Protection des réseaux électriques

161 lecture(s)

Cet ouvrage contient les informations théoriques et pratiques permettant de concevoir et de régler le système de protection d'un réseau électrique. Les explications pratiques sur le fonctionnement des protections et les tableaux récapitulatifs de réglage rendent ce livre accessible à tout lecteur quel que soit son niveau de connaissance, et en font un outil de travail quotidien.
1. Les régimes du neutre 2. Etude des courts-circuits 3. Les réducteurs de mesures 4. Les fonctions de protection et leurs applications 5. Les dispositifs de coupure des surintensités 6. La sélectivité des protections 7. Protection des différents éléments du réseau Annexes

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Protection
des réseaux
électriques
Christophe Prévé
III:R>II:S Protection des réseaux électriques © Editions HERMES , Paris, 1998
Edition s HERMES
8, quai du Marché-Neuf
7500 4 Paris
ISB N 2-86601-688-2
Catalogage Electre-Bibliographie
Prévé, Christophe
Protection des réseaux électriques. - Paris : Hermès, 1998.
ISBN 2-86601-688-2
RAMEAU : réseaux électriques (circuits)
circuits électriques : mesures de sécurité
DEWEY : 621.3 : Physique appliquée. Energie électrique. Electroénergétique
Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une
part, que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non
destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations
dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou
partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est
illicite" (article L. 122-4).
Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc
une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété
intellectuelle. Protection
des réseaux
électriques
Christophe Prévé
HERME S EXTRAIT DU CATALOGUE GÉNÉRAL
Revue internationale de génie électrique,
rédacteur en chef, Jean-Claude SABONNADIÈRE, 1998.
Le micro-contrôleur 68HC11, Bernard BEGHYN, 1997.
Magnétisme et matériaux magnétiques pour l'électrotechnique,
Pierre BRISSONNEAU, 1997.
La maintenance basée sur la fiabilité - guide pratique d'application de la RCM,
Gilles ZWINGELSTEIN, 1996.
Le contact électrique - volume 2 - phénomènes physiques et matériaux,
coordonnateur Louis FÉCHANT, 1996.
Le contact électrique - volume 1 - l'appareillage de connexion,
coordonnateur Louis FÉCHANT, 1995.
Les supraconducteurs, Pascal TIXADOR, 1995.
Diagnostic des défaillances - théorie et pratique pour les systèmes industriels,
Gilles ZWINGELSTEIN, 1995.
Eléments de génie électrique - connaissances de base et machines statiques,
Marcel IVANES, Robert PERRET, 1994.
Les diélectriques - propriétés diélectriques des matériaux isolants, Roland COELHO,
Bernard ALADENIZE, 1993.
Dispositifs de l'électronique de puissance - volume 1, volume 2, Jacques ARNOULD,
Pierre MERLE, 1992.
Variation de vitesse, Yvon PEERS et al, 1991.
Serveur web : http://www.editions-hermes.fr Table des matières
Préface 21
Symboles graphiques des schémas3
1. Les régimes du neutre7
1.1. Les schémas de liaison à la terre en basse tension 29
1.1.1. Définition du schéma IT 2
1.1.2.n dua TT 30
1.1.3. Définition du schéma TN
1.1.4. Comparaison des schémas de liaison à la terre 32
1.1.4.1. Caractéristiques du schéma IT
1.1.4.2.s dua TT4
1.1.4.3.s des schémas TNC et TNS
1.1.5. Particularités d'installation en régime de neutre isolé
basse tension 35
1.1.5.1. Installation d'un contrôleur permanent d'isolement 36
1.1.5.2.n d'un limiteur de surtension 3
1.1.5.3. Recherche des défauts à la terre par un générateur
basse fréquence6
1.2. Les régimes du neutre en haute tension 38
1.2.1. Neutre mis directement à la terre
1.2.2.e isolé9
1.2.3. Neutre mis à la terre par résistance de limitation 40
1.2.4. Neutre mis à la terre par reactance de limitation1
1.2.5.e mis à la terre pare den accordée
1.2.6. Réalisation de la mise à la terre par résistance de limitation
en haute tension 43
1.2.6.1. Mise à la terre lorsque le neutre est accessible 4
1.2.6.2. Mise à la terre par la création d'un neutre artificiel4 6 Protection des réseaux électriques
1.2.6.3. Mise à la terre par résistance lorsque plusieurs
transformateurs fonctionnent en parallèle sur un jeu de barres 45
1.2.6.3.1. Chaque transformateur possède une résistance
de mise à la terre non déconnectable 45
1.2.6.3.2. Chaquer possède une résistance
de mise à la terre déconnectable6
1.2.6.3.3. Aucun transformateur ne possède une résistance
de mise à la terre 4
1.2.6.4. Mise à la terre par résistance lorsque plusieurs
transformateurs fonctionnent en parallèle sur deux jeux de barres . . 4
