LC vériables généraeurs de parasies. L exisence de différens circuis à vide avec self ou ransformaeur, e d appareils de coupure à ouverure lene, fai que ce phénomène es assez fréquen ; il es même observé lors de la coupure de couran de cour-circui, lorsqu en fin de coupure le couran devien suffisammen faible pour êre «arraché». c Couper un couran de cour-circui peu aussi présener des risques de surensions puisque : v il fau agir rès vie, avan que le couran n aeigne l inensié de cour-circui présumée, v e «insérer» dans le circui une ension d arc qui n es pas oujours facile à maîriser selon les condiions de coupure, car cee ension d arc consiue une surension de plusieurs cenaines de vols pour les disjonceurs e parfois de plusieurs kv pour les fusibles (cf. fig. n 18 ). i L R C parasie Fig. 16 : schéma équivalen d un relais. e L 1 A K L 2 B C 1 C 2 L 1, C 1 = inducance e capacié du réseau amon, L 2, C 2 = inducance e capacié du réseau aval. Fig. 17 : schéma équivalen d un circui monophasé. Fig. 18 : surensions relevées avec deux disposiifs de proecion esés sur la même insallaion d essais. N Disjonceur C32L Icc présumé (ka) 11 4 Cos ϕ 0,25 0,3 L = 100 mh R = 180 Ω C parasie = 250 pf i = 150 ma Fusible GL 20 A U (V) % % Surension (V) 400 à à 2650 U+ U Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.12

15 Sur ce dernier poin, il fau noer que : v plus le cour-circui se produi près des bornes aval de l appareil de coupure, plus la surension es élevée e brève. Ainsi les résulas présenés par la figure 19 on éé relevés pour un défau présen sur un câble de secion 1,5 mm 2 en aval d un fusible 10 A : avec L = 0 U + U U = = 64, e T = 50 µs avec L = 20 m U + U = 2 e T = 200 µs U v généralemen plus le calibre de la proecion d un dépar es élevé (e donc la secion de ses conduceurs imporane) par rappor à la puissance de cour-circui du «jeu de barres» plus la surension es faible e longue. La figure 20 présene une synhèse graphique de plusieurs essais. V T U Fusible U/2 L U Fig. 19 : la surension es foncion de la disance séparan le défau de la proecion. 10 ms Û + Û Û A Fusible A 400 A 1 0,03 0,1 0,3 1 3 ms Fig. 20 : avec une même puissance de cour-circui amon, les niveaux e les durées des surensions sur un dépar son foncion du calibre de sa proecion, e de la secion de ses conduceurs. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.13

16 Ferrorésonance C es un phénomène qui peu apparaîre sur les réseaux non ou faiblemen chargés, surou observé en haue ension, mais qui peu se manifeser derrière de peis ransformaeurs ou en présence de filres. Le leceur inéressé peu se reporer à l annexe 3 e lire le Cahier Technique n 190. Essais e remèdes relaifs aux surensions Les surensions impulsionnelles ransmises par conducion, effe inducif ou capaciif, son rès dangereuses noammen pour les appareils élecroniques. Dans ce domaine, l expérience a permis de définir des essais. c Les ondes normalisées pour eser les maériels. Elles son (cf. fig. n 21 ), pour la plupar, reprises aujourd hui dans les publicaions CEI e plus pariculièremen , e (cf. Annexe 3). Oure les formes d onde, les normes prévoien des niveaux qui corresponden à des condiions d uilisaion puis à des ensions d essai pour les Origine Type d onde Onde de es c manoeuvre Onde longue amorie : a v 0,25 / 2,5 ms 50 % 0,25 2,5 ms Onde oscillaoire amorie récurrene : (100 khz < f < 1MHz) b v U 0,9 U 10 0,1 U 0,5 ms c foudre Onde de ension c impulsionnelle récurrene : 1,2/50µs v 50 % 1,2 50 µs Onde de couran 8/20µs d i 50 % c appareillage BT, Onde 5 / 50 ns e (ex. : fusion fusible) v 8 20 µs 50 % 5 50 ns Fig. 21 : les principales formes d ondes d essai normalisées. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.14

