Collecion Technique... Cahier echnique n 114 Les proecions différenielles en basse ension J. Schonek Building a ew Elecric World *
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. Cee collecion es disponible sur l Inerne avec ses nouveaués e mises à jour : hp://www.cahiers-echniques.schneider-elecric.com 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 avec la menion obligaoire : «Exrai du Cahier Technique Schneider Elecric n (à préciser)».
n 114 Les proecions différenielles en basse ension Jacques Schonek Ingénieur ESEEIHT e Doceur-Ingénieur de l Universié de Toulouse, il a paricipé de 1980 à 1995 à la concepion des variaeurs de viesse de la marque Telemecanique. Il a éé ensuie géran de l acivié Filrage d Harmoniques. Il es raaché acuellemen au groupe «Archiecures e Sysèmes» de Schneider Elecric, en an qu exper en Applicaions de Disribuion Elecrique. CT 114 édiion février 2006
Lexique Conduceurs acifs : Ensemble des conduceurs affecés à la ransmission de l énergie élecrique y compris le neure en alernaif e le compensaeur en coninu, excepé le conduceur don la foncion «conduceur de proecion» () es prioriaire sur la foncion «neure». Conduceur de proecion ( ou ) : Conduceur qui, selon les prescripions, relie les masses des maériels élecriques e cerains élémens conduceurs à la prise de erre. Conac direc : Conac d une personne avec les paries acives des maériels élecriques (conduceurs e pièces normalemen sous ension). Conac indirec : Conac d une personne avec des masses mises accidenellemen sous ension (généralemen suie à un défau d isolemen). Couran de défau Id : Couran résulan d un défau d isolemen. Couran de fuie à la erre : Couran qui s écoule des paries acives à la erre, en l absence de ou défau d isolemen. Couran de fuie «naurel» : Couran qui, en l absence de défau, s écoule à la erre à ravers les isolans. Couran de fuie «inenionnel» : Couran qui, en l absence de défau, s écoule à la erre à ravers des composans disposés inenionnellemen (résisances ou condensaeurs). Couran différeniel résiduel : Somme algébrique des valeurs insananées des courans parcouran les conduceurs acifs d un circui en un poin de l insallaion élecrique. Couran différeniel résiduel de foncionnemen : If Valeur du couran différeniel résiduel provoquan le foncionnemen d un disposiif différeniel. Couran différeniel de foncionnemen assigné : I n Valeur du couran différeniel de foncionnemen, aribué par le consruceur au disposiif, pour lequel celui-ci doi foncionner dans des condiions spécifiées. D après les normes de consrucion, à 20 C, les disposiifs différeniels en basse ension doiven respecer : I n I I n 2 < f< Défau d isolemen : Rupure d isolemen qui provoque un couran de défau à la erre ou un cour-circui via le conduceur de proecion. Disposiif différeniel résiduel (DDR) : Appareil don la grandeur d influence es le couran différeniel résiduel, il es généralemen associé ou inégré à un appareil de coupure. Elecrisaion : Applicaion d une ension enre deux paries du corps d un êre vivan. Elecrocuion : Elecrisaion qui provoque la mor. Fibrillaion venriculaire : C es un dysfoncionnemen du cœur qui correspond à la pere de synchronisme de l acivié de ses parois (diasole e sysole). Le passage du couran alernaif dans le corps peu en êre la cause par l exciaion périodique qu il provoque. La conséquence ulime es l arrê de la circulaion sanguine. Isolemen : Disposiion qui empêche la ransmission d une ension (e le passage d un couran) enre un élémen normalemen sous ension e une masse ou la erre. Masse : Parie conducrice suscepible d êre ouchée e normalemen isolée des paries acives mais pouvan êre porée à une ension dangereuse suie à un défau d isolemen. Perurbaion de mode commun : Tou phénomène élecromagnéique permanen ou ransioire s appliquan enre une parie acive d un réseau e la erre. Ce phénomène peu êre une surension ransioire, une ension permanene, une surinensié, une décharge élecrosaique. Perurbaion en mode différeniel : C es un phénomène s appliquan enre différenes paries acives du réseau, comme par exemple une surension. Régime du neure : Voir schéma des liaisons à la erre. Schéma des liaisons à la erre (SLT) : Encore parfois appelé «régime de neure». La norme CEI 60364 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. Les proecions élecriques son ensuie définies pour chacun d eux. Tension limie de sécurié (UL) : Tension UL en dessous de laquelle il n y a pas de risque d élecrocuion. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.2
Les proecions différenielles en basse ension Les proecions différenielles ou Disposiifs Différeniels Résiduels (DDR) son aujourd hui reconnus dans le monde enier comme le moyen le plus efficace pour assurer la proecion des personnes e des biens conre les risques élecriques en basse ension. Leur choix e leur uilisaion opimale nécessien une bonne connaissance des règles d insallaion élecrique, noammen des schémas des liaisons à la erre, des echnologies exisanes e de leurs performances. Tous ces aspecs son abordés dans ce Cahier Technique, compléés de nombreuses réponses apporées par les services echniques e de mainenance de Schneider-Elecric aux inerrogaions qui leur son régulièremen adressées. Sommaire 1 Inroducion p. 4 2 Les risques liés aux courans élecriques 2.1 Risques d élecrisaion des personnes p. 4 2.2 Risques d incendie p. 6 2.3 Desrucion des récepeurs p. 7 3 Les proecions conre les risques liés 3.1 Les règles d insallaion p. 8 aux courans élecriques 3.2 Déecion d un défau d isolemen p. 9 4 Les Disposiifs Différeniels Résiduels (DDR) 4.1 Principe p. 11 4.2 Applicaions p. 11 4.3 Caracérisiques principales p. 12 4.4 Technologie p. 13 4.5 Conraines liées au capeur de couran p. 16 4.6 Applicaions pariculières p. 17 5 Conclusion p. 23 Annexe 1 : calcul des ensions de conac en cas de défau p. 24 Annexe 2 : ypes de converisseurs e allure des courans de défau p. 26 Annexe 3 : courans de fuie pour différens SLT p. 29 Annexe 4 : seuil des DDR en foncion de la ension réseau p. 31 Bibliographie p. 32 Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.3
1 Inroducion Les nombreux avanages de l énergie élecrique ne doiven pas faire oublier les risques qui y son aachés. L élecricié es uilisée de manière courane par le grand public, e des accidens encore rop nombreux se produisen avec comme conséquences élecrocuions, brûlures, incendies. De srices règles d insallaion on éé éablies par des organismes inernaionaux (IEC, CEELEC) ou naionaux (FPA aux USA, UTE en France, ). Des disposiifs de proecion sûrs on éé conçus, grâce à l analyse rigoureuse des risques e des conséquences de défaillance de maériel ou de mauvaise uilisaion. Parmi ces disposiifs, les proecions différenielles on éé reconnues par la normalisaion inernaionale comme un moyen efficace de proecion des personnes e des biens. Ce documen présene donc le suje en 3 éapes : c un exposé des risques liés aux courans élecriques, c un panorama des moyens de proecion mis en œuvre pour limier ces risques, c une descripion déaillée du foncionnemen des disposiifs différeniels résiduels. 2 Les risques liés aux courans élecriques 2.1 Risques d élecrisaion des personnes Une personne soumise à une ension élecrique es élecrisée. Selon l imporance de l élecrisaion, cee personne peu subir différens effes physiopahologiques : c une sensaion désagréable, c des conracures musculaires involonaires (éanisaion), c des brûlures, c un arrê cardiaque (c es l élecrocuion). Ces effes dépenden de différens faceurs : des caracérisiques physiologiques de l êre humain concerné, de l environnemen (humide ou sec par exemple) e aussi des caracérisiques du couran raversan le corps. Une personne peu subir un choc élecrique dans deux circonsances : c soi par un conac direc : c es le cas d une personne qui ouche un conduceur nu sous ension, c soi par un conac indirec : c es le cas d une personne qui ouche la carcasse méallique d un récepeur élecrique ayan un défau d isolemen. Le danger provien du couran élecrique, en valeur e en durée, raversan le corps humain e en pariculier la région du cœur. a) Conac direc Phases Uc b) Conac indirec 3 Id Uc Fig. 1 : conacs direc e indirec. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.4