1.2.7. Particularités d'installation en régime de neutre isolé HTA 48
1.2.7.1. Surveillance de l'isolement
1.2.7.1.1. Surveillance de l'isolement par une protection à
maximum de tension résiduelle8
1.2.7.1.2. Surveillance de l'isolement par un contrôleur
d'isolement
1.2.7.2. Recherche du premier défaut d'isolement 50
2. Etude des courts-circuits 51
2.1. Etablissement des courants de court-circuit et forme de l'onde 52
2.1.1.t du court-circuit aux bornes de l'alimentation
du distributeur
2.1.1.1. Evolution des valeurs crêtes négatives 56
2.1.1.2. Conséquences du courant transitoire7
2.1.2. Etablissement du court-circuit aux bornes d'un alternateur 58
2.1.2.1. Evolution des valeurs crêtes 6
2.1.2.2. Système de maintien du courant de court-circuit
à environ 3 I„ 62
2.2. Le court-circuit triphasé
2.3. Les courts-circuits déséquilibrés4
2.3.1. Méthode des composantes symétriques5
2.3.2. Expressions des courants de court-circuit déséquilibré 68
2.3.2.1. Valeur du courant det monophasé-terre
2.3.2.2.r dut de court-circuit biphasé-isolé
2.3.2.3. Valeur du courant det biphasé-terre 68
2.4. Méthode de calcul des courants de court-circuit 69
2.4.1. Impédance équivalente d'un élément à travers un transformateur 6
2.4.2.e des liaisons en parallèle 70
2.4.3. Valeurs des impédances des éléments du réseau1
2.4.3.1. Remarque générale concernant les impédances directes .. . 71
2.4.3.2.eet less inverses .. . 7
2.4.3.3. Impédances du réseau de distribution publique 7
2.4.3.3.1. Impédance directe1 Table des matières 7
2.4.3.3.2. Impédance inverse 72
2.4.3.3.3.e homopolaire
2.4.3.4. Impédance des alternateurs3
2.4.3.4.1. Impédance directe4
2.4.3.4.2.e inverse5
2.4.3.4.3. Impédance homopolaire
2.4.3.4.4. Caractéristiques électriques typiques des alternateurs . 76
2.4.3.5. Impédance des moteurs asynchrones 78
2.4.3.5.1. Impédance directe
2.4.3.5.2.e inverse
2.4.3.5.3. Impédance homopolaire
2.4.3.6. Impédance des transformateurs
2.4.3.6.1. Impédance directe 79
2.4.3.6.2.e homopolaire 80
2.4.3.6.3. Caractéristiques électriques typiques
des transformateurs2
2.4.3.7. Impédance des liaisons3
2.4.3.7.1. Résistance des lignes aériennes, des câbles
et des jeux de barres 8
2.4.3.7.2. Reactance directe des lignes aériennes 84
2.4.3.7.3.ee des câbles
2.4.3.7.4. Reactance directe des jeux de barres
2.4.3.7.5.e homopolaire des câbles
2.4.3.7.6. Reactancee des lignes aériennes 85
2.4.3.7.7. Capacité homopolaire des câbles 8
2.4.3.7.8.ée des lignes aériennes7
2.4.4. Contribution des moteurs à la valeur du courant de court-circuit . 88
2.4.4.1. Les moteurs synchrones 88
2.4.4.2. Less asynchrones
2.4.5. Exemple de calcul de court-circuit triphasé symétrique 89
2.4.5.1. Calcul du courant det triphasé symétrique
fourni par la source d'alimentation 92
2.4.5.1.1. Défaut en A sur le jeu de barres HTA
2.4.5.1.2.t en B sur le TGBT
2.4.5.1.3. Défaut en C sur le tableau BT secondaire 93
2.4.5.1.4.t en D aux bornes d'un moteur
2.4.5.2. Calcul du courant fourni par les moteurs4
2.4.5.2.1. Défaut en D aux bomes d'un moteur 9
2.4.5.2.2.t en C sur le tableau BT secondaire5
2.4.5.2.3. Défaut en B sur le TGBT 96
2.4.5.2.4.t en A sur le jeu de barres HTA
!.5. Circulation des courants de défauts à la terre7
2.5.1. Neutre isolé 100 8 Protection des réseaux électriques
2.5.1.1. Exemple en basse tension 400 V 100
2.5.1.2.e en moyenne tension 20 kV
2.5.2. Neutre mis à la terre par une impédance1
2.5.3.e mis à la terre par une reactance accordée
2.5.4. Neutre mis directement à la terre2
2.6. Répartition du courant capacitif dans un réseau avec plusieurs départs 104
2.6.1. Valeur du courant dans le défaut 105
2.6.2.r dut vu par le dispositif de mesure du courant
résiduel situé sur le départ en défaut7
2.6.3. Valeur du courant vu par les dispositifs de mesure du courant
résiduel situés sur les départs sains
2.7. Calcul et importance du courant de court-circuit minimal 108
2.7.1 .Calcul du courant de court-circuit minimal en basse tension .... 109
2.7.1.1. Calcul du courant de court-circuit minimal en schéma TN . 110
2.7.1.1.1. Méthode des impédances Ill
2.7.1.1.2.e conventionnelle 111
2.7.1.1.3. Exemple2
2.7.1.2. Calcul du courant de court-circuit minimal en schéma IT
sans neutre distribué 114
2.7.1.2.1. Méthode des impédances6
2.7.1.2.2.e conventionnelle
2.7.1.2.3. Exemple7
2.7.1.3. Calcul du courant de court-circuit minimal en schéma IT
avec neutre distribué9
2.7.1.3.1. Méthode des impédances 120
2.7.1.3.2.e conventionnelle1
2.7.1.4. Influence du courant de court-circuit minimal sur le choix
des disjoncteurs ou des fusibles de protection
2.7.1.4.1. Protection par disjoncteur
2.7.1.4.2.n par fusible3