17 consruceurs de maériel. A ire d exemple, la figure n 22 donne, pour les différens niveaux, les ensions pour l essai à l onde de ension impulsionnel (cf. courbe d de la figure n 21). c Les remèdes conre les surensions Ils s appliquen auan lors de la mise en œuvre que lors du choix des appareils : v lors de l insallaion, il es conseillé de veiller à éloigner les sources de surensions des maériels les plus sensibles, ainsi qu à l équipoenialié des équipemens, v lors du choix il peu êre uile de prévoir des : - blindages élecrosaiques ou des condensaeurs (cf. annexe 3), - ransformaeurs à écrans, - filres, - limieurs de surension (cf. fig. n 23 ). Il exise aussi des limieurs de surension basse ension desinés aux insallaions ayan un SLT IT (à neure isolé de la erre). Définis en France par la norme NF C ils son desinés à empêcher oue élévaion de ension due à un défau MT ; le Cahier Technique n 179 raie de leur mise en œuvre. Niveau 1 0, x Tension d essai ± 1% (kv) Spécial Le niveau «x» es ouver : il es à définir pour des spécificaions pariculières de maériels. Fig. 22 : les ensions d essai selon la norme CEI U limiée (kv) I max (ka) (onde 8/20) Varisances 14 à à 5000 Diode de 5 à à 1000 redressemen Fig. 23 : caracérisiques de différens ypes de limieurs de surension. Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.15

18 3 Les perurbaions de l onde sinusoïdale Les ensions (ondes) observées, de façon permanene ou emporaire, sur les réseaux ne son jamais parfaiemen sinusoïdales, car : c les généraeurs (alernaeurs) son plus ou moins parfais, c les ransformaeurs son aussi imparfais, c les récepeurs génèren ou absorben des harmoniques, c le réseau ser de véhicule à différens signaux (courans poreurs). 3.1 Les généraeurs 3.2 Les ransformaeurs Les appareils bon marché, généralemen de faible puissance, génèren souven des harmoniques (cf. fig. 24 ). Lorsqu ils son calculés au plus juse, ils commencen à saurer dès que la ension dépasse leur valeur nominale e ils absorben alors un couran non sinusoïdal (cf. fig. 25 ). Alernaeurs (présence d'une «ronfle» d'encoches) Muaeurs (onduleur sans filrage) 3.3 Les récepeurs Les condensaeurs Les courans harmoniques son d auan mieux absorbés par un condensaeur que leur fréquence es élevée. Le couran absorbé par les condensaeurs es donc une caricaure de la ension du réseau sur lequel ils son placés. Associés à des inducances ils composen des filres neoyeurs de réseaux e absorben alors un couran non sinusoïdal (cf. Cahier Technique n 152). Les ubes fluorescens Les arcs élecriques absorben des courans non sinusoïdaux pariculièremen chargés en harmoniques. Le monage en «duo» e la compensaion n évien pas que les ubes fluorescens génèren des harmoniques. Les redresseurs à commande de phase Dans la grande majorié des cas, ils débien sur un circui selfique e absorben successivemen sur chaque phase un couran recangulaire. A chaque commuaion des semiconduceurs la sinusoïde de la ension l alimenaion es affecée d une brève inerrupion (empièemen anodique), la figure 26 donne une représenaion des ondes de ension e de couran. Fig. 24 : exemple d onde de ension délivrée par des généraeurs «bon marché». Ue Fig. 25 : onde de couran à vide absorbée par un ransformaeur calculé rop juse. Fig. 26 : ondes de ension e de couran déformées par un redresseur à commande de phase. U Ie I Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.16