La figure 2 synhéise les résulas des ravaux publiés par la Commission Elecroechnique Inernaionale sur ce suje (Spécificaion Technique CEI 60479-1, Ed.4, 2005 : Effes du couran sur l homme e les animaux domesiques Parie 1 : Aspecs généraux). Elle indique les conséquences du passage d un couran alernaif à ravers le corps humain, de la main gauche aux pieds, en foncion de son inensié e de sa durée. Il fau surou disinguer les zones 3 e 4 dans lesquelles le danger es réel. c Zone AC-3 (siuée enre les courbes B e C 1 ) Pour des personnes placées dans cee siuaion, il n y a généralemen aucun dommage organique, mais il y a une probabilié de conracions musculaires e de difficulés de respiraion, de perurbaions réversibles de la formaion des impulsions dans le cœur e de leur propagaion. c Zone AC-4 (siuée à droie de la courbe C 1 ) En plus des effes de la zone AC-3, la probabilié de la fibrillaion venriculaire : v peu aeindre 5 %, enre les courbes C 1 e C 2, v es inférieure à 50 % enre les courbes C 2 e C 3, v dépasse 50 % au-delà de la courbe C 3. Les effes physiopahologiques els que : arrê du cœur, arrê de la respiraion e brûlures graves augmenen avec la valeur de l inensié e le emps d exposiion. A noer qu une personne en conac avec une ension de 230 V peu êre parcourue par un couran de l ordre de 150 ma dans des condiions d exposiion défavorables. Compe enu des valeurs de couran considérées comme dangereuses, une valeur maximale admissible de 30 ma es considérée comme sûre. En BT, la composane prépondérane de l impédance du corps humain es la résisance de la peau, qui es esseniellemen foncion de l environnemen (locaux secs, humides, mouillés). Durée du passage du couran I (ms) 10 000 A B C 1 C 2 C 3 5 000 2 000 1 000 AC-4.1 AC-4.2 AC-4.3 500 200 100 AC-1 AC-2 AC-3 AC-4 50 20 10 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 2 000 1 000 Seuil = 30 ma 10 000 5 000 Couran passan par le corps I s (ma) Zone AC-1 : Percepion Zone AC-2 : Conracions musculaires involonaires Zone AC-3 : Difficulés de respiraion Zone AC-4 : Effes pahophysiologiques graves AC-4.1 : risque de fibrillaion venriculaire jusqu à 5 % AC-4.2 : risque de fibrillaion venriculaire jusqu à 50 % AC-4.3 : risque de fibrillaion venriculaire supérieur à 50 % Fig. 2 : zones emps/couran des effes des courans alernaifs (15 Hz à 100 Hz) sur des personnes. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.5
La CEI a défini la «ension limie convenionnelle de conac», noée U L, comme la valeur maximale de la ension de conac pouvan êre mainenue indéfinimen dans les condiions d environnemen spécifiées. La valeur reenue pour cee ension es de 50 V efficace en couran alernaif. Cee valeur es en cohérence avec une valeur moyenne d impédance de 1700 Ω e un couran maximal de 30 ma. Les effes en foncion de la ension e de la fréquence La CEI 60479-1 fourni les courbes de variaion de l impédance du corps en foncion de la ension e de la fréquence. La figure 3 monre que l impédance du corps décroî de façon inverse de la fréquence. Touefois, la CEI 60479-2 (Effes du couran passan par le corps humain, aspecs pariculiers) qui raie des effes du couran alernaif de fréquence supérieure à 100 Hz, indique qu à niveau de risque égal, un couran à 1000 Hz es environ 14 fois plus élevé qu un couran à 50/60 Hz. 6 000 5 000 4 000 10 V CA 5 000 2 000 1 000 775 V 600 25 V 50 V 100 V 225 V 1 000 V 0 50 100 250 500 1 000 2 000 Fréquence (Hz) Fig. 3 : valeurs de l impédance oale du corps ZT en foncion de la fréquence e de la ension de conac. 2.2 Risque d incendie Une éude réalisée dans les années 80-90 en Allemagne par une compagnie d assurance sur des incendies en milieu indusriel e de bureaux, a révélé que l élecricié éai à l origine de plus de 40 % des sinisres. Bon nombre d incendies d origine élecrique on pour origine un échauffemen imporan e poncuel ou un arc élecrique provoqué par un défau d isolemen. Le risque es d auan plus imporan que le couran de défau es élevé. Il es égalemen foncion du degré de risque d incendie ou d explosion propre au local (sockage de maériau inflammable, présence d hydrocarbures volails, ). A l origine de nombreux incendies d origine élecrique, on rouve la combinaison de plusieurs faceurs : c une insallaion ancienne, c la dégradaion des isolans, c une accumulaion de poussière e d humidié. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.6
L augmenaion progressive des courans de cheminemen à la surface des isolans pollués e en présence d humidié produi des éincelages à l origine de dépôs de carbone en surface. L évoluion de ce phénomène lié à des cycles de condensaion en surface e de séchage es rès lene. Lorsque le couran de cheminemen dépasse 300mA un phénomène d avalanche se produi, capable d enflammer les dépôs de carbone qui, à leur our, pourron provoquer l inflammaion des isolans e des appareils. Il exise un risque réel d inflammaion pour un couran de fuie de 300 ma. Le couran de fuie circule de la source vers les armaures méalliques e ne revien pas à la source par le conduceur de reour. Flamme nue 37 % Foudre 1 % Explosion 1 % Elecricié 41 % Accidens 7 % Fig. 4 : origine des incendies dans les bâimens. Cigarees 6 % Aures 7 % Couran de fuie Carbonisaion isolan poussières Peies décharges Fig. 5 : processus pouvan conduire à un incendie. 2.3 Desrucion des récepeurs Cerains récepeurs peuven êre déériorés ou déruis par la circulaion d un couran élecrique de fore inensié. C es le cas par exemple des moeurs lors d un foncionnemen prolongé au delà de la charge nominale, ou des câbles, en cas de raccordemen d un nombre excessif d équipemens. La surinensié va provoquer la surchauffe des conduceurs e peu conduire à la perforaion des isolans e à la circulaion d un couran de défau. Celui-ci peu se mainenir à une valeur faible, difficilemen déecable, ou dégénérer rapidemen en cour-circui e provoquer une dégradaion imporane. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.7
3 Les proecions conre les risques liés aux courans élecriques 3.1 Les règles d insallaion La norme inernaionale de référence es la CEI 60364 : «Insallaions élecriques des bâimens», e en pariculier la parie 4-41 : Proecion pour assurer la sécurié Proecion conre les chocs élecriques. Elle éabli les règles d insallaion pour que les paries acives dangereuses ne soien pas accessibles, e que les paries conducrices accessibles ne présenen pas de danger en condiions normales e en cas de défau. Cee norme inernaionale a éé adopée par de rès nombreux pays, en l éa ou avec des adapaions locales. En France, par exemple, les insallaions doiven êre conformes à la F C 15-100 : «Insallaions élecriques à basse ension». Règles générales Les insallaions doiven êre conçues de manière à fournir une proecion principale en foncionnemen normal (proecion conre les conacs direcs) e une proecion en cas de défau (proecion conre les conacs indirecs). c La proecion principale es assurée par l isolaion des paries acives, la présence de barrières, ou d enveloppes. La proecion en cas de défau es assurée par une ou plusieurs des mesures suivanes : v une coupure auomaique de l alimenaion, v une isolaion double ou renforcée, v une séparaion élecrique (uilisaion d un ransformaeur d isolemen), v l uilisaion d une rès basse ension. La coupure auomaique de l alimenaion es le plus souven uilisée. Ceraines exigences y son associées : v mise à la erre des masses méalliques e liaison équipoenielle de proecion, v spécificaion d un emps de coupure maximum en cas de défau (par exemple : 0,4 s en 230 V) Un disposiif de proecion doi séparer auomaiquemen un circui ou un maériel de son alimenaion de elle façon que, à la suie d un défau enre une parie acive e une masse dans le circui ou le maériel, une ension de conac supérieure à la ension limie convenionnelle ne puisse pas se mainenir pendan un emps suffisan pour créer un danger pour une personne en conac avec des paries conducrices simulanémen accessibles. c Une proecion complémenaire doi êre mise en œuvre pour parer à oue défaillance des mesures de proecion conre les conacs direcs. En pariculier, la norme CEI 60364-4-41 impose en couran alernaif qu un disposiif de proecion conre les conacs direcs soi mis en œuvre pour les circuis de prises de couran pour un usage général jusqu à 20 A, e pour les appareils poraifs de couran jusqu à 32 A desinés à êre uilisés à l exérieur. Le seuil de foncionnemen de ce disposiif doi êre de 30 ma. Schémas de Liaison à la Terre La norme CEI 60364 défini noammen rois principaux schémas de raccordemen du réseau élecrique à la erre : les schémas des liaisons à la erre ou SLT, encore parfois appelés «régimes de neure» (cf. figure 6 ci-conre), diversemen uilisés selon les pays. (cf. Cahiers Techniques n 172 e 173). Ils diffèren par la mise à la erre ou non du poin neure de la source de ension e le mode de raccordemen des masses. Le choix du régime de neure dépend des caracérisiques de l insallaion e des condiions e impéraifs d exploiaion (environnemen, disposiifs de surveillance, coninuié de service). c Schéma TT Dans ce ype de schéma, di de «neure à la erre» : v le neure de la source es relié à une prise de erre disince de celle des masses, v oues les masses doiven êre reliées à un même sysème de mise à la erre dédié à l insallaion. c Schéma T Le principe de ce schéma di de «mise au neure» es de ransformer ou défau d isolemen en cour-circui monophasé phase neure. Dans ce ype de schéma : v le poin neure BT de chaque source es relié direcemen à la erre, v oues les masses de l insallaion son reliées à la erre e donc au neure par le conduceur de proecion (avec conduceur de neure disinc, T-S) ou (conduceur de neure commun, T-C). Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.8