2.7.2. Calcul du courant de court-circuit minimal en haute tension ... . 126
2.7.2.1. Utilisation du calcul du courant de court-circuit minimal
pour le réglage des protections 127
2.7.3. Courant de court-circuit permanent minimal en aval
d'un alternateur
2.7.4. Importance du calcul du courant de court-circuit minimal
pour la sélectivité des protections8
2.8. Conséquence des courts-circuits
2.8.1. Effet thermique 12
2.8.2. Effet électrodynamique 130
2.8.2.1. Effet sur les appareils de coupure2
2.8.3. Chutes de tension
2.8.4. Perte de stabilité des alternateurs3 Table des matières 9
2.8.5. Fonctionnement anormal des équipements d'électroniques
de puissance 133
2.8.6. Surtensions temporaires
2.8.7. Tensions de contact4
2.8.8. Surtensions de manœuvre
2.8.9. Tension induite sur les circuits de télécommande 13
3. Les réducteurs de mesure7
3.1. Les transformateurs de courant
3.1.1. Rappe 1 théorique
3.1.2. Saturation du circuit magnétique 140
3.1.2.1. Régime normal, B non saturé1
3.1.2.2. Régime saturé
3.1.2.3. Charge maximale aux bornes du TC3
3.1.3. L'utilisation des TC dans les réseaux électriques 144
3.1.3.1. Principe général d'utilisation
3.1.3.2. Constitution d'un transformateur de courant5
3.1.3.2.1. TC avec une seule spire au primaire
3.1.3.2.2. TC avec plusieurs spires aue 146
3.1.3.3. Caractéristiques générales et définitions des paramètres
du transformateur de courant suivant la norme CEI 185
3.1.3.4. Les transformateurs de courant utilisés
pour la mesure suivant la norme CEI 185 148
3.1.3.4.1. La protection des appareils de mesure en cas de
court-circuit sur le réseau9
3.1.3.5. Les transformateurs de courant utilisés pour la protection
suivant la norme CEI 185 151
3.1.3.5.1. Le facteur limite de précision
3.1.3.5.2. La précision2
3.1.3.6. Les transformateurs de courant utilisés pour la protection
suivant la norme BS 3938
3.1.3.7. Correspondance entre les caractéristiques définies
par les normes CEI 185 et BS 39384
3.1.3.7.1. Caractéristiques de la norme CEI 185 15
3.1.3.7.2.s de la norme BS 39385
3.1.3.7.3. Correspondance entre les tensions V , V , et V . . . . 15k s s2
3.1.3.8. Utilisation des TC en dehors de leurs valeurs nominales .. . 157
3.1.3.8.1. Exemple 157
3.1.3.9. Exemple de plaque signalétique d'un transformateur
de courant 161
3.1.4. Les capteurs de courant amagnétiques 162
3.2. Les transformateurs de tension
3.2.1. Principe général d'utilisation3 10 Protection des réseaux électriques
3.2.2. Caractéristiques générales et définitions des paramètres
du transformateur de tension suivant la norme CEI 186 163
3.2.3. Les transformateurs de tension utilisés pour la mesure
suivant la norme CEI 186 166
3.2.4. Less de tension utilisés pour la protection
suivant la norme CEI 1868
3.2.5. Exemple de plaque signalétique d'un transformateur de tension
pour la mesure9
4. Les fonctions de protection et leurs applications 171
4.1. Protection à maximum de courant phase2
4.1.1. Protection à temps indépendant3
4.1.2.n à temps dépendant
4.2. Protection à maximum de courant terre4
4.2.1. Mesure du courant résiduel 17
4.2.1.1. Seuil minimal de réglage de la protection 176
4.2.1.2. Insensibilisation de la protection aux harmoniques 3
et multiples de 37
4.3. Protection à maximum de courant phase directionnel9
4.3.1. Fonctionnement 182
4.3.1.1. L'angle caractéristique 04
4.3.1.1.1. Déphasage lors d'un court-circuit triphasé symétrique 18
4.3.1.1.2.e lors d'unt biphasé 185
4.3.1.1.3. Choix de l'angle caractéristique 08
4.4. Protection à maximum de courant terre directionnel9
4.4.1. Fonctionnement
4.4.2. Mesure du courant et de la tension résiduels 190
4.4.2.1. Valeur de la tension résiduelle lors d'un défaut monophasé
terre franc 192
4.4.3. Polarisation par la mesure du courant dans la mise à la terre du
du point neutre3
4.4.4. Utilisation de la protection à maximum de courant terre
directionnel4
4.4.4.1. Détection du sens du courant pour un réseau mis à la terre
par résistance de limitation
4.4.4.1.1. Détermination de l'angle caractéristique 0^
des protections et PI et P2 195
4.4.4.2. Distinguer un courant de défaut d'un courant capacitif pour
un réseau avec neutre mis à la terre par résistance de limitation.... 198
4.4.4.2.1. Détermination de l'angle caractéristique QTII
des protections de chaque départ8
4.4.4.3. Détection du sens du courant pour un réseau à neutre isolé . 200
4.4.4.4. Distinguer le départ en défaut pour un réseau à neutre isolé 200 Table des matières 11
4.4.4.4.1. Détermination de l'angle caractéristique 0 ^
des protections de chaque départ 201
4.5. Protection à maximum de courant terre directionnel pour réseau