19 Quan aux gradaeurs de chauffe à conrôle de phase, chaque amorçage de hyrisors enraîne un creux de ension de l alimenaion dû à la composane selfique de celui-ci suivi d une faible chue de ension liée à la résiance inerne de l alimenaion (cf. fig. 27 ). U I 3.4 Les alimenaions à découpage Très répandues (micro-ordinaeurs, TV, élecroménager, ), elles uilisen en circui d enrée un pon de diodes suivi d un condensaeur de filrage qui génère des courans harmoniques imporans. Fig. 27 : ondes de ension e de couran déformées par un gradaeur de chauffe. 3.5 Les fours indusriels Ce son de vrais pollueurs de réseaux : c les fours à arc produisen un vériable brui élecrique conenan oues les fréquences don l ampliude décroî avec la fréquence, c les fours à inducion HF son des généraeurs de parasies à bande éroie cenrée sur quelques dizaines de kiloherz. 3.6 Les courans poreurs Il s agi de signaux addiionnels qui son volonairemen injecés sur le réseau par le disribueur d énergie élecrique, par exemple pour élécommander les changemens de arif Jour/Nui, el le sysème Pulsadix (175 Hz) employé en France. Ces signaux son audibles avec un auoradio lorsque la voiure passe sous une ligne HT. Leur fréquence varie selon les pays : 110 Hz, 175 Hz, 183 Hz, 217 Hz, 283 Hz, 317 Hz, 600 Hz, 1050 Hz, Hz. Les signaux son consiués par des rains d impulsions de la fréquence choisie, injecés selon un cerain code. Leur ension es de l ordre de 10 V. D aures signaux véhiculés par le réseau peuven aussi perurber le seceur chez un abonné BT : c communicaions numériques, elles celles uilisées pour la gesion echnique des bâimens - GTB -, c émissions d inerphones (quelques dizaines de kiloherz), c ordres de élécommande (50 à 150 khz). 3.7 Les effes des perurbaions Tou signal périodique, quelle que soi sa forme d onde peu êre considéré comme la somme de signaux alernaifs de fréquence égale à celle du signal, «Le fondamenal», e muliples de celle du signal, «Les harmoniques». Les harmoniques, e les fréquences pariculières injecées sur le réseau, produisen des effes néfases, voire dangereux. Ainsi, les harmoniques : c augmenen les peres fer e les courans de Foucaul dans les moeurs e les ransformaeurs, c meen en danger la vie des baeries de condensaeurs, don les proecions long reard doiven prendre en compe les courans harmoniques, c meen en danger la vie des condensaeurs de filrage des alimenaions de circuis élecroniques, c peuven provoquer l échauffemen du conduceur neure (les courans d harmonique 3 e muliples de 3 générés par les alimenaions à découpage e les ubes fluorescens s ajouen e reviennen à la source par le neure). Pour évier ous ces risques, les proecions élecroniques à maximum de couran «long reard» ou de «surcharge» (équivalenes aux déclencheurs élecromécaniques dis «hermiques») doiven comporer un circui mesuran la valeur efficace vraie du couran (en anglais : r.m.s.). Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.17

20 La norme EN indique, pour les réseaux publics de disribuion, que «pendan chaque période d une semaine, 95 % des valeurs efficaces de chaque ension harmonique moyennées sur 10 minues, ne doiven pas dépasser les valeurs indiquées dans le ableau de la figure n 28. Des ensions plus élevées pour un harmonique donné peuven êre dues à des résonances. De plus, le aux global de disorsion harmonique de la ension fournie (y compris ous les harmoniques jusqu au rang 40) ne doi pas dépasser 8 %». Pour diminuer les courans e les ensions harmoniques, il es possible d uiliser des filres passifs ou compensaeurs acifs (cf. Cahier Technique n 183). Harmoniques impairs Harmoniques pairs Muliples de 3 Non muliples de 3 Rang Tension Rang Tension Rang Tension relaive (% Un) relaive (% Un) relaive (% Un) , ,5 11 3,5 6 à 24 0,5 21 0, ,5 23 1,5 Fig. 28 : valeurs des ensions d harmoniques aux poins de fourniure (source EN 50160). Cahier Technique Schneider Elecric n 141 / p.18