c Schéma IT Dans ce ype de schéma di «à neure isolé», le neure du ransformaeur es : v soi isolé de la erre (neure isolé), v soi relié à la erre par une impédance élevée (neure impédan), oues les masses de l insallaion son reliées à la erre. eure à la erre (TT) 1 2 3 Mise au neure (T-C) 1 2 3 R B R A R B eure isolé (IT) 1 2 3 Mise au neure (T-S) 1 2 3 CPI R B R B CPI : Conrôleur Permanen d'isolemen. Fig. 6 : les rois principaux schémas des liaisons à la erre ou SLT son les schémas TT, T e IT, définis par la CEI 60364-1. Le T peu êre soi T-C (neure e confondus) soi T-S (neure e disincs). 3.2 Déecion d un défau d isolemen Un défau d isolemen peu êre la conséquence de la déérioraion du maériau isolan : c enre deux conduceurs acifs, c enre un conduceur e la masse ou le conduceur de proecion, c d un seul conduceur acif, rendan le conduceur accessible au oucher. Un défau d isolemen enre les conduceurs acifs devien un cour-circui. Dans les aures cas, le défau (de mode commun) occasionne un couran qui s écoule à la erre. Ce couran qui ne se reboucle pas par les conduceurs acifs es appelé couran de «défau à la erre». Il es la somme algébrique des courans circulan à ou insan dans les conduceurs acifs, d où l appellaion : «couran différeniel résiduel». Remarque : si les courans son sinusoïdaux, on peu uiliser la représenaion vecorielle de Fresnel e parler de «somme vecorielle» des courans. Cee représenaion n es pas perinene en présence de courans harmoniques, e l appellaion «somme algébrique» es donc plus générale. Ce couran peu provenir d un défau d isolemen enre un conduceur acif e la carcasse d un appareil (présenan alors un risque de conac indirec) ou de la défaillance des mesures d isolemen des paries acives (présenan alors un risque de conac direc). Ces siuaions son illusrées par la figure 7 page suivane. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.9
La valeur du couran de défau d isolemen enre phase e erre (en mode commun) dépend de la naure du défau e aussi du schéma de liaison à la erre. Ce couran peu créer une ension de conac dangereuse, qui nécessie la déconnexion du circui en défau. Voir en annexe 1 un résumé des calculs de couran de défau e de ension de conac en foncion des SLT. Dans le cas d un schéma T, le couran de défau s apparene à un cour-circui. Sa valeur es donc élevée, e la déconnexion du circui peu êre effecuée grâce à un disposiif de proecion conre les surinensiés. Par conre, en TT, sa valeur es rop faible pour qu il soi déecé e éliminé par les proecions de surinensiés convenionnelles (proecion hermique ou magnéique d un disjonceur, fusible). De même, dans ous les cas de conac direc, le couran de défau es de faible valeur e ne peu pas êre déecé e éliminé par les proecions de surinensiés convenionnelles. C es égalemen le cas d un couran de fuie présenan un risque d incendie. Dans ces condiions, le couran de défau doi donc êre déecé e éliminé par un appareil spécifique : le Disposiif Différeniel Résiduel (DDR), qui fai l obje du chapire suivan. a) Conac indirec b) Conac direc Id Id Ud R B R A R B R A Fig. 7 : couran de défau = «couran différeniel résiduel». Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.10
4 Les Disposiifs Différeniels Résiduels (DDR) 4.1 Principe Le principe du DDR es illusré sur la figure 8. La déecion de la somme algébrique des courans dans les conduceurs acifs (phases e neure) es effecuée par un capeur consiué d un ore qui enoure ous les conduceurs acifs. Un bobinage es réalisé auour du ore de manière à déecer les variaions de flux induies par le couran différeniel résiduel. En l absence de défau d isolemen, la somme algébrique des courans dans les conduceurs acifs es nulle e le ore n es soumis à aucun flux. En cas de défau d isolemen, cee somme n es plus nulle e le couran de défau indui dans le ore un flux qui génère un couran dans sa bobine. Ce couran es redressé, filré e amplifié. Si le signal obenu es supérieur à un cerain seuil, une emporisaion es lancée (elle peu êre nulle pour une réacion insananée). Si le défau es oujours présen à la fin de la emporisaion, l ouverure d un disposiif de commande es déclenchée. L uilisaion de DDR es oalemen inadapée en T-C car le conduceur neure n es pas séparé du conduceur de proecion, ce qui ne perme pas de discriminer le couran différeniel du couran dans le neure. Fig. 8 : principe du DDR. Σ I 0 Acionneur Temporisaion Seuil Mise en forme 4.2 Applicaions Proecion complémenaire conre les conacs direcs Un DDR a la possibilié de déecer de faibles courans de fuie, suscepibles de raverser le corps d une personne. Il perme donc d assurer une proecion complémenaire en cas de défaillance des moyens normaux de proecion (par exemple : isolan vieilli ou blessé, imprudence, ). Cee proecion es aussi parfois appelée proecion ulime car elle perme d inerrompre le couran alors que les aures disposiions son défaillanes. L uilisaion d un DDR 30 ma sur ous les circuis de prise de couran jusqu à 20 A, es désormais obligaoire, selon la CEI 60364-4-41 (Insallaions élecriques à basse ension - Parie 4-41 : Proecion pour assurer la sécurié - Proecion conre les chocs élecriques). Il fau garder en mémoire qu un DDR ne limie pas le couran insanané qui raverse le corps mais limie le emps pendan lequel le corps es raversé par le couran. A noer égalemen qu en cas de conac direc avec un conduceur de phase en 230 V, le couran qui circulerai s éablirai au voisinage de 150 ma. Un DDR de sensibilié 10 ou 30 ma laisse passer le même couran. Ces deux sensibiliés apporen une proecion équivalene. Le seuil de 30 ma perme de bénéficier d un bon compromis économique enre sécurié e coninuié de service : il es possible d alimener en aval d un DDR plusieurs charges ou circuis an que le couran de fuie ne fai pas déclencher le DDR. Pour un même couran de fuie, abaisser le seuil nécessie d augmener le nombre d appareils de proecion. Proecion conre les conacs indirecs L uilisaion d un DDR es la seule soluion pour assurer la proecion conre les conacs indirecs en TT, car le couran de défau dangereux es rop faible pour êre déecé par les disposiifs de proecions de surinensié. C es égalemen une soluion de simplicié en T-S ou IT. Par exemple, lorsque le câble d alimenaion es de grande longueur, la faible valeur du couran de défau rend difficile le réglage des proecions de surinensié. A foriori, lorsque le câble es de longueur inconnue, le calcul du couran de défau es impossible e l uilisaion d un DDR es la seule soluion envisageable. Dans ces condiions, le seuil de déclenchemen du DDR sera ajusé à un seuil pouvan aeindre Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.11