à neutre compensé 203
4.5.1. Fonctionnement
4.5.2. Distinguer un courant de défaut d'un courant capacitif
pour un réseau avec neutre mis à la terre par bobine de compensation . 205
4.6. Protection différentielle à haute impédance8
4.6.1. Principe de fonctionnement des protections différentielles
à haute impédance
4.6.2. Fonctionnement et dimensionnement des éléments 210
4.6.2.1. Introduction d'une résistance de stabilisation
dans la branche différentielle 211
4.6.2.2. Dimensionnement des transformateurs de courant4
4.6.2.3. Limitation des pics de tension par une résistance non linéaire 216
4.6.2.4.t thermique de lae de stabilisation 216
4.6.2.5. Courant de défaut minimum détectable 217
4.6.3. Application de la protection différentielle à haute impédance . . . 219
4.6.3.1. Différentielle moteur9
4.6.3.2.e alternateur 22
4.6.3.3.e jeu de barres2
4.6.3.4. Protection différentielle de terre restreinte5
4.6.3.4.1. Transformateur avec neutre connecté à la terre,
directement ou par une impédance de limitation 22
4.6.3.4.2.r avec neutre isolé6
4.6.4. Remarque sur l'application de la protection différentielle
haute impédance 228
4.7. Protection différentielle à fil pilote de câbles 22
4.7.1. Principe de fonctionnement de la protection différentielle
à fil pilote
4.7.2. Utilité du principe de pourcentage 231
4.7.3. Problème lié à l'impédance de la ligne pilote2
4.7.4.e dû aux surtensions par rapport à la terre 234
4.7.5. Problème lié à la tension induite sur le fil pilote5
4.7.6.e lié à la surveillance de la ligne pilote
4.7.7. Autres solutions pour la transmission des informations
4.7.8. Méthode pour réaliser une protection triphasée économique ... . 236
4.8. Protection différentielle transformateur 239
4.8.1. Principe de fonctionnement de la protection différentielle
transformateur 23
4.8.2. Problème lié au rapport de transformation et au mode de couplage 241
4.8.3.e lié au courant d'enclenchement du transformateur ... . 242 12 Protection des réseaux électriques
4.8.4. Problème lié au courant de magnétisation lors
d'une surtension d'origine externe 242
4.9. Protection à image thermique3
4.9.1 . Principe
4.9.2. Echauffement d'une machine à partir d'un état froid 245
4.9.3. Surcharge d'une machine à partir d'un état chaud8
4.9.4. Particularités de certains relais de protection à image thermique . 251
4.9.5. Démarrage des moteurs et protection à image thermique 25
4.10. Protection à maximum de composante inverse 25
4.10.1. Principe 25
4 10.2. Indication de réglage pour les moteurs5
4.10.3.n dee pour les alternateurs6
4.11. Protection contre les démarrages trop longs et le blocage du rotor. . . 25
4.11.1. Démarrage trop long
4.11.2. Blocage du rotor8
4.12. Protection contre les fréquences de démarrage trop élevées 259
4.12.1. Principe 25
4.13. Protection à minimum de courant phase 261
4.13.1. Principe 26
4.14. Protection à minimum de tension2
4.15.n àm den rémanente3
4.16. Protection à minimum de tension directe et contrôle du sens
de rotation des phases
4.17. Protection à maximum de tension5
4.18.n àm den résiduelle 266
4.18.1. Principe
4.19. Protection à minimum ou à maximum de fréquence7
4.20.n contre les retours de puissance réactive8
4.21. Protection contre les retours de puissance active (code ANSI 32 P). . 269
4.21.1. Protection contre la fourniture de puissance active
au distributeur par les groupes de production 269
4.21.2. Protection des moteurs synchrones contre un fonctionnement
en alternateur 270
4.21.3. Protection des alternateurs contre un fonctionnement en moteur 27
4.22. Protection contre les défauts masse cuve 271
4.22.1. Principe
4.23. Protection contre les surcharges de l'impédance de mise à la terre
du point neutre2
4.23.1. Principe 27
4.24. Protection de terre générale du réseau par contrôle du courant
traversant la mise à la terre du neutre3
4.24.1. Principe
4.25. Protection par surveillance de la température 274 Table des matières 13
4.26. Protection à maximum de courant phase à retenue de tension 275
4.26.1. Principe 276
4.27. Protection par détection gaz, pression, température 278
4.28.n contre les déséquilibres entre points neutres9
5. Les dispositifs de coupure des surintensités 281
5.1. Les disjoncteurs basse tension
5.1.1. Tension assignée d'emploi Ue
5.1.2. Courant assigné I„ 28
5.1.3. Taille d'un disjoncteur2
5.1.4. Courant de réglage I ou I des déclencheurs de surcharge 28rth r
5.1.5.t de fonctionnement dess de court-circuit . . . 283
5.1.6. Pouvoir de coupure5
5.1.7. Tension d'isolement6
5.1.8.n de tenue aux chocs
5.1.9. Catégorie (A ou B) et courant de courte durée admissible 287
