Principe général de la protection 1 - Les différents types de défaut Une augmentation ou une diminution anormale des grandeurs nominales dans un circuit électrique constitue un défaut ou une perturbation. Ce sont le plus souvent les variations anormales de la tension, de l intensité et de la fréquence qui sont à l origine de ces perturbations. Les défauts les plus courants sont : Surintensité par surcharge. Surintensité par court-circuit. Surtension. Baisse ou manque de tension. 1 1 La surcharge Définition : Elévation de l intensité de 1 à 10 In d un circuit due par exemple à une surabondance des récepteurs. Conséquences : Echauffement lent et progressif des parties actives, des masses métalliques, des isolants Moyens de protection : Relais thermique fusible déclencheur thermique du disjoncteur. 1 2 Le court-circuit Définition : Elévation brutale de l intensité de 10 à 1000 In dans un circuit due à une liaison accidentelle de deux points de potentiel différents (PH et N). Conséquences : Arc électrique, échauffement important pouvant entraîner la fusion des parties actives (soudure des contact, projection de particule). Moyens de protection : Déclencheur magnétique du disjoncteur, fusible. 1 3 La surtension Définition : Augmentation soudaine et importante de la tension due par exemple à un coups de foudre, à un contact entre HTA et BTA. Conséquences : Claquage des isolants avec pour conséquence des courts-circuits éventuels. Moyens de protection : limiteur de surtension, relais de surtension, parafoudre. 1-4 La baisse ou le manque de tension Définition : chute de tension, trop importante dans un réseau, déséquilibre d un réseau triphasé de distribution. Conséquences : Mauvais fonctionnement des récepteurs Moyens de protection : Relais à minimum de tension, alimentation autonome.
2 - Protection contre les surintensités 2 1 Principes de la protection Tout dispositif de protection doit à la fois détecter la perturbation et couper le circuit qui est à l'origine de cette perturbation. Dans le cas des surintensités on doit définir le rôle du dispositif : Protection contre les surcharges. Protection contre les courts-circuits. Protection contre tous les types de surintensité. L'autre point important est de savoir si l'appareil est capable d'éliminer sans dommage le défaut. 2 2 Principe de la protection contre les surcharges La protection efficace d'une canalisation électrique est assurée par la coordination des caractéristiques liées aux possibilités de la canalisation et les caractéristiques de fonctionnement du dispositif de protection. Le croquis ci-dessous met en évidence cette coordination. On résume le croquis ci-contre par deux inégalités : IB In Iz Iz I 2 1.45Iz 2 3 Principe de la protection contre les courts-circuits Une des caractéristiques essentielle d'un dispositif de protection contre les courtscircuits est son pouvoir de coupure Définition : C est le courant maximal que peut interrompre sans détérioration un appareil de coupure.
Toute canalisation est définie par sa contrainte thermique. En fonction de la section, du courant de court-circuit, de la nature de l'âme et de celle de l'isolant, on calcule le temps pendant lequel le conducteur peut véhiculer le courant de court-circuit sans que sa température ne dépasse la valeur maximale qu'il peut supporter. t = S K. Icc La valeur du coefficient K est de : 115 pour les conducteurs en cuivre isolés au PVC 135 pour les conducteurs en cuivre isolés au caoutchouc ou butyle 143 pour les conducteurs en cuivre isolé au PR ou à l'éthylène propylène 74 pour les conducteurs en aluminium isolés au PVC Application : Calculer le temps maximal de fusion d'un fusible placé dans le sectionneur de l'installation du garage sans que les canalisations ne soient endommagées. Le conducteur H07 V V F 3G16 qui alimente l'installation doit supporter un courant de court circuit estimé à 2000 A.