quelques ampères ou dizaines d ampères par exemple. Proecion conre les risques d incendie La norme CEI 60364-4-42 (Insallaions élecriques des bâimens Parie 4-42 : Proecion pour assurer la sécurié Proecion conre les effes hermiques) reconnaî égalemen l efficacié des DDR pour assurer la proecion conre les risques d incendie, en imposan l uilisaion de els disposiifs avec un seuil de déclenchemen au plus égal à 500 ma. Ce seuil devrai dans un avenir proche êre ramené à 300 ma, comme déjà préconisé par ceraines normes naionales elle la F C 15-100 en France. 4.3 Caracérisiques principales Les DDR doiven êre choisis en foncion du ype de charge alimenée. Cee recommandaion concerne en pariculier les disposiifs à semiconduceurs, pour lesquels les courans de défaus ne son pas oujours sinusoïdaux. Des exemples de converisseurs à semiconduceurs son fournis en annexe 3, avec les formes d onde des courans de défau e le ype de DDR qui doi leur êre associé. Types AC, A, B La norme CEI 60755 (Règles générales pour les disposiifs de proecion à couran différeniel résiduel) défini 3 ypes de DDR, suivan les caracérisiques des courans de défau. c Type AC Disposiifs différeniels pour lesquels le déclenchemen es assuré pour des courans différeniels alernaifs sinusoïdaux. c Type A Disposiif différeniel pour lequel le foncionnemen es assuré : v pour des courans différeniels alernaifs sinusoïdaux, v pour des courans différeniels coninus pulsés, v pour des courans différeniels coninus pulsés avec une composane coninue de 0,006 A avec ou sans conrôle de l angle de phase, indépendammen de la polarié. c Type B Disposiif pour lequel le foncionnemen es assuré : v comme dans le cas du ype A, v pour des courans différeniels sinusoïdaux jusqu à 1000 Hz, v pour des courans différeniels sinusoïdaux superposés à un couran coninu pur, v pour des courans coninus pulsés superposés à un couran coninu pur, v pour des courans différeniels qui peuven provenir de circuis redresseurs c es-à-dire : - redresseur riphasé simple alernance ou pon redresseur riphasé double alernance, - pon redresseur double alernance enre phases, avec ou sans conrôle de l angle de phase, indépendammen de la polarié. Cerains disposiifs élecroniques peuven générer des courans de défau don la forme n es pas décrie par les définiions précédenes. Des exemples son fournis à l annexe 2. Des ravaux on éé iniiés à la CEI afin de couvrir égalemen ces cas pariculiers. Sensibilié La sensibilié d un DDR s exprime par son «couran différeniel de foncionnemen assigné», noé I n. Des valeurs préférenielles on éé définies par la CEI, ce qui perme de réparir les DDR en 3 groupes suivan leur valeur de I n : c haue sensibilié (HS) : 6 10 30 ma, c moyenne sensibilié (MS) : 0,1 0,3 0,5 1 A, c basse sensibilié (BS) : 3 10 30 A. Les DDR à usage domesique ou analogue son uniquemen à haue ou moyenne sensibilié. Il es éviden que la Haue Sensibilié (HS) es uilisée le plus souven en proecion conre les conacs direcs e que la MS e en pariculier les valeurs 300 e 500 ma son indispensables pour la proecion incendie. Les aures sensibiliés (MS e BS) permeen de répondre à d aures besoins els que la proecion conre les conacs indirecs (obligaoire en schéma TT), ou la proecion des machines. Temps de déclenchemen Comme indiqué au chapire 1, les effes des courans élecriques son foncions de leur ampliude e de leur durée. Les emps de réacion des DDR on donc éé précisés dans les normes dies «de produis» : c CEI 61008 : «Inerrupeurs auomaiques à couran différeniel résiduel pour usages domesiques e analogues sans disposiif de proecion conre les surinensiés incorporé (ID)», Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.12
c CEI 61009 «Inerrupeurs auomaiques à couran différeniel résiduel avec proecion conre les surinensiés incorporée pour insallaions domesiques e analogues (DD)», c CEI 60947-2, annexe B : «Appareillage à basse ension Disjonceurs à proecion incorporée par couran différeniel résiduel», c CEI 60947-2, annexe M : «Appareillage à basse ension Disposiifs modulaires à couran différeniel résiduel MRCD (non inégrés à un disposiif de coupure de couran)». Les valeurs normalisées des emps de foncionnemen son indiquées dans le ableau de la figure 9 e sur les courbes de la figure 10, pour des appareils de ype G e S : c G (général) pour les DDR insananés, c pour les DDR dis «sélecifs» avec un niveau de emporisaion le plus faible (par exemple employé en France pour les disjonceurs de branchemen). 1 0,3 0,15 0,1 0,04 (s) 0,01 0,1 1 2 5 10 Fig. 10 : courbes de emps de foncionnemen maximal pour disjonceur ou inerrupeur différeniel «S» e pour usage général insanané «G». S G Type In I n Valeurs normalisées du emps de foncionnemen (en s) e du emps de non réponse (en s) pour un couran résiduel (I ) égal à : 5 A, 10 A A A I n 2 I n 5 I n 20 A, 50 A 100 A, 200 A 500 A Général impore impore 0,3 0,15 0,04 0,04 Temps de quelle quelle foncionnemen valeur valeur maximal S u 25 > 0,030 0,5 0,2 0,15 0,15 Temps de foncionnemen maximal 0,13 0,06 0,05 0,04 Temps de nonréponse minimal Fig. 9 : valeurs normalisées du emps de foncionnemen maximal e du emps de non foncionnemen selon la CEI 61008. 4.4 Technologie Classificaion des DDR selon leur mode d alimenaion : «A propre couran», ou : «foncionnellemen indépendan de la ension d alimenaion». C es un appareil don l énergie de déclenchemen es fournie par le couran de défau. Ce mode d alimenaion rès sûr es préconisé en seceur résideniel ou pour des applicaions similaires lorsque l uilisaeur du circui n es pas averi ou conscien des dangers de l élecricié. De nombreux pays, e noammen en Europe, reconnaissen l efficacié de ces disposiifs pour les insallaions résidenielles e analogues (normes E 61008 e 61009). «A source auxiliaire» ou : «foncionnellemen dépendan de la ension d alimenaion». C es un appareil don l énergie de déclenchemen nécessie un appor d énergie indépendan du couran de défau. La source es généralemen le circui conrôlé. Ainsi, lorsque ce circui es sous ension le DDR es alimené. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.13
En absence de ension, le DDR n es pas acif mais il n y a pas de danger. Les appareils son conçus de manière à foncionner malgré les baisses de ension an que la ension de conac a la possibilié de dépasser 50 V (ension limie de sécurié). Cee condiion es remplie si un appareil foncionne oujours en éan seulemen alimené par 2 phases, avec une baisse de ension jusqu à 85 V enre phases. C es le cas avec les blocs Vigi, DDR associés aux disjonceurs «Compac» de la marque Merlin Gerin. Les DDR fon l obje d une disincion complémenaire vis-à-vis de leur alimenaion selon que leur foncionnemen es, ou non «àsécurié posiive». Son considérés comme des appareils à sécurié posiive deux ypes d appareils : c Ceux don le déclenchemen ne dépend que du couran de défau : ous les appareils «àpropre couran» son des appareils à sécurié posiive, c E ceux, plus raremen uilisés, qui se placen auomaiquemen en posiion de déclenchemen (posiion de sécurié) lorsque les condiions ne son plus réunies pour garanir le déclenchemen en présence du couran de défau (par exemple une baisse de ension jusqu à 25 V). Remarques : La CEI 60364, 531-2-2-2 indique pour les disposiifs avec source auxiliaire qui ne son pas à sécurié posiive : «Leur uilisaion es permise s ils son insallés dans les insallaions exploiées, essayées e vérifiées par des personnes averies ou qualifiées». La norme F C 15-100 531.2.2.2 précise encore qu ils ne doiven pas êre uilisés dans les insallaions des locaux d habiaion ou dans des uilisaions analogues. La echnologie «à propre couran», don le foncionnemen es indépendan des condiions d alimenaion du circui proégé, es pariculièremen adapée e performane pour la consrucion des DDR à haue sensibilié en milieu domesique ou pour les circuis erminaux pour lesquels le réarmemen es desiné aux personnes non averies pour les raisons suivanes : c Les circuis erminaux son exploiés e parfois insallés par des personnes non averies (sans connaissance de l insallaion, sans connaissance des risques encourus), Ia Ir Fig. 11 : le couran de défau, par l inermédiaire du ore, fourni l énergie d un signal ransmis à un élecroaiman don la parie mobile es mainenue «collée» par un aiman permanen. Lorsque le seuil de foncionnemen es aein l élecro-aiman annihile l aracion de l aiman permanen, la parie mobile irée par un ressor ouvre alors le circui magnéique e commande mécaniquemen l ouverure du disjonceur. A Fig. 12 : exemples de DDR «à propre couran» e «à source auxiliaire». Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.14