5.1.10. Pouvoir de fermeture 288
5.1.11. Performance de coupure de service
5.1.12. Pouvoir de limitation9
5.1.12.1. Avantages de la limitation 290
5.2. Les disjoncteurs HTA1
5.2.1. Le pouvoir de coupure assigné en court-circuit
5.2.2. Pouvoir de fermetureé ent5
5.2.3. Courant de courte durée admissible assigné6
5.2.4. Durée de court-circuit assignée
5.3. Les fusibles basse tension 297
5.3.1. Zones de fusion et courants conventionnels 29
5.3.1.1. Fusibles classe gl
5.3.1.2.s classe aM9
5.3.2. Pouvoir de coupure 300
5.4. Les fusibles HTA1
5.4.1. Définitions
5.4.2. Phénomène de coupure (voir figure 5-14)3
5.4.3. Caractéristiques temps / courant des fusibles HTA 304
5.4.4.s du courant coupé limité5
6. La sélectivité des protections7
6.1. Sélectivité ampèremétrique
6.2.é chronométrique 309
6.2.1. Sélectivitée avec des protections à maximum
de courant à temps indépendant 312
6.2.2. Sélectivité chronométrique avec des protections à maximum
de courant à temps dépendant3 14 Protection des réseaux électriques
6.3. Sélectivité logique 314
6.3.1. Fonctionnement lorsqu'un défaut apparaît en A 316
6.3.2.tntt en B
6.3.3. Application à la sélectivité mixte7
6.4. Sélectivité directionnelle9
6.5.é par protection différentielle 321
6.6. Sélectivité entre fusibles et disjoncteurs2
6.6.1. Fusible en aval d'un disjoncteur
6.6.2.e en amont d'unr3
'. Protection des différents éléments du réseau7
7.1. Protection des réseaux 32
7.1.1. Contraintes des défauts à la terre pour les réseaux avec neutre
mis à la terre par résistance de limitation8
7.1.1.1. Les surtensions transitoires lors de l'élimination
d'un défaut phase-terre par un disjoncteur 32
7.1.1.2. Limiter les courants de défaut à la terre des machines
tournantes9
7.1.1.3. Détecter les défauts internes phase - masse des machines
triphasées
7.1.1.3.1. Courant de défaut d'une machine couplée en étoile .. 32
7.1.1.3.2.t det d'uneee en triangle 330
7.1.1.3.3. Réglage de la protection à maximum de courant terre
de la machine 332
7.1.1.4. La sélectivité entre les départs
7.1.1.5. Sélectivité avec l'aval3
7.1.1.6.é avec l'alimentation du distributeur 33
7.1.1.7. Le seuil de courant maximal des protections
7.1.1.8. Seuil minimal de réglage dess
7.1.1.9. Dimensionnement de la résistance de mise à la terre 334
7.1.1.10. Protection de la résistance de mise à la terre 33
7.1.1.11. Tenue thermique des écrans de câbles5
7.1.1.12. Récapitulatif des contraintes des défauts à la terre pour
les réseaux avec neutre mis à la terre par résistance de limitation . . 33
7.1.2. Contrainte des défauts à la terre pour les réseaux à neutre isolé . . 336
7.1.2.1. Les surtensions transitoires lors de l'élimination
d'un défaut phase-terre par un disjoncteur 336
7.1.2.2. Les courants de défaut à la terre des machines tournantes .. 33
7.1.2.3. La sélectivité avec l'aval
7.1.2.4. La sélectivité entre les départs7
7.1.2.5. Eviter les risques de ferrorésonance
7.1.2.6. Seuil minimal de réglage des protections 339 Table des matières 15
7.1.2.7. Récapitulatif des contraintes des défauts à la terre
pour les réseaux à neutre isolé 339
7.1.3. Contraintes pour les défauts entre phases 340
7.1.3.1. Courant de court-circuit minimal
7.1.3.2. Court-circuit maximal
7.1.3.3. Sélectivité 34
7.1.4. Réseau à une arrivée1
7.1.4.1. Protection contre les défauts entre phases 34
7.1.4.2.n contre less à la terre3
7.1.4.2.1. Neutre mis à la terre par résistance au niveau
du transformateur
7.1.4.2.2. Neutre mis à la terre par résistance au niveau
du jeu de barres5
7.1.4.2.3. Neutre isolé7
7.1.5. Réseau à deux arrivées en parallèle 349
7.1.5.1. Protection contre les défauts entre phases
7.1.5.2.n contre less à la terre 352
7.1.5.2.1. Neutre mis à la terre par résistance au niveau
des transformateurs 35
7.1.5.2.2. Neutre mis à la terre par résistance au niveau du jeu
de barres4
7.1.5.2.3. Neutre isolé6
7.1.6. Réseau à deux arrivées en boucle8
7.1.6.1. Protection contre les défauts entre phases 359
7.1.6.2.n contre less à la terre 361
7.1.6.2.1. Neutre mis à la terre par résistance au niveau
du transformateur 36
7.1.6.2.2. Neutre mis à la terre par résistance au niveau du jeu
de barres4
7.1.6.2.3. Neutre isolé5
7.1.7. Réseau en boucle7
7.1.7.1. Protection aux extrémités de la boucle 368
7.1.7.2.n par tronçon9
7.1.7.2.1. Solution par des protections à maximum de courant
et maximum de courant directionnel
7.1.7.2.2. Solution économisant une protection sur deux 372
7.1.7.2.3.n par sélectivité logique 37
7.1.7.2.4. Cas de plusieurs sources d'alimentation situées
en des points différents 376
7.1.7.2.5. solution par protection différentielle8