Les schémas de liaison à la terre - Régimes de neutre - Une installation est caractérisée par : les conditions de son alimentation Les schémas de distribution conducteurs actifs / terre. 1 - Alimentation Les principales caractéristiques d une installation sont : Nature du courant alternatif ou continu Valeur de la tension efficace Valeur de la fréquence Valeur présumée du courant de court-circuit à l origine de l installation 2 - Schéma des conducteurs actifs Un conducteur actif est un conducteur affecté à la transmission de l énergie, y compris le conducteur neutre en courant alternatif Le réseau français de distribution publique BT est généralement du type triphasé avec neutre distribué. Schéma de distribution du réseau BT français à partir du secondaire du transformateur HTA / BTA 3 - Schémas des liaisons à la terre 3-1 Justification des liaisons à la terre L autre appellation des schémas de liaison à la terre est Régime de neutre Les régimes de neutre caractérisent : Le mode de raccordement à la terre du neutre du transformateur de livraison. Les moyens de mise à la terre des masses de l utilisation. On choisira un régime de neutre plutôt qu un autre en fonction de ce que l on souhaite concernant la nature et l efficacité la protection des personnes contre les contacts indirects
3 2 Définitions : Terre : Masse conductrice de la terre dont le potentiel électrique en chaque point est pris par convention égale à 0V Masse de l installation ou masse d utilisation : Ensemble des parties métalliques de l installation est des récepteurs qui sont normalement isolés des conducteurs actifs. 3-3 Symbolisation des liaisons Un schéma de liaison à la terre est défini par deux lettres : (Parfois une troisième lettre permet de définir plus précisément un régime de neutre.) 1 ière lettre Signification T Neutre du transformateur relié directement à la terre I Neutre isolé de la terre ou relié à la terre par l intermédiaire d une impédance 2 nde lettre Signification T Masses d utilisation reliées directement à la terre N Masses d utilisation reliées au neutre lui même relié à la terre 4- Définition des différents schémas 4-1 Schéma TT Neutre à la terre Masse reliée à la terre Transformateur HTA / BTA 20 KV 230 V / 400 V
4 2 Schéma TN Neutre à la terre Mise au neutre des masses d utilisations Deux possibilités sont envisageables : Le neutre et le conducteur de protection sont séparés : Le neutre et le conducteur de protection sont confondus : on parle de schéma TNS on parle de schéma TNC Transformateur HTA / BTA 20 KV 230 V / 400 V Schéma TN-S Transformateur HTA / BTA 20 KV 230 V / 400 V Schéma TN-C 4 3 Schéma IT Neutre isolé ou impédant. Masses à la terre. Transformateur HTA / BTA 20 KV 230 V / 400 V
Influences externes et indices de protections dans les installations électriques 1 - Influences externes 1-1 Définition Ce sont des contraintes physiques ou techniques que fait supporter le milieu dans lequel est placé l appareil. La connaissance des influences externes permet : D assurer la protection des personnes. De choisir le matériel. De choisir les modes de poses et le type des canalisations. 1 2 Dénomination des influences externes Les influences externes sont définies par deux lettres et 1 chiffre La première lettre définit la catégorie générale des influences externes : A : environnement B : Utilisation et C : construction des bâtiments. La deuxième lettre concerne la nature de l influence externe ou la nature du risque...... A : température, D : présence d eau, G : chocs mécaniques, Le chiffre définit la classe de chaque influence externe. Note : Un chiffre important ne signifie pas obligatoirement un degré de sécurité important. 1 3 Conditions normales Température ambiante entre 5 c et 40 c : AA4. Condition climatique AA4 avec un taux d humidité entre 5% et 95% : AB4. Pour les autres de AC à AR c est la classe 1. Pour tous les C., c est la classe 1. Pour tous les B., sauf BC2, c est la classe 1. 1-4 Classification des locaux ou emplacements Les locaux ou les emplacements domestiques sont classés en fonction des influences externes : AA4
2 - Indices de protection 2 1 Indice de protection IP Un indice de protection IP est défini par 2 chiffres qui caractérisent : Premier chiffre : protection contre la pénétration des corps solides Deuxième chiffre : protection contre la pénétration des liquides Elément Chiffre Signification pour la protection des matériels Contre la pénétration de corps étrangers PREMIER CHIFFRE DEUXIEME CHIFFRE Signification pour la protection des personnes Contre l accès aux parties dangereuses avec : 0 non protégé non protégé 1 de diamètre 50 mm dos de la main 2 de diamètre 12,5 mm doigt 3 de diamètre 2,5 mm outil 4 de diamètre 1 mm fil 5 protégé contre la poussière fil 6 étanche à la poussière fil Contre la pénétration d eau avec effets nuisibles 0 non protégé 1 gouttes d eau verticale 2 gouttes d eau (15 d inclinaison) 3 pluie 4 projection d eau 5 projection à la lance 6 projection puissante à la lance 7 immersion temporaire 8 immersion prolongée 2 2 Protection contre les chocs mécaniques indice IK On complète parfois la désignation de l indice de protection par un chiffre (02, 07, 08 ou 10) qui définisse l indice de protection contre les chocs : Chiffres Nature des chocs 02 faibles 07 moyens 08 importants 10 très important Application : Définir les indices IP21-02 et IP33-08 Donner pour chaque local ou emplacement les influences externes ainsi que l'indice de protection. Chambre :.................................................................. Cuisine :................................................................... Salle d eau volume 0 :......................................................... Salle d eau volume 3 :.........................................................