c Les circuis erminaux son généralemen des circuis monophasés phase + neure (on rouve parfois des circuis biphasés), c Cee echnologie perme de coninuer d assurer la proecion, même en cas de coupure du neure ou d un conduceur de phase en amon du DDR, c Les appareils foncionnen même en cas de baisse de ension jusqu à 0 V, c Pour la proecion complémenaire conre les conacs direcs, le DDR haue sensibilié es reconnu efficien en cas de défaillance du ( inexisan, non relié ou rompu). Cee echnologie offre un avanage supplémenaire en cas d élévaion significaive de la résisance de erre au-dessus de 500 Ω (insallaion vieillissane, période de sécheresse, corrosion au niveau de la prise de erre...) car cerains DDR «à source auxiliaire» alimenés enre phase e ne foncionnen pas correcemen dans ce cas, c Cee echnologie es pariculièremen robuse car aucun composan élecronique n es connecé en permanence sur le réseau. Il en résule une excellene insensibilié aux surensions e au vieillissemen des composans. (Les composans élecroniques quand il y en a, son connecés au secondaire du capeur de couran homopolaire e ne son donc solliciés qu en cas de défau e sous rès basse ension), c Cee robusesse s avère bien adapée aux insallaions non surveillées comme c es généralemen le cas en domesique. c Principe Il consise à générer un couran qui ne va circuler que dans un seul des conduceurs acifs enourés par le ore, comme illusré sur la figure 13. La résisance es déerminée de manière à faire circuler un couran suffisan pour faire déclencher le DDR, en enan compe d évenuels courans de fuie qui pourraien se sousraire à ce couran. La valeur maximale admise es de 2,5 fois I n (pour un appareil à seuil réglable, I n es la plus peie valeur possible). Ce principe de es es rès répandu, car il perme de vérifier l ensemble de la chaîne : ore relais appareil de coupure. Le principe de es évoqué ci-dessus es uilisé sur les prises de couran différenielles, les inerrupeurs e disjonceurs différeniels. En ce qui concerne les relais différeniels à ore séparé le même principe es parfois reenu. Les relais Vigirex de la marque Merlin Gerin par exemple, on la foncion es incorporée e, de plus, conrôlen en permanence la coninuié du circui de déecion (liaison ore relais e bobinage du ore). Tes R Ies Tes de bon foncionnemen Un DDR es un appareil de sécurié. Quelque soi la echnologie uilisée, il es donc imporan qu il dispose d un disposiif de es. Si les disposiifs à propre couran apparaissen comme les plus sûrs, la mise en œuvre de la sécurié posiive avec les aures sources d énergie à «source auxiliaire» confère aux DDR une sécurié accrue qui ne doi cependan pas faire oublier la praique du es périodique. Fig. 13 : schéma de principe du circui de es périodique. c Pourquoi eser périodiquemen des DDR? Dans les fais, la sécurié posiive parfaie, noammen sur le plan du défau inerne n exise pas. C es pourquoi, en France, les DDR uilisan une source auxiliaire son réservés aux insallaions indusrielles e grand eriaire e les DDR à propre couran aux insallaions domesiques e analogues, ce qui es bien en accord avec leurs possibiliés inrinsèques évoquées ci-dessus. Dans ous les cas, le es périodique es à préconiser pour mere en évidence un évenuel défau inerne. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.15
4.5 Conraines liées au capeur de couran Le capeur es de ype ransformaeur ore. Il englobe la oalié des conduceurs acifs e de ce fai il es excié par le champ magnéique correspondan à la somme algébrique des courans circulan dans les phases e le neure. L inducion dans le ore e le signal élecrique disponible aux bornes de l enroulemen secondaire son donc l image du couran différeniel résiduel. Ce ype de capeur perme de déecer des courans différeniels de quelques milliampères à quelques dizaines d ampères. Câble avec Suivan le principe même d'un DDR, le capeur ne doi englober que les conduceurs acifs. Le conduceur de proecion doi donc êre séparé des aures conduceurs, suivan les disposiions présenées sur la figure 14. Conduceurs de fore secion Il exise des cadres sommaeurs de grandes dimensions permean de mesurer le couran différeniel, même avec des conduceurs de fore secion. La sommaion des courans à l aide de plusieurs ores es à proscrire (cf. fig. 15 ). Si la difficulé es présene dans un ableau général en aval du ransformaeur, on peu mere en place un ore en êe d insallaion, sur la liaison à la erre du neure BT du ransformaeur (cf. fig. 16 ). En effe, selon la loi des nœuds de Kirchhoff, le couran différeniel vu par () es sricemen le même que celui vu par (G) pour un défau se produisan dans la disribuion BT. Dépars de fore inensié Pour que la «réponse» du ore soi fidèle e linéaire, il fau placer les conduceurs acifs dans le ore le plus près possible de son cenre pour que leurs acions magnéiques se compensen parfaiemen en l absence de couran résiduel. En effe, le champ magnéique développé par un conduceur diminue proporionnellemen à la disance ; ainsi sur la figure 17 (ci-conre), la phase 3 provoque au poin A une sauraion magnéique locale e n a donc plus une acion proporionnelle. Il en es de même si le ore es placé à proximié ou dans un coude des câbles qu il enoure (cf. fig. 18 ci-conre). L appariion d une inducion résiduelle parasie va, pour les inensiés imporanes, faire apparaîre au secondaire du ore un signal qui peu enraîner un déclenchemen indésirable. Le risque es d auan plus imporan que le seuil du DDR es faible par rappor au couran des phases, noammen lors d un cour-circui. Dans les cas difficiles, (Iphase max. / I n) élevé, deux soluions permeen de faire face au risque de déclenchemen indésirable : c Uiliser un ore bien plus grand que nécessaire, par exemple d un diamère double de celui qui convien juse pour le passage des conduceurs, c Placer un manchon dans le ore. Ce manchon doi êre en maériau magnéique pour homogénéiser le champ magnéique (fer doux, ôle magnéique), (cf. fig. 19 ). Fig. 14 : agencemen e passage des câbles avec. Fig. 15 : cadres sommaeurs pour câbles ou barres de fore secion. HT / BT DDR G DDR Fig. 16 : le ore délivre la même informaion que le ore G. 1 2 3 Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.16
Lorsque oues ces précauions son prises : c cenrage des conduceurs, c ore de grande dimension, c e manchon magnéique, le rappor (Iphase max. / I n) peu aeindre 50 000. Il fau souligner que les DDR à ore incorporé apporen une soluion oue faie aux insallaeurs e exploians puisque c es le consruceur qui éudie e me au poin les réponses echniques, car : c Il maîrise le problème du cenrage des conduceurs acifs, e pour les faibles inensiés peu prévoir e bien réparir plusieurs spires primaires auour du ore, c Il peu faire «ravailler» le ore à inducion plus élevée pour maximiser l énergie capée e minimiser la sensibilié aux inducions parasies due aux fors courans. Fig. 19 : un manchon en maériau magnéique placé auour des conduceurs, dans le ore, rédui le risque de déclenchemens dus aux effes magnéiques des poines de couran. 1 2 3 A Fig. 17 : un mauvais cenrage des conduceurs dans le ore es à l origine de sa sauraion magnéique locale au poin A qui peu êre la cause de déclenchemens indésirables. Fig. 18 : le ore doi êre suffisammen éloigné des coudes des câbles pour évier les déclenchemens indésirables. 4.6 Applicaions pariculières Sélecivié Le bu de la sélecivié e de la coordinaion des proecions es de faire en sore que seul le dépar concerné par un défau soi mis hors ension par le foncionnemen de sa proecion. c Sélecivié «vericale» Ce ype de sélecivié es celui qui concerne le foncionnemen de deux proecions placées en série sur un circui (cf. fig. 20). Compe enu des olérances sur les seuils e les emps de déclenchemen des DDR, la sélecivié doi êre ampèremérique e chronomérique : v Ampèremérique, car selon les normes, un DDR doi foncionner pour un couran de défau compris enre I n / 2 e I n. En praique, un rappor 3 es requis enre les seuils de deux DDR pour évier un déclenchemen simulané des 2 appareils : I n (amon) > 3 I n (aval), D a D b Fig. 20 : sélecivié vericale. DDR DDR Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.17
v Chronomérique, dans le cas où le couran de défau franchi brusquemen les deux seuils de déclenchemen. En effe, il fau enir compe du emps de réacion, même minime, de ou mécanisme, auquel il fau parfois ajouer une emporisaion ou un reard volonaire. La double condiion de non déclenchemen de D a pour un défau en aval de D b es donc : I n (D a ) > 3 I n (D b ) e r (D a ) > r (D b ) + c (D b ) ou r (D a ) > f (D b ) avec : - r = reard au déclenchemen = emps de non foncionnemen, - c = emps séparan l insan où l ordre de coupure a éé donné par le relais de mesure de celui de la coupure (emps d arc compris), - f = emps de foncionnemen, de la déecion du défau à l inerrupion oale du couran de défau ; f = r + c. Les relais élecroniques peuven présener un phénomène de «mémorisaion» du défau par leur circui déeceur de seuil. Il fau alors enir compe d un «emps de mémoire», assimilable à un allongemen viruel du emps de passage du couran, pour qu ils ne déclenchen pas, même après l ouverure de l appareil aval. oa : Une aenion pariculière doi êre apporée dans la mise en œuvre de la sélecivié lorsqu il fau panacher des disjonceurs différeniels e des relais différeniels (cf. fig. 22 ci conre). En effe : - le disjonceur différeniel es défini en emps de reard -r-, - le relais différeniel es défini en emps de foncionnemen propre ou emporisé (correspondan au emps qui s écoule enre l appariion du défau e la ransmission de l ordre d ouverure à l organe de coupure), auquel il fau ajouer le emps de réacion de l organe de coupure. Il fau alors calculer les emps f e r successifs (à 2 I n, niveau de couran convenionnel pour le es de non- foncionnemen des DDR emporisés), pour chaque DDR, en remonan de la disribuion erminale vers l origine de l insallaion. a) r c a) r c b) r c b) r c Sélecivié on sélecivié Idéfau Idéfau appariion du défau Ouverure Db appariion du défau Ouverure Db Fig. 21 : la emporisaion d un DDR (a) amon doi enir compe du emps de reard e du emps de coupure du DDR (b) aval. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.18
Vigicompac r = 60 ms DDR Vigirex r = 200 ms DDR Vigirex RH r = 15 ms c = 30 ms f = 45 ms DDR Vigicompac r = 60 ms f < 140 ms DDR Fig. 22 : deux exemples de sélecivié chronomérique, associan un disjonceur différeniel de ype Vigicompac e un relais Vigirex (Merlin Gerin). A noer que ces emps son bien inférieurs aux emps de déclenchemen auorisés de la figure 9. c Sélecivié «horizonale» Parfois appelée «sélecion des circuis», prévue par la norme F C 15-100 535.4.2, elle perme l économie en êe d insallaion d un disposiif différeniel placé dans une armoire lorsque ous les dépars de cee armoire son proégés par des disjonceurs différeniels. Seul le dépar en défau es mis hors ension, les disposiifs différeniels placés sur les aures dépars (parallèles au dépar défecueux) ne voien pas le couran de défau (cf. fig. 23 ). Les disposiifs différeniels peuven êre alors à r ideniques. DDR DDR Fig. 23 : exemple d une sélecivié horizonale. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.19
Dans la praique, la sélecivié horizonale peu êre prise en défau. Ainsi il a éé observé des déclenchemens indésirables appelés «déclenchemens par sympahie» noammen en schéma IT, sur des réseaux comporan des dépars de grande longueur (capaciés parasies des câbles) ou des filres capaciifs (ordinaeur, disposiifs élecroniques ). Le déclenchemen peu survenir sur un dépar sain, comme illusré sur la figure 24. Parafoudres Selon les obligaions locales des Disribueurs d énergie, les DDR son raccordés en amon ou en aval des parafoudres. Si le DDR es placé en amon du parafoudre, il se rouve sur le chemin d écoulemen du couran généré par la foudre e il y a risque de déclenchemen. Un DDR à immunié renforcée ou emporisé es recommandé. Si le DDR es placé en aval du parafoudre, l uilisaion d un DDR sandard es possible. Courans de fuie perurbaeurs Il exise plusieurs sores de courans de fuie, suscepibles de perurber le foncionnemen des DDR : c Courans de fuie à la fréquence du réseau, c Courans de fuie ransioires, c Courans de fuie Haue Fréquence. Ces courans peuven êre «naurels», circulan à ravers les capaciés réparies des câbles dans l insallaion, ou «inenionnels», circulan à ravers de composans disposés inenionnellemen : filres capaciifs insallés sur les circuis d alimenaion des appareils élecroniques (ordinaeurs, variaeurs de viesse ). Les filres on pour obje de rendre les appareils conformes aux normes d émission e d immunié, rendues obligaoires par les direcives européennes sur la CEM. c Courans de fuie à la fréquence du réseau (50 ou 60 Hz) (cf. fig. 25 ) Ces courans son générés par la source d alimenaion e circulen à ravers les capaciés naurelles ou inenionnelles. Écoulemen du couran généré par la foudre A DDR B DDR Parafoudre Fig. 25 : dans une insallaion comporan un parafoudre, selon les obligaions locales, le DDR peu êre placé différemmen : en A un DDR immunisé ou de ype «S», en B un DDR sandard. D a (A) Réseau éendu 1 2 3 D b DDR (B) Cp DDR Fig. 24 : en présence d un défau en scéma IT, Da peu ouvrir à la place de Db. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.20
Pour un appareil monophasé, on mesure des courans de fuie permanens à 50 Hz de l ordre de 0,5 à 1,5 ma. Les courans de fuie s addiionnen si les appareils son branchés sur une même phase. Si les appareils son branchés sur les rois phases, ces courans se compensen lorsqu ils son équilibrés (la somme algébrique es nulle). Du fai de ces courans de fuie, le nombre d appareils pouvan êre raccordés en aval d un DDR doi donc êre limié. On rouvera en annexe 3 une comparaison des courans de fuie suivan le SLT (TT/T ou IT), qui jusifie que le nombre possible d appareils soi plus faible en IT qu en TT ou T. Le seuil de foncionnemen d un DDR pouvan êre égal à 0,5 I n, il es recommandé, pour ne pas craindre de déclenchemens indésirables, de limier le couran de fuie permanen à 0,3 I n en schéma TT ou T, e à 0,17 I n en schéma IT. L uilisaion de DDR avec un seuil de foncionnemen dans une plage réduie (0,7 I n à I n) perme d assouplir cee règle. Les DDR «si» ou Vigirex de la marque Merlin Gerin son dans ce cas. c Courans de fuie ransioires Ces courans se manifesen à la mise sous ension d un circui ayan un déséquilibre capaciif ou lors d une surension de mode commun (cf. fig. 26 ). A ire indicaif, une mesure effecuée à la mise sous ension d une saion de ravail comporan un filre aniparasie a révélé un couran de fuie ransioire don les caracérisiques son les suivanes : v Ampliude de la première crêe : 40 A, v Fréquence d oscillaion : 11,5 khz, v Durée d amorissemen (66 %) : 5 périodes. Les DDR ayan un cerain emps de nonfoncionnemen évien les déclenchemens indésirables qui pourraien êre causés par ce ype d onde. Par exemple : DDR de ype «si» (I n = 30 ma e 300 ma), Vigirex ainsi que les DDR ype S (I n u 300 ma). c Courans de fuie Haue Fréquence Les courans de fuie Haue Fréquence (de quelques khz à quelques MHz) on pour origine la echnique de découpage uilisée dans les variaeurs de viesse ou les ballass élecroniques pour éclairage fluorescen. Cerains conduceurs son soumis à de fors gradiens de ension (de l ordre de 1 kv/µs), ce qui génère des poines de couran imporanes à ravers les capaciés parasies des circuis. Des courans de fuie de quelques dizaines ou cenaines de ma peuven circuler en mode commun e raverser le capeur de couran du DDR, comme illusré sur la figure 27, dans le cas d un variaeur de viesse. Conrairemen aux courans de fuie à 50 Hz - 60 Hz don la somme algébrique es nulle, ces courans HF ne son pas synchrones sur les rois phases e leur somme consiue un couran de fuie non négligeable. Pour évier les déclenchemens indésirables, les DDR doiven êre insensibilisés à ces courans HF (équipés de filre passe-bas). C es le cas des DDR indusriels de la gamme Vigirex e des DDR de ype «S», «A si» e «B» de la marque Merlin Gerin. Fig. 26 : couran de fuie parcouran les capaciés réparies des câbles ou les condensaeurs d enrée des équipemens (en poinillés). a a Equipemen avec filre capaciif Fig. 27 : perurbaion d un DDR par les courans de fuie Haue Fréquence. M Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.21
Variaeurs de viesse L associaion des proecions différenielles e des variaeurs de viesse de ype «converisseur de fréquence» requier beaucoup d aenion pour enir compe simulanémen de plusieurs conraines : c couran de fuie à la mise sous ension, c couran de fuie permanen à 50/60 Hz, c couran de fuie permanen HF, c forme pariculière du couran en cas de défau en sorie de variaeur, c couran à composane coninue en cas de défau sur le bus DC. L analyse des phénomènes e les soluions à ces conraines son présenées en déail dans le Cahier Technique n 204 : Proecions BT e variaeurs de viesse. Voir égalemen l annexe 2 : Types de converisseurs e allure des courans de défau. Onduleurs Dans les insallaions comporan des sources de remplacemen comme des onduleurs, la mise en œuvre des proecions doi enir compe des différenes configuraions possibles. En pariculier : foncionnemen avec réseau ou sur baeries, inerrupeur de ransfer (by-pass) enclenché ou non, Dans l exemple de la figure 29, l insallaion en schéma TT compore une Alimenaion Sans Inerrupion. En cas d absence de ension réseau, une mise à la erre du neure en aval de l ASI es nécessaire pour le bon foncionnemen des DDR (fermeure du conaceur K). Touefois, cee mise à la erre ne serai pas indispensable pour la proecion des personnes car : c L insallaion es alors en schéma IT e le premier défau n es pas dangereux, c La probabilié d avoir un deuxième défau d isolemen pendan la durée de foncionnemen limiée par l auonomie des baeries de l ASI es rès réduie. Version modulaire Version ableau Fig. 28 : DDR inégran un filrage des courans HF (Vigirex RH99M e RH99P - marque Merlin Gerin). Dépars non secourus 3L 3L Circui by-pass Relais de déecion d'absence de ension 3L 3L Inerrupeur de ransfer 3L Inerrupeur de ransfer (Mainenance) 3L 3L Équipemens K secourus Défau alimené par l'asi auonome Défau alimené par le seceur Fig. 29 : dès la déecion de l absence du réseau sur l alimenaion de l ASI, le conaceur K reconsiue le schéma TT en aval de l ASI. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.22
5 Conclusion A l heure où l élecricié, en an que source d énergie, prend une par de plus en plus dominane, ceci dans le logemen, le eriaire e l indusrie, il éai uile de rappeler le risque élecrique, de le quanifier e de parfaire la connaissance des Disposiifs Différeniels Résiduels. Ceux-ci on, comme ous les maériels, leurs forces e leurs limies. Encore perfecibles, ces disposiifs jouen un rôle de plus en plus imporan dans la proecion des personnes e des biens. Tous les pays indusrialisés uilisen massivemen les DDR, e ceci avec des SLT différens, dans l indusrie comme dans le logemen. Globalemen, voici ce qu il y a lieu de reenir des normes e des praiques d insallaion. c Pour la proecion des personnes conre les risques de conac direc, un DDR es non seulemen rès uile mais souven une mesure complémenaire imposée par les normes, quel que soi le SLT. C es la proecion ulime des personnes. c Pour la proecion des personnes conre les risques de conac indirec, un DDR es : v obligaoire en schéma TT, v nécessaire en schéma IT s il y a plusieurs prises de erre, v à prévoir dans le cas de dépars de grande longueur en schéma T e IT. c Les DDR paricipen aussi à la proecion conre : v les risques d incendie d origine élecrique; ils consiuen la seule mesure efficace pour limier le risque incendie ayan pour origine les courans de cheminemen quel que soi le schéma des liaisons à la erre, v les desrucions de machines en schéma T. Les DDR acuels coninuen à progresser en ermes de fiabilié e d immunié aux phénomènes parasies qui ne corresponden pas à un défau d isolemen. Ce documen, en faisan mieux connaîre les proecions différenielles, doi conribuer à la sécurié de ous. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.23
Annexe 1 : calcul des ensions de conac en cas de défau On résume ici le calcul des ensions de conac en cas de défau d isolemen, suivan le ype de SLT. Pour informaions complémenaires, se reporer au CT n 172 : Les schémas des liaisons à la erre en BT (régimes de neure). Schéma T A U 0 Id D C B Ud Rd Ud = 0,8 U o 2 U 0,8 U si R = R ph e Rd = 0 Id = o o RAB + Rd+ RCD R ph +R Pour une alimenaion 230/400 V, la ension de conac Ud vau donc 92 V. Cee ension (supérieure à la ension limie convenionnelle de conac U L ) présene un danger, ce qui impose l ouverure du circui. En général, compe enu de la valeur du couran de défau Id, cee ouverure peu êre commandée par les disposiifs de déecion de surinensié. Lorsque les valeurs de résisance R ph e R son élevées ou inconnues, la proecion doi êre assurée par un DDR. Fig. 30 : ension de conac en cas de défau d isolemen en schéma T. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.24
Schéma TT U 0 Id Ud R b R a U Id o R Ud = U a o Ra + R b Ra + Rb Pour une alimenaion 230/400 V, la ension de conac es de l ordre de 115 V (si R a =R b ). Cee ension (supérieure à la ension limie convenionnelle de conac U L ) présene un danger, ce qui impose l ouverure du circui. Pour des résisances de erre de l ordre de 10 Ω, le couran de défau es voisin de 11 A. L ouverure du circui ne peu en général pas êre commandée par les disposiifs de déecion de surinensié. L uilisaion d un DDR es donc obligaoire. Fig. 31 : ension de conac en cas de défau d isolemen en schéma TT. Schéma IT Conrôleur permanen d'isolemen (CPI) If U 0 3 2 1 Limieur de surension If If Cf Cf Cf Cf Ic n Ic 1 Ic 2 Ud R b If R b If Même avec des capaciés de fuie élevées de l ordre de 1 µf, le couran de fuie If au premier défau es inférieur à 0,1 A. Il en résule une ension de conac non dangereuse, de l ordre du vol. La déconnexion n es donc pas nécessaire au premier défau. Au deuxième défau, on es ramené au cas T. Fig. 32 : ension de conac en cas de défau d isolemen en schéma IT. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.25
Annexe 2 : ypes de converisseurs e allure des courans de défau La norme E50178 (Équipemen élecronique uilisé dans les insallaions de puissance) précise les ypes de DDR à uiliser en associaion avec différens monages à semiconduceurs. Elle fourni égalemen l allure des courans de défau correspondans. Type de monage Couran principal en foncionnemen normal Couran de défau 1 L Monage mono-alernance 2 L Monage mono-alernance don la charge compore une f.e.m. 3 L1 L2 L3 Monage riphasé mono-alernance 4 L Monage en pon double-alernance 5 L Monage en pon mixe double-alernance Fig. 33 : couran de défau correspondan aux différens monages à semi-conduceurs (suie p. 27). Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.26
Type de monage Couran principal en foncionnemen normal Couran de défau 6 L1 L2 Monage en pon monophasé double-alernance enre phases 7 L1 L2 L3 Monage en pon riphasé (redressemen hexaphasé) 8 L Gradaeur à conrôle de phase 9 L Gradaeur à rain d'ondes Fig. 33 (suie de la page 26) : couran de défau correspondan aux différens monages à semi-conduceurs. Les circuis de ype 8 e 9 doiven êre proégés par des DDR de ype AC, A ou B. Les circuis de ype 1, 4 e 5 doiven êre proégés par des DDR de ype A ou B. Les circuis de ype 2, 3, 6 e 7 doiven êre proégés par des DDR de ype B. Exemples de charges nécessian le ype A ou B : c Equipemens avec redresseurs monophasés à diodes (circui de ype 4) : v Equipemens avec variaeurs de viesse monophasés (ype converisseurs de fréquence) Exemples : pompes, venilaeurs, climaiseurs, équipemens de levage / manuenion, ascenseurs, machines d emballage, machines spéciales (exile, usinage, ) Puissance nominale : 0,37 à 2,2 kw en 230 V/50 Hz (pour les puissances supérieures : l alimenaion es en général riphasée) Un défau d isolemen es possible dans le cas d uilisaion d une résisance de freinage raccordée au circui à ension coninue (bus DC). Un défau d isolemen inerne es rès peu probable. v Alimenaions pour circuis à couran coninu Exemples : équipemens de soudure, chargeurs de baeries, alimenaions de sysèmes élecroniques (auomaes, régulaeurs, cenraux éléphoniques, ), enroulemen d exciaion de moeurs à couran coninu, bobine d élecroaiman. Puissance maximale : 3 kw (pour les puissances supérieures, l alimenaion es en général riphasée). Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.27
Remarque : La plupar du emps, les équipemens inègren un ransformaeur d isolemen en amon du redresseur. Un défau d isolemen enre le circui à ension coninue e la erre ne provoque alors aucun couran de défau. Cee disposiion perme en pariculier de foncionner avec une polarié d une baerie reliée à la erre par exemple. v Alimenaion à découpage Exemples : équipemen informaique, Hifi, vidéo, c Equipemens avec redresseur monophasé à hyrisors (circui de ype 5) v Variaeurs de viesse pour moeur à couran coninu Cee echnologie es largemen supplanée par les converisseurs de fréquence, mais oujours présene. Puissance nominale : < 10 kw v Chargeurs de baeries Ce ype de redresseur es uilisé pour cerains chargeurs de baeries, mais en général, un ransformaeur d isolemen es placé en amon du redresseur. Il n y a donc pas de couran différeniel en cas de défau en aval du redresseur. Aures ypes d équipemens avec courans de défau non sinusoïdaux : c Converisseur de fréquence avec alimenaion monophasée L éage d enrée es un circui de ype 4. Pour un défau sur le circui à ension coninue, un DDR ype A convien. Lors d un défau en sorie de variaeur, l allure du couran es représenée sur la figure 34. Cee forme d onde n es pas décrie par les normes en vigueur. Des ravaux on éé iniiés à la CEI afin de couvrir égalemen ces cas pariculiers. Même si ce couran ne correspond pas à l allure donnée dans la définiion des DDR de ype A, les DDR de ype A de la marque Merlin Gerin permeen d assurer la proecion. c Converisseur de fréquence avec alimenaion riphasée L éage d enrée es un circui de ype 7, e nécessie l uilisaion d un DDR de ype B. Lors d un défau en sorie de variaeur, l allure du couran es représenée sur la figure 35. Un DDR de ype B assure parfaiemen la proecion. En l absence de risque de défau sur le bus DC, un DDR de ype A pourrai convenir, même si ce couran ne correspond pas à l allure donnée dans la définiion des DDR de ype A. 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3 Fig. 34 : couran de défau en sorie de converisseur de fréquence monophasé. 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5 A 0 A 0,01 0,02 0 0,01 0,02 0,03 0,04 Fig. 35 : couran de défau en sorie de converisseur de fréquence riphasé. (s) (s) Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.28
Annexe 3 : courans de fuie pour différens SLT Différence de couran homopolaire enre schémas TT/T e IT Considérons le schéma simplifié d un appareil alimené enre phase e neure, en schéma T. Les capaciés C son raccordées enre les conduceurs acifs e la erre pour assurer l immunié de l appareil aux perurbaions du réseau. V1 a i 1 C C Le couran mesuré par le DDR es égal à : i T = i 1 - i 2 avec i 1 = (V 1 - V 2 ).C.ω i 2 = V 2.C.ω Par ailleurs, nous avons : V 1 = V.sin ω V 2 = V.sin (ω - 2π 3 ) Calculons i T : i T = i 1 - i 2 = (V 1-2V 2 ).C.ω i V.C. sin - 2sin - 2 T = π ω ω ω 3 i V.C. sin - 2 sin.cos 2 3 - sin 2 T = π π 3.cos ω ω ω ω Fig. 36 : appareil raccordé en schéma T. Le couran mesuré par le DDR es égal à : i1 = V1.C.ω Dans le cas d un schéma IT, en supposan un premier défau sur la phase 2, le schéma simplifié es le suivan : i V.C..2 sin + 3 T = 2.cos ω ω ω Cee expression s écri aussi : i T = V.C.ω.2.a.(cosα.sinω + sinα.cosω) i T = V.C.ω.2.a.sin(ω + α) avec par idenificaion : a.cosα = 1 V1 a i 1 i 2 C a.sinα = 3 2 2 2 ( ) = + d où : a 2 cos α+ sin α 1 3 4 a C V2 Fig. 37 : appareil raccordé en schéma IT. On obien : a = 7 2 it = V.C. ω. 7sin( ω + α ) En module, le couran de fuie es 7 2,6 fois plus élevé au premier défau en IT qu en T. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.29
Il y a donc un risque de déclenchemen indésirable au premier défau en IT, ce qui condui à réduire le nombre d appareils raccordés par DDR par rappor au nombre auorisé en T. (Voir ableau récapiulaif cidessous). Limiaion du nombre d appareils raccordés par DDR : Alimenaions de poses informaiques : b. max de charges TT T-S IT par DDR 30mA si Pose bureauique * 6 4 2 Saion de ravail ** 3 2 1 * : comprend une unié cenrale, un écran e une imprimane laser. ** : comprend une unié cenrale avec exensions, un écran de grandes dimensions, e une imprimane laser. Pour des configuraions réduies, le nombre de poses peu êre augmené. Alimenaion de lampes à ballass élecroniques : b. max de ballass TT T-S IT par DDR si 300 ma 300 220 100 30 ma 30 22 10 Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.30
Annexe 4 : seuil des DDR en foncion de la ension réseau Aux USA, cerains circuis de prises de couran, sur lesquels le n es pas disribué, son proégés par un GFCI : «Ground faul circui inerruper», qui es un disposiif différeniel. Ceci es imposé par l aricle 210-8 du EC, 680-10, 511-10. Si la proecion différenielle es uilisée, elle es inégrée dans les prises, la sensibilié reenue es de 5 ma. La (ou les) raison(s) du choix de cee sensibilié de 5 ma (± 1 ma) n es pas décrie de manière explicie dans un documen, néanmoins plusieurs faceurs convergens expliquen ce choix. Il fau ou d abord remarquer que la disribuion basse ension sous 120 V en schéma T-S limie sensiblemen les risques. En effe en cas de défau d isolemen franc dans un appareil, si la résisance des conduceurs de phase (secion, longueur) es équivalene à la résisance des conduceurs de reour ( ou condui méallique), la ension de conac sur la masse des appareils défecueux sera égale à environ la moiié de la ension phase soi 60 V. Cee ension de 60 V es proche de la ension de 50 V reconnue comme non dangereuse (ension limie convenionnelle de conac). En conséquence le normalisaeur aux USA a considéré qu en raison des caracérisiques de la disribuion BT en Amérique du ord, la proecion complémenaire conre les conacs direcs n es pas aussi nécessaire que sur les réseaux riphasés 230/400 V pour lesquels la ension de conac sur la masse d un appareil en défau es double. Ceci explique pourquoi, aux USA, la proecion conre les conacs direcs ne s es pas imposée au niveau des ableaux mais au niveau des prises de cerains circuis seulemen. En cas de conac direc avec un conduceur, par exemple dans le cas d une rallonge endommagée, la ension de conac aux USA es de 120 V. L impédance du corps humain à 120 V es plus élevée qu à 230 V e se siue aux environs de 2200 Ω (valeur médiane). Le couran qui s écoulerai dans le corps de la personne serai en conséquence aux environs de 120 V/2200 Ω = 54,5 ma. Un DDR de sensibilié 30 ma déclencherai en 300 ms pour un couran de 54,5 ma (< 2 I n) selon les ables de déclenchemen des normes CEI. Ce emps es relaivemen long e la personne serai foremen «secouée» par un couran qui circulerai aussi longemps dans son corps. Pour un réseau 120 V enre phase e neure, le choix d un DDR 5 ma semble donc plus approprié car le emps de déclenchemen pour le même couran de 54,5 ma (> 5 I n) es de 40 ms seulemen. Le déclenchemen es alors aussi rapide que pour un DDR 30 ma uilisé sur un réseau 230 V. La sensibilié de 5 ma uilisée aux USA pour la proecion conre les conacs direcs au niveau des prises de couran semble donc appropriée pour le réseau T-S biphasé 240 V enre phases uilisé aux USA. Pour un réseau riphasé 230 V enre phase e neure, la sensibilié 30 ma es plus adapée pour assurer la proecion conre les conacs direcs au niveau des ableaux élecriques ou évenuellemen des prises de couran. Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.31
Annexe 5 : Bibliographie Documens de référence : c CEI 60364 : «Insallaions élecriques des bâimens». c CEI 60479-1 : «Effes du couran sur l homme e les animaux domesiques Parie 1 : Aspecs généraux». c CEI 60479-2 : «Effes du couran passan par le corps humain Parie 2 : Aspecs pariculiers» c CEI 60755 : «Règles générales pour les disposiifs de proecion à couran différeniel résiduel». c CEI 60947-2 : «Appareillage à basse ension Parie 2 : Disjonceurs». c CEI 61008 : «Inerrupeurs auomaiques à couran différeniel résiduel pour usages domesiques e analogues sans disposiif de proecion conre les surinensiés incorporé (ID)». c CEI 61009 : «Inerrupeurs auomaiques à couran différeniel résiduel avec proecion conre les surinensiés incorporée pour insallaions domesiques e analogues (DD)». c CEI 61200-413 : «Guide pour les insallaions élecriques Parie 413 : Proecion core les conacs indirecs Coupure auomaique de l alimenaion». c E 50178 : Équipemen élecronique uilisé dans les insallaions de puissance. c Evoluion des disjonceurs BT avec la norme IEC 60947-2. Cahier Technique n 150 - E. BLAC c Les schémas de liaisons à la erre en BT (régimes de neure). Cahier Technique n 172 B. LACROIX e R. CALVAS c Les schémas de liaisons à la erre dans le monde e leurs évoluions. Cahier Technique n 173 B. LACROIX e R. CALVAS c Perurbaions des sysèmes élecroniques e schémas de liaisons à la erre. Cahier Technique n 177 - R. CALVAS c Le schéma IT (à neure isolé) des liaisons à la erre en BT. Cahier Technique n 178 F. JULLIE e I. HERITIER c Coexisence courans fors - courans faibles. Cahier Technique n 187 R. CALVAS e J. DELABALLE c Proecion BT e variaeurs de viesse (converisseurs de fréquence). Cahier Technique n 204 J. SCHOEK e Y. EBO Aures publicaions c Guide de l insallaion élecrique. Schneider-Elecric CITEF Cahiers Techniques Schneider-Elecric c Proecion des personnes e alimenaions saiques sans coupure. Cahier Technique n 129 - J-. FIORIA Cahier Technique Schneider Elecric n 114 / p.32
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