7.1.7.2.6. Comparaison entre les solutions par protection
différentielle et par sélectivité logique9
7.1.7.2.7. Solution par protection de distance 380 16 Protection des réseaux électriques
7.2. Protection des jeux de barres 380
7.2.1. Protection d'un jeu de barres par sélectivité logique 38
7.2.2.n d'un jeu de barres par une différentielle haute
impédance1
7.3. Protection des transformateurs2
7.3.1. Courant transitoire à l'enclenchement du transformateur 383
7.3.2. Valeur du courant côté HT lors d'un court-circuit BT pour
un transformateur triangle-étoile5
7.3.2.1. Valeurs des courants primaires et secondaires
en fonctionnement normal 386
7.3.2.2. Détermination des valeurs des courants primaires pour un
court-circuit triphasé au secondaire7
7.3.2.3. Valeurs des courants primaires pour un court-circuit biphasé
au secondaire
7.3.2.4. Valeurs des courants primaires pour unt
monophasé neutre8
7.3.2.5. Récapitulatif 389
7.3.3. Les défauts dans les transformateurs 390
7.3.3.1. La surcharge 391
7.3.3.2. Les courts-circuits phases interne et externe
7.3.3.3. Le défaut à la terre
7.3.4. Protection des transformateurs à l'intérieur d'un site industriel . . 39
7.3.4.1. Protection spécifique contre les surcharges 392
7.3.4.2.nee les courts-circuits
phases internes
7.3.4.3. Protection spécifique contre les défauts à la terre
7.3.4.4.n par interrupteur-fusible 393
7.3.4.4.1. La tension assignée du fusible
7.3.4.4.2. Le pouvoir de coupure maximal du fusible 394
7.3.4.4.3. Le courant de court-circuit au secondaire
du transformateur 39
7.3.4.4.4. Les conditions d'installation4
7.3.4.4.5. Surcharges de brève durée du transformateur 39
7.3.4.4.6. Fonctionnement avec surcharge permanente5
7.3.4.4.7. Courant transitoire à l'enclenchement
du transformateur
7.3.4.4.8. Coordination entre les fusibles et le pouvoir de coupure
de l'interrupteur pour les combinés interrupteurs-fusibles 395
7.3.4.4.9. Tension transitoire de rétablissement pour un combiné
interrupteur-fusible 397
7.3.4.4.10. Exemple de détermination du calibre des fusibles
d'un combiné interrupteur-fusibleTable des matières 17
7.3.4.4.11. Exemple de tableau de choix des fusibles
pour les combinés interrupteurs-fusibles SM6 de Schneider. . . . 399
7.3.4.5. Protection par disjoncteur contre les courts-circuits phase. . 400
7.3.5. Protection du transformateur d'un poste de livraison
à omptage BT 403
7.3.5.1. Protection contre les surcharges 40
7.3.5.2. Protection contre les courts-circuts entre phases 40
7.3.5.3.n contre les défauts internes4
7.3.6. Exemples de protections de transformateurs5
7.3.6.1. Transformateurs HTA/BT
7.3.6.2.s HTA/HTA ou HTB/HTA 406
7.3.7. Indications de réglage des protections des transformateurs .... 407
7.4. Protection des moteurs 409
7.4.1. Protection des moteurs moyenne tension 40
7.4.1.1. Protection contre les surcharges
7.4.1.2.ne les courts-circuits internes ou externes
entre phases 410
7.4.1.2.1. Protection des moteurs par des fusibles 410
7.4.1.3. Protection contre la coupure d'une phase ou l'inversion
de deux phases2
7.4.1.4. Protection contre les défauts masse stator
7.4.1.4.1. Moteur alimenté par un réseau avec neutre mis
à la terre directement ou par une impédance de limitation 413
7.4.1.4.2. Moteur alimenté par un réseau avec neutre isolé .... 413
7.4.1.5. Protection contre les démarrages trop longs et le blocage
du rotor3
7.4.1.6. Protection contre une baisse de la tension d'alimentation . . 414
7.4.1.7.n contre la réalimentation des moteurs pendant
qu'ils maintiennent une tension rémanente 414
7.4.1.8. Protection contre les fréquences de démarrage trop élevées 41
7.4.1.9.n contre la baisse de courant
7.4.1.10. Protection contre les pertes d'excitation
7.4.1.11.n contre la marche en alternateur
des moteurs synchrones 41
7.4.1.12. Protection contre les défauts masse rotor 414
7.4.1.13. Exemples de protections de moteurs moyenne tension ... 415
7.4.1.14. Indications de réglage des protections des moteurs7
7.4.2. Protection des moteurs asynchrones basse tension9
7.4.2.1. Protection contre les surcharges et les courts-circuits phase 41
7.4.2.2. Autres protections 420
7.5. Protection des alternateurs
7.5.1. Protection contre les surcharges1
7.5.2.ne les courts-circuits externes entre phases 4218 Protection des réseaux électriques
7.5.2.1. Alternateur équipé d'un système maintenant le courant
de court-circuit à environ 3 I„ 421
7.5.2.2. Alternateur non équipé d'un système maintenant le courant
de court-circuità environ 3 I„
7.5.2.3. Petits alternateurs protégés par des disjoncteurs
avec déclencheur magnéto-thermique2