Protection contre les contacts directs 1 - Généralités sur la protection contre ce type d accident Le contact direct : contact d une personne avec les parties actives d une installation sous tension. Les moyens permettant de se protéger efficacement contre les contacts directs : TBTS. Isolation des parties actives. Mise en place de dispositifs assurant l inaccessibilité. L éloignement. 2 - La très basse tension de sécurité 2 1 Caractéristiques de la très basse tension de sécurité Des tensions dites non dangereuses sont définies en fonction des locaux. Ce sont les tensions limites de sécurité UL. Les différents locaux sont : UL = 50 V Locaux sec ou humides. UL = 25 V Locaux mouillés. UL = 12 V Immergés. 2 2 Nature de la source On peut utiliser plusieurs types de sources de sécurité. La source principale est un transformateur de sécurité. 2 3 Conditions d installation Condition 1 : Aucune partie active du réseau TBTS ne doit être reliée à la terre Condition 2 : Les masses des matériels électriques alimentées par ce réseau ne doivent pas être reliées à la terre. Condition 3 : Les parties actives d un réseau TBTS doivent être bien isolées par rapport aux parties actives d autres réseaux. Condition 4 : Les circuits TBTS doivent emprunter des canalisations distinctes, à moins d utiliser des câbles multipolaires ou des conducteurs isolés sous conduits. Condition 5 : Les socles de prises de courant ne doivent pas comporter de contact de terre.
2 4 Conclusion La TBTS permet de se protéger contre les contacts directs et les contacts indirects sans coupure de l alimentation. La puissance de ces installations est souvent limitée. Les utilisations sont : outils portatifs, lampes baladeuses, jouet, appareils médicaux. 3 - Le transformateur de sécurité Ce type de transformateur se caractérise essentiellement par un grand isolement entre le circuit primaire et le circuit secondaire. La tension de secondaire est inférieure à 48 V et la tension primaire appartient au domaine BTA. Les caractéristiques essentielles sont données dans le tableau 3a page 29, ainsi que les principales applications. 4 - Isolation des parties actives Principe : Les parties actives doivent être complètement recouvertes par une ou plusieurs enveloppes isolantes. 5 - Inaccessibilité des parties actives Il existe essentiellement trois moyens pour empêcher l accès aux matériels sous tension : Utilisation de barrière ou d enveloppe (armoire et tableaux avec un IP au moins égal à IP2 xx). Au moyen d obstacles (prises à éclipses ou à volets obturateurs). Mise hors de portée par éloignement. 6 - Mesure complémentaire par coupure de l alimentation Toutes les mesures précédentes ne sont pas infaillibles. On peut aussi protéger les personnes contre un contact direct phase terre seulement en utilisant : Un dispositif différentiel à courant résiduel haute sensibilité. Ph N Explication : Un contact direct phase / terre est équivalent à un courant de défaut. Remarque Dans le cas d un contact direct phase neutre, la personne n est pas protégée car il n y a pas de courant de fuite à la terre.
Protection contre les contacts indirects sans coupure de l alimentation Le contact indirect : Contact d une personne avec les parties métalliques d une installation normalement isolées mais pouvant être portées accidentellement à un potentiel dangereux. On peut se protéger contre les risques de contacts indirects sans coupure automatique de l'alimentation : TBTS. Renforcement de l isolation. Séparation des circuits. Eloignement ou interposition d obstacle entre les masses simultanément accessible. Liaison équipotentielle locale non reliées à la terre 1 - La très basse tension de sécurité TBTS Même conditions que pour les contacts directs. 2 - Matériels de la classe II ou matériels équivalents Les matériels de classe II (appelés aussi matériels double isolation) possèdent: Une isolation principale des parties actives. Une isolation supplémentaire de protection totalement indépendante et destinée à assurer la protection des personnes. Le symbole caractéristique d'un matériel de classe II est : Norme concernant l'appellation classe II: Double isolation d'un matériel de classe II Les parties conductrices de ce type de matériel ne doivent pas être reliées à la terre. 3 - Isolation supplémentaire lors de l'installation On peut réaliser lors de l'installation d'un matériel qui n'est pas de classe II une double isolation. Cette solution est applicable dans la mesure où l'on s'assure que tout est mis en œuvre pour éviter tout contact avec des parties métalliques ou avec le potentiel de terre. On doit apposer sur l'enveloppe assurant la double isolation le symbole :
4 - Séparation de sécurité des circuits Que risque la personne dans le cas d'un défaut d'isolement sur le récepteur? Ph Transformateur de séparation 230 V 230 V N Il ne peut y avoir de boucle de défaut grâce à la séparation des circuits. Principe de la séparation des circuits: en utilisant un transformateur de séparation des circuits, on évite à une personne d être soumise à un potentiel dangereux par rapport à la terre car le neutre n est pas relié à la terre. Un transformateur de séparation sera utilisé. Il sera de classe II. Symbole du transformateur de séparation des circuits Exemples d'application : prise de rasoir dans la salle d eau............................ Souvent un seul récepteur est alimenté par un circuit séparé BT. 5 - Eloignement ou interposition d'obstacles Le principe est de rendre simultanément inaccessibles deux masses par une même personne: Sol et parois isolants......................... Disposition empêchant le contact simultané des deux masses.................... Absence de tout conducteur de protection................... 6 - Liaisons équipotentielles locales Dans ce cas, que se passe-t-il si le moteur présente un défaut d isolement? La personne n est soumise à aucun potentiel car elle touche que des objets au même potentiel.
Protection des biens Structure typique d une installation Domaine public Domaine privée Récepteur Récepteur Observation En cas de défaut d un récepteur, le seul élément qui limite le courant est la ligne. Celle-ci est de suite détériorée ou largement endommagée. Son remplacement entraîne beaucoup de frais. (Câble, main d œuvre pour ouvrir les canalisations). C est pourquoi malgré leur prix, on trouve des éléments de protection. Différents types de dangers Le problème de la protection des installations consiste à définir la nature des défauts contre lesquels on doit se protéger. Les principales perturbations sur une installation électrique se traduisent par : Des surcharges. Des courts-circuits. Les surtensions ou baisses de tension
1 Surintensité 1 1 Définition On appelle surintensité tout courant supérieur à la valeur assignée ( valeur nominale d emploi). Surcharge : Demande de puissance plus importante pour un circuit électrique. On distingue deux types de surcharges. Surcharge temporaire Court-circuit : Elévation brutale du courant absorbé par le circuit due à un contact électrique entre deux conducteurs de polarité différente. Cause possible : Augmentation du courant d un moteur de levage lors de la montée. Cause possible : Deux conducteurs dénudés qui se touchent Surcharge prolongée Causes possibles : Moteur bloqué Plusieurs radiateurs sur une même prise
1 2 Les effets sur le matériels Surintensité : Les surintensités sont les causes principales des incendies électriques. Surcharge Court-circuit Les courants de surcharge entraînent Les courants de court-circuit engendrent deux l élévation de la température dans les effets : conducteurs, la dégradation de leur isolant et leur vieillissement prématuré. Thermique Câble Electrodynamique Transformateur d un poste EDF Ces deux effets peuvent entraîner le sectionnement et la détérioration des câbles d alimentation ainsi que la détérioration complète ou partielle d un équipement électrique.
2 Protéger contre les surintensités 2 1 fonction d usage Les dispositifs de protection ont pour fonction de protéger : Les sources et les canalisations des surcharges et des courts-circuits. Les récepteurs des surcharges (lors d un court-circuit le récepteur est déjà endommagé) 2 2 Principe de fonctionnement des protections La chaîne fonctionnelle de protection comporte deux parties : La détection du défaut est réalisée par des détecteurs à l aide des lois de l électricité. L élimination du défaut, qui dans la plupart des cas, s effectue en coupant le circuit dans lequel siège le défaut. 2 3 Protection par cartouche fusible Détection par : Le passage du courant dans un fil produit de la chaleur qui échauffe le conducteur selon la relation : effet thermique Elimination : La fusion du fil fusible entraîne la coupure du circuit en défaut.
2 4 Protection par disjoncteur ou par relais thermique et magnétique associé à un contacteur Détection par effet thermique pour la détection des surcharges Un élément bimétallique formé de deux lames minces de métaux ayant des coefficients de dilatation différents, s incurve lorsque sa température augmente. Pour ces bilames, on utilise un alliage ferro-nickel et de l invar. Les lames dont intimement liées par soudage. Lame à coefficient de dilatation nul Conducteur pour le passage du courant Support formant point fixe Lame à coefficient de dilatation élevé Ensemble bimétal après échauffement Détection par effet magnétique pour la détection des courts-circuits. Le passage d un courant dans un enroulement autour d un noyau métallique produit un flux magnétique (électroaimant). Si le courant qui traverse la bobine est suffisant l armature mobile est attirée par l électroaimant. Circuit magnétique fixe Bobine Elimination par séparation des contacts La séparation des contacts provoque la coupure du courant La protection consiste à ouvrir rapidement le circuit électrique après une détection par effet thermique ou magnétique.
3 Coupure d un circuit électrique Arc électrique Schéma électrique équivalent k u r e R L e R L On modélise l interrupteur par une résistance variant de 0 à 3 1 Interruption en courant continu i (t) r (t) t1 t2 Même si le temps de coupure est très petit, on doit dissiper l énergie due à l inductance soit ½LI² - l interrupteur doit pouvoir absorber cette énergie t 3 2 Interruption en courant alternatif 3 2 1 Aspect courant i (t) i0 i1 i2 On comprend bien l importance de l instant de coupure par rapport au courant NOTION DE SYNCHRONISME 3 2 2 Aspect tension t Si l ouverture est infiniment rapide la variation de la résistance modélisant l interrupteur l est aussi comme le courant. u e t - On se fixe une limite à ne pas dépasser pour la valeur de surtension. On définit la loi de variation de la résistance de l interrupteur. La tension que prend l interrupteur ouvert tend vers la tension du générateur. Pour que la tension ne soit pas infinie il faut une vitesse d ouverture de l ordre du km/s. NOTION DE TENSION DE RETABLISSEMENT Conclusions : L ouverture d un circuit oblige à la dissipation de son énergie dans l interrupteur. Dans la plupart des cas il y a création d un arc électrique. On considère que le circuit est coupé à l extinction de celui-ci, bien commandé l arc le permet.
4 L arc électrique 4 1 Définition L arc électrique résulte de l ionisation de l air ou du diélectrique provoquée par la séparation brutale des deux contacts d un appareil de coupure. Cette ionisation est due à la distance très faible entre les contacts au début de la coupure. L arc est assimilable à un conducteur mobile. Il faut couper l arc pour couper le courant. Une formule, établie par Mme AYRTON, montre que cette tension est de la forme : U arc = A + B. l A : Chute de tension aux bornes des électrodes 4 2 Solutions technologiques de coupure de l arc B. l : Chute de tension due à la longueur de l arc 4 2 1 Refroidissement de l arc Utilisation de matériaux réfractaire Convection par cheminée 4 2 2 Etouffer l arc Utilisation de la silice dans les cartouches fusibles L augmentation de température (2000 c) due à la présence de l arc fait fondre la silice. Celleci en fondant refroidit l arc et se solidifie.
4 2 3 Augmentation de la tension d arc Uarc = A + B. l Augmentation de la longueur Augmentation des chutes de tension anodiques et cathodiques B. l : Augmentation de la longueur Utilisation des forces électrodynamiques pour allonger l arc Utilisation du soufflage magnétique pour allonger l arc A : augmentation de la chute de tension anodique et cathodique Fractionnement de l arc par des plaquettes Combinaison fractionnement + allongement de l arc
Coupe-circuit à fusibles 1 Constitution Matériau isolant haute résistance mécanique, température > 200 C Mobile recevant la cartouche A percuteur pour des intensités inférieures à 125 A Pour les fortes intensités Tube en stéalite. Capsule de contact à fond renforcé. Disque de centrage de la lame. Plaquette de soudure. Lame fusible à striction (Al, Cu, Zn, Ag). Sable refrigérant et extincteur de l arc (silice).
2 Différents types de fusible Classe gg : Pour protéger les circuits contre les faibles et les fortes surcharges et également contre les courts-circuits. Classe am : Accompagnement moteur doivent être associés à déclencheur thermique. Classe Gl : Temporisé. 3 Grandeurs
Tension nominale Courant nominal In Courant conventionnel de non fusion Inf : courant pouvant être supporté pendant le temps de non fusion. Courant conventionnel de fusion If : courant qui provoque la fusion avent la fin du temps de fusion. Temps conventionnel : durée qu il faut pour avoir la fusion à In 4 Caractéristique Temps Courant : Contrainte thermique La contrainte thermique I². t s exprime en A².s Exemple : une cartouche am 10A supporte 10 A indéfiniment ou 800 A pendant 10 ms. 5 choix des calibres des fusibles 5 1 Cas des installations électriques intérieures Courant assigné maximal Section du conducteur à protéger 10A 20A 25A 32A 1.5 mm² 2.5 mm² 4 mm² 6 mm² 5 2 choix des calibres des cartouches gg dans le cas général
Le disjoncteur magnéto thermique 1 Constitution t x In t x In t Ith Imag Borne de raccordement Bilame thermique x In PdC Type de courbe Bobine électromagnétique PdC Cheminée de soufflage de l arc PdC Classe de limitation Contact mobile Borne de raccordement Ith 1 : non limité 2 : 160 000 A².s 3 : 55 000 A².s classe 3 : I < 32A
2 Plage de fonctionnement des déclencheurs Plages de fonctionnement des déclencheurs Déclenchement thermique Déclenchement magnétique In 2In 3In 5In 10In 12In 14In B MA C Z D & K Circuits à faible courant d appel. Circuits et récepteurs à fort courant d appel. Circuits à courant d appel moyen Circuits électronique Circuits à fort courant d appel Pas de protection thermique moteur - démarreur
Déclencheur Différentiel Résiduel 1 Type de protection assurée Protection des biens surcharge déclencheur thermique Court circuit déclencheur magnétique Protection des personnes déclencheur à courant résiduel Contact indirect : C est le contact des personnes avec des masses accidentellement mises sous tension. Une masse est une partie conductrice susceptible d être touchée et normalement isolée des parties actives. 2 Principe i = K( i ) u = K( ) Bouton de déclenchement Bouton d enclenchement Déclencheur magnétothermique Electro-aimant Tore magnétique Bobine de détection Bobine de la phase Bobine de neutre
3 Sensibilité La sensibilité désigne la valeur du courant de fuite, ou courant résiduel de défaut, pour laquelle le disjoncteur déclenche. In Ul Ra Exercice : Dans un atelier, on a réalisé une prise de terre dont la valeur mesurée est de 80. Déterminer la valeur de la tension de sécurité et la valeur de la sensibilité du DDR pour effectuer la protection des personnes contre les contacts indirects. 4 Sensibilité réelle Les tolérances de construction font qu un déclencheur va agir dans l intervalle In déclenchement in 2 5 Cas d application