Introduction

Les éléments sous tension des réseaux de distribution électrique doivent être protégés par des isolements permettant d’empêcher l’apparition de courants de fuite par des chemins imprévus, tels que les parties métalliques de construction ou les masses de récepteurs qui, à la mise sous tension, pourraient mettre en danger la vie des personnes entrant en contact avec celles-ci. Pour éviter cela, il est nécessaire que toutes les masses accessibles soient réunies par un conducteur de protection qui égalise les potentiels des masses.

D’autre part, les réseaux ne peuvent être totalement isolés de la terre car, les phénomènes atmosphériques, l’effet capacitif des lignes ou l’accumulation de charges électrostatiques, élèvent le potentiel du réseau par rapport à la terre jusqu’à produire une décharge sur les points de moindre isolement en provoquant de graves préjudices. Pour éviter cela, il est nécessaire de limiter la valeur du potentiel du réseau par rapport à la terre. Cela peut être réalisé de deux façons :

Relier un point du réseau (généralement le neutre) directement à la terre, et relier toutes les masses à la terre : schéma de distribution TT

Isoler le réseau de la terre en fixant son potentiel au moyen d’un limiteur de surtension, et relier toutes les masses à la terre : schéma de distribution IT

En distribution avec schéma TT, les courants de fuite à la terre se rebouclent au niveau du transformateur d’alimentation à travers la mise à la terre du neutre. La normalisation impose une protection contre ce type de défaut par des relais différentiels, installés en tête de lignes, qui les déconnectent dès la détection de présence d’un courant de fuite d’une valeur déterminée. Ces protections sont particulièrement recommandées sur des installations de haut rendement, de haute sécurité pour les personnes ou avec des conditions environnementales humides. Cependant, une fuite électrique fugitive, des phénomènes transitoires provoqués par des orages, des trains d’interférences ou bien de l’humidité par condensation, peuvent faire déclencher les protections différentielles laissant une partie de l’installation hors service et causant par conséquent des pertes économiques.

En distribution avec schéma IT, un défaut à la terre ne provoque pas de courant de fuite, car celui ne peut se reboucler dans le transformateur d’alimentation ; de ce fait, un contact direct ne provoque aucun dommage corporel sur les personnes, et il donc inutile de couper la fourniture électrique. La normalisation impose l’installation de dispositifs de contrôle de l’isolement qui donnent un signal d’alarme dès que se produit un défaut à la terre. Cet équipement peut être complété par un système de localisation qui, automatiquement, permet de détecter le départ électrique en défaut.

Le schéma IT est spécialement recommandé sur les installations industrielles à processus continu, les centres de calcul, les laboratoires, les installations avec des processus humides : mines, salles d’opérations hospitalières, usines d’embouteillage, traitement des eaux, boulangeries industrielles. Mais également sur des installations de services publics : fontaines lumineuses, piscines, éclairage publicitaire, voie publique, et en général dans les installations qui, pour la sécurité des personnes ou par intérêt économique, nécessitent une installation apportant sécurité et continuité de service.

Sur certaines installations, il est possible de combiner les deux schémas, à condition de les séparer par un transformateur d’isolement.

La situation de danger par décharge électrique est due au passage du courant à travers le corps humain, durant un certain temps, que ce soit par contact direct avec un conducteur actif ou bien par un contact indirect à travers une pièce métallique mise accidentellement sous tension.

La situation de danger est aggravée par la présence d’humidité, de matières inflammables, de conditions sévères de l’installation (carrière, mines, outillage portables etc.…).

Il est important pour la sécurité d’empêcher le passage du courant de fuite et de le couper en un temps suffisamment court.

Pour la sécurité des personnes, ce temps dépend de :

La tension de contact

L’intensité qui traverse le corps humain

L’intensité qui peut traverser le corps humain dépend de son impédance et varie en fonction de :

La tension et la fréquence

La personne : sexe, age, poids et hydratation de la peau,

La zone affectée : main-main, main-pied

La norme NFC 15-100 indique le temps maximum admissible par le corps humain en fonction de la tension de contact.

courbes N : conditions normales, locaux secs

courbes M : applicable aux locaux humides : volumes de protection de salles de bains, installations extérieures, zones ” pieds nus ” de piscines, douches collectives, etc.

courbes I : applicables aux clôtures électriques, volumes de protection de piscines, salles de bains, etc…

La norme CEI 479-2 montre comment réagit le corps humain avant le passage du courant.

Zone 1 : aucune réaction

Zone 2 : sensation de picotement, douleur à partir de 10mA. Il n’y a habituellement pas d’effet physiopathologique, le sujet réagit en se retirant du conducteur.

Zone 3 : il peut y avoir absence de réaction avec risque d’asphyxie, mais pas de fibrillation.

Zone 4 : risque important de fibrillation ventriculaire à partir de 250mA.

Schémas de fonctionnement :

Schéma TT ou TN

Dans les installations électriques basse tension avec neutre à la terre, la protection contre les défauts à la terre est réalisée au moyen d’un tore installé sur la ligne à protéger et d’un relais différentiel qui donne l’ordre d’ouverture au disjoncteur associé.
Le tore est installé en entourant tous les conducteurs actifs. Il réalise ainsi la somme vectorielle des champs magnétiques produits par les courants, et envoie au relais un signal proportionnel à la valeur résultante de la somme. Ce signal est analysé par le relais qui donne un ordre de déclenchement en fonction de la sensibilité et de la temporisation préalablement fixée.
Les normes recommandent que le relais doive fonctionner entre 50% et 100% de sa valeur de sensibilité. De ce fait, en usine elle est fixée à 75% de la valeur efficace du courant de fuite, que se soit en signal sinusoïdal ou pulsé (classe A, selon EN 61008/61009).

La temporisation de l’ordre de déclenchement permet d’obtenir la sélectivité entre deux protections en série et de se prémunir contre les phénomènes transitoires provoqués par les courants de magnétisation de moteurs, les alimentations à découpage, etc. La protection des personnes nécessite une sensibilité < 30mA et un déclenchement instantané.

La protection différentielle doit être installée sur les départs de tableaux de distribution afin de pouvoir détecter également les défauts entre départs qui sont compensés entre eux, notamment dans le cas où les câbles de l’installation sont très longs et où par conséquent l’effet capacitif par rapport à la terre provoque des fuites équilibrées qui se comportent comme une charge supplémentaire de l’installation.
La protection différentielle de départs alimentés par des équipements électroniques de puissance qui génèrent des interférences importantes, doit être installée en aval de l’équipement afin de réduire le risque d’interprétation des interférences comme un défaut.

Schéma IT

Sur les installations à neutre isolé, le contact d’un conducteur actif avec la terre ne provoque pas de courant de fuite, car celui-ci ne peut pas trouver de chemin pour se reboucler. Pour détecter une telle situation de défaut, il est nécessaire d’installer un contrôleur permanent d’isolement qui, en appliquant entre le réseau et la terre une tension, provoque un faible courant qui sert à mesurer la valeur de l’isolement. Si celui-ci chute en dessous d’une valeur pré déterminée, il donne un signal d’alarme ; en cas de second défaut, les protections magnétothermiques des départs en défaut fonctionneront.
L’isolement du réseau dépend de la tension, de la qualité des conducteurs, du type de charges et de la longueur des câbles, avec un minimum de 250 kOhm par 100m.
En complément du Contrôleur permanent d’Isolement, il est possible d’installer un localisateur de défaut qui permet d’indiquer rapidement quel est le départ affecté.
Quand le contrôleur réalise la mesure en appliquant une tension continue, la valeur lue est celle de la résistance totale du réseau par rapport à la terre. La recherche de défaut est réalisée directement par la détection de la présence de courant de fuite (50Hz ou 4Hz selon le dispositif utilisé) mesurés par des tores installés sur les départs surveillés. Les informations sont envoyées au contrôleur qui indique alors, en plus de mesure, quel est le départ affecté et la valeur du défaut.

Communication

Que se soit le régime du neutre, les dispositifs de contrôle et de protection peuvent, au moyen d’un réseau RS485, communiquer avec un calculateur type PC, qui avec un programme spécifique, permet le contrôle permanent des fuites présentes sur l’installation, fournissant leur valeur, leur localisation, la datation, et leur évolution sur un graphique, mis aussi le signalement des alarmes, historiques et modification des paramètres.

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Pourquoi protège-t-on les installations électriques ?

Lors de l’exploitation des lignes de transport ou de distribution de l’énergie électrique, plusieurs cas de dysfonctionnement peuvent subvenir. Il convient de préserver d’une part la sécurité des personnes, et d’autre part l’intégrité des installations.

Couper brutalement le courant n’est pas la solution miracle, car cela conduit souvent à des situations catastrophiques. En effet, l’interconnexion des réseaux peut entraîner à terme une coupure généralisée. L’idéal serait de réagir rapidement et “intelligemment”, selon la situation : on ne traite pas de la même façon une surcharge liée a l’exploitation et un défaut d’isolement (incident comme une chute de ligne).

En résumé, le cahier des charges d’un dispositif automatique (ou relais de protection) commandant un disjoncteur pourrait être le suivant :

►Sélectif
Il doit éliminer du réseau, par l’intermédiaire du ou des disjoncteurs associés, l’élément affecté d’un défaut, et seulement celui-ci.
En d’autres termes, le dispositif de protection ne doit donner d’ordres que si le défaut est dans sa zone de surveillance, et ses ordres doivent être spécifiques de la nature du défaut.

►Rapide
Il doit limiter au mieux les effets des perturbations, de manière à éviter les détériorations du matériel, et à sauvegarder la continuité de service du réseau.

►Fiable
Il doit être en mesure de remplir son rôle à tout instant sans défaillance.
Cette fiabilité est liée :
- à sa robustesse
- à la qualité des composants électromécaniques (pivotages – contacts – etc…) ou électroniques.

►Indépendant, au point de vue comportement, de la configuration du réseau
La protection ne doit pas limiter la souplesse d’utilisation du réseau protégé en prohibant certains schémas d’exploitation.

►Insensible aux anomalies de fonctionnement du réseau…
…qui ne seraient pas celles pour lesquelles la protection doit agir.

Par exemple, une protection contre les court-circuits ou les défauts d’isolement doit rester insensible aux surcharges, aux oscillations(marche hors synchronisme), afin que les équipements spécialisés pour remédier à ces cas puissent assurer leur fonction.

►Sensible
Il doit fonctionner même si les circonstances sont telles que les courants de défaut sont réduits (défauts résistants).

►Avoir une faible consommation
Les puissances demandées aux réducteurs de courant et de tension ne doivent pas être trop importantes, car le coût de ces réducteurs serait élevé.

Comment protège-t-on une installation électrique ?

La “chaîne de protection” est constituée de :

Un “disjoncteur” pouvant assurer la coupure d’un courant de défaut

Un jeu de capteurs d’intensité et de tension (ou réducteurs de mesure)

Un relais de protection qui reçoit d’une part les mesures des capteurs, les interprète et envoie d’autre part les ordres au disjoncteur.

On s’intéresse à la protection des réseaux HTA (Moyenne Tension), plus précisément à la protection ampère métrique. Cette protection, qui n’utilise que les grandeurs courant/tension disponibles au point de mesure est caractérisée par deux critères :

- la relation entre l’intensité du défaut et le temps de déclenchement du relais.
- la grandeur électrique qui permet de déterminer la direction du défaut.

Relation : Temps – Intensité

Cette relation permet à la protection d’être sélective.

Le seuil en courant, selon son niveau permet de détecter soit des défauts de surcharge soit des défauts de court circuit. On adapte le temps de déclenchement du relais en fonction l’intensité du défaut.

On peut également utiliser les réglages de temporisation afin d’assurer la sélectivité de relais “amont” avec des relais “aval” mais aussi avec des protections type “fusible”.

Le réglage des seuils en courant peut également être utilisé pour assurer la sélectivité d’un réseau où l’on doit gérer plusieurs niveaux de tension.

Directionnalité

Un défaut d’isolement sur une ligne ou un câble créé des déséquilibres sur les lignes ou câbles adjacents se traduisant par la remonté de courants capacitifs de fuite. Le sens de ces courants étant inverse au défaut de la ligne en question, il faudra que les protections y soient insensibles. D’où la notion de directionnalité: le relais voit passer le courant dans un seul sens.

Pour cela, le relais a besoin des grandeurs “tension” comme référence pour déterminer le déphasage de chaque phase.

En d’autres termes, une protection directionnelle de terre, ne voit passer que les défauts, pas les courants capacitifs.

Les relais directionnels sont aussi utiliser sur des topologies de réseaux industriels en boucle afin d’isoler sélectivement le tronçon de réseau en défaut. Pour des réseaux étendus, comme ceux utilisé en HT, on utilise le principe de la protection de distance.

Réenclencheurs

Sur les installations situées dans des lieux peu accessibles ou sans présence de personnel habilité, un défaut électrique momentané peut entraîner le fonctionnement des protections correspondantes, mettant l’installation hors service jusqu’à ce qu’elle soit réarmée manuellement.

Les dispositifs de réenclenchement permettent de restituer automatiquement la fourniture électrique.

Leur emploi est spécialement recommandé dans les installations non gardiennées de service public comme les émetteurs de radio, de télévision, téléphonique, les radio-balises, etc., ainsi que les installations industrielles de service, ou domestiques telles que les laboratoires, fours, éclairage public, feux de signalisation, parking, caisses automatiques, chambres frigorifiques, systèmes anti-incendies, etc. où l’interruption de service de la fourniture électrique peut provoquer des pertes économiques ou bien des situations dangereuses.

La principale cause des déclenchements intempestifs est due aux phénomènes transitoires, provoqués par la foudre, des trains d’interférences ou l’humidité par condensation. Ces phénomènes provoquent le déclenchement des protections différentielles, ainsi que des surcharges momentanées ou de petits courts-circuits qui provoquent le déclenchement en cascade des protections magnéto thermiques.

La remise en service s’effectue en fermant le disjoncteur qui a déclenché par l’intermédiaire d’une commande électrique, qui reçoit l’ordre de fermeture en provenance d’un relais de réenclenchement, selon une séquence d’un nombre de fermetures et de temps d’attente entre elles, préalablement programmés.

Il existe différents relais de réenclenchement en fonction de la séquence, du type de disjoncteur que l’on désire réenclencher ou de protection : différentielle, magnéto thermique, ou différentielle et magnéto thermique, ce qui permet une grande quantité de combinaisons possibles et par la même choisir la plus adéquate par rapport aux besoins de protection et de continuité de service.

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SOMMAIRE simplifié :

Rappels : Définitions, ordres de grandeur, calculs des courants divers, normes
Régime de neutre : Classification, différents régimes
Réseau à courant continu isolé : Description, obligations légales
Principes de fonctionnement des dispositifs de protection : Mesures, CPI, localisation de défauts, dispositifs différentiels, parasurtenseur, protections

Guide Technique IRELEC