7.5.3. Protection contre les courts-circuits internes entre phases 423
7.5.4.ne la coupure d'une phase ou l'inversion
de deux phases 423
7.5.5. Protection contre les défauts internes entre phase et masse 42
7.5.5.1. Cas du neutre mis à la terre au niveau du stator
de l'alternateur
7.5.5.2. Cas du neutre mis à la terre dans le réseau 424
7.5.5.3. Cas du réseau à neutre isolé 42
7.5.6. Protection contre les défauts masse rotor
7.5.7.ne la perte d'excitation
7.5.8. Protection contre la marche en moteur5
7.5.9.ne une fréquence trop faible ou trop élevée 425
7.5.10. Protection contre une tension trop faible
7.5.11.ne unen trop élevée 42
7.5.12. Protection contre la fourniture de puissance active au réseau
de distribution publique 42
7.5.13. Exemples de protections d'alternateurs5
7.5.14. Indications de réglage des protections des alternateurs 428
7.6. Protection des batteries de condensateurs 431
7.6.1. Définition 43
7.6.2. Phénomènes électriques liés à l'enclenchement2
7.6.2.1. Cas d'une batterie fixe3
7.6.2.2. Cas d'une batterie en gradins4
7.6.3. Protection des batteries de condensateurs basse tension
de rectiphase6
7.6.3.1. Dimensionnement thermique des matériels 437
7.6.3.2. Choix et calibrage des protections
7.6.3.2.1. Protection par disjoncteur 43
7.6.3.2.2.n par fusible
7.6.4. Protection des batteries de condensateurs haute tension
de rectiphase 439
7.6.4.1. Constitution des condensateurs haute tension 43
7.6.4.1.1. Condensateurs sans fusible de protection interne ... . 43
7.6.4.1.2.s avec fusibles de protection internes.. . 440
7.6.4.2. Schéma des batteries de condensateurs 441
7.6.4.2.1. Batterie en triangle 44
7.6.4.2.2.e en double étoileTable des matières 19
7.6.4.3. Dimensionnement thermique des matériels 442
7.6.4.4. Limitation du courant d'enclenchement par l'insertion
d'une inductance de choc 44
7.6.4.4.1. Cas d'un seul condensateur4
7.6.4.4.2. Cas d'une batterie de n + 1 gradins de condensateurs . 44
7.6.4.5. Choix et réglage des protections contre les surintensités . . . 446
7.6.4.5.1. Protection par fusible6
7.6.4.5.2.n par disjoncteur équipé d'une protection
à temps indépendant à double seuil7
7.6.4.5.3. Protection contre les défauts internes des batteries
montées en double étoile
7.7. Protection des alimentations sans interruption 448
7.7.1. Choix des calibres des disjoncteurs
7.7.2. Choix du pouvoir de coupure des disjoncteurs 450
7.7.3. Contraintes pour assurer la sélectivité
7.7.3.1. Sélectivité uniquement lorsque le réseau 2 est en service .. 45
7.7.3.2.é même lorsque le réseau 2 est hors service 451
Annexe A. Calcul du courant transitoire d'un court-circuit alimenté
par le réseau de distribution publique 453
Annexe B. Calcul du courant transitoire lors de l'enclenchement
d'une batterie de condensateurs9
B. 1. Cas d'une batterie fixe
B.2. Cas d'unee en gradins 462
Annexe C. Valeur du pic de tension et valeur efficace du courant au
secondaire d'un transformateur de courant saturé5
C. 1. Détermination de la valeur du pic de tension7
C.2.n de la valeur efficace du courant en régime saturé 468 Préface
Le Génie Electrique dans son ensemble et les réseaux de transport et de
distribution d'énergie électrique en particulier se sont construits tout au long de ce
siècle de manière progressive et incrémentale en étant stimulés par une demande très
forte qui jusqu'au premier choc pétrolier doublait allègrement d'une décennie à
l'autre.
Les réseaux se sont donc développés, en France cette véritable toile d'araignée
couvre avec plus d'un million de kilomètres de lignes trois fois la distance de la terre
à la lune. La production d'énergie a dépassé en 1996 les 400 milliards de
kilowattheures ce qui en moyenne correspond à la circulation à chaque seconde de
près de 50 000 mégawatts à l'intérieur de ce réseau... On mesure à travers ces
chiffres, la complexité d'un système dont la fiabilité exceptionnelle est à la hauteur
de son importance sur la vie quotidienne des citoyens et l'économie du pays
La sûreté et la disponibilité exemplaire du réseau électrique sont conditionnées
par la grande fiabilité du matériel fourni par les constructeurs mais surtout par un
système de protection très efficace qui à chaque incident d'origine interne ou externe
pallie rapidement les effets de l'incident avant d'en éliminer les causes. Ce système
de protection s'est construit progressivement à partir d'une analyse de défaillance sur
un savoir faire important chez les exploitants de réseau et chez les constructeurs du
matériel destiné à assurer la protection du réseau et de ses éléments essentiels
(disjoncteurs, moteurs, transformateurs, etc.).
Nous entrons aujourd'hui, à travers la dérégulation des systèmes électriques déjà
engagée dans plusieurs pays, dans une époque où la qualité de l'énergie va devenir
un facteur déterminant pour le client comme pour l'exploitant du réseau.
C'est pourquoi le présent ouvrage qui est un guide méthodique et précis de
l'élaboration du système de protection d'un réseau, et principalement d'un réseau
industriel, est particulièrement utile à ceux dont c'est le métier de fabriquer,
d'installer, de faire fonctionner les réseaux industriels. Les différents aspects abordés
(régimes du neutre, courts circuits, réducteurs de mesure...) permettent d'analyser les
fonctions de protection et les divers éléments qui les composent avant d'en étudier
l'application aux éléments du réseau. 22 Protection des réseaux électriques
L'auteur, M. Christophe PREVE, dévoile tout au long de ces pages un réel savoir
faire acquis chez un exploitant de réseau et, depuis quelques années, au sein de
Schneider qui est l'un des tout premiers groupes mondiaux dans le domaine de
l'appareillage électrique et donc des protections.
Cet ouvrage est appelé à devenir une référence très appréciée des concepteurs de
matériel et des ingénieurs de bureau d'étude car il apporte une connaissance
structurée dans un domaine où il y a très peu d'ouvrages pratiques en langue
française. De même les enseignants des classes de BTS, d'IUT et des écoles
d'ingénieurs devraient y trouver un soutien efficace à leur enseignement.
Nous félicitons à la fois l'auteur pour sa réalisation et les Editions HERMES de
fournir aux professionnels de l'électricité un ouvrage de cette qualité.
Jean-Claude SABONNADIERE
Directeur du Laboratoire D'Electrotechnique de Grenoble
Vice-président de l'I.N.P.G. Symboles graphiques des schémas
éléments électriques du réseau
inductance ou
enroulement résistance
transformateur,
moteur ou alternateur
condensateur impédance (Z, R, L
ou C)
enroulement en enroulement en étoile
triangle
J_ prise de terre court-circuit
départ source de tension
interrupteur fusible interrupteur
sectionneur 24 Protection des réseaux électriques
fusible contacteur
neutre artificiel ou
disjoncteur
générateur
homopolaire
transformateur transformateur de
courant
transformateur de contacteur statique
tension
batterie onduleur
redresseur moteur
générateur ou
alternateur Symboles graphiques des schémas 25
Les fonctions de protection
symboles code ANSI désignation
graphiques
protection à maximum de courant phase ' » 50 ou 51 C)
/> protection à maximum de courant phase à
I » double seuil
/ _ 67 protection à maximum de courant phase
directionnel
50 N ou 51 N
protection à maximum de courant terre 'rsd> 50 G ou 51 G
(D
67 N protection à maximum de courant terre
directionnel
87 M protection différentielle moteur
87 G ne alternateur A'
87 B protectione jeu de barres
87 N ou REF n différentielle de terre restreinte
ou
87 T protection différentielle transformateur
1 A 87 L ne à fil pilote des
l
câbles et lignes
49 protection à image thermique 1>
38 -49T protection par surveillance de la T >
température
46 protection à maximum de composante
inverse
protection contre les démarrages trop 51 LR
longs et le blocage du rotor 26 Protection des réseaux électriques
66 protection contre les fréquences de
démarrage trop élevées
/ < 37 protection à minimum de courant phase
81 protection à minimum et maximum de >/ >
fréquence
27 protection à minimum de tension u <
27 D protection à minimum de tension directe v <
d
47 contrôle du sens de rotation des phases
59 protection à maximum de tension u >
27 et 59 protection à minimum et maximum de >u>
tension
59 N protection à maximum de tension Ksd>
résiduelle
50 N ou 51 N protection par détection du courant
circulant dans le neutre (D
50 V ou 51 V protection à maximum de courant phase à
retenue de tension (D
32 P protection contre les retours de puissance
active
32 Q protection contre les retours de puissance
réactive
protection par détection gaz, pression, d>
températurtempératuree (DGPT (DGPT)) o ouu Buchhol Buchholz z CJ
contrôleur permanent d'isolement CPl
(1) 50 : protection instantanée
51 :n temporisée à temps dépendant ou indépendant Chapitre 1
Les régimes du neutre
Dans tout système triphasé Haute ou Basse Tension existent trois tensions
simples, mesurées entre chacune des phases et un point commun appelé "point
neutre".
Physiquement, le neutre est le point commun de trois enroulements montés en
étoile (voir figure 1.1). Lorsque le conducteur de neutre est présent, on dit que le
neutre est distribué.
Ph
3
point neutre
Figure 1.1. Point neutre d'un système triphasé en étoile
Le neutre peut être accesible ou non, distribué ou non. En France, la distribution
du neutre en Haute Tension est exceptionnelle, on ne la rencontre qu'en éclairage
public, avec les tensions 5,5 kV et 3,2 kV ; par contre, elle est très fréquente aux
USA. En basse, la distribution du neutre est utilisée dans tous les pays. 28 Protection des réseaux électriques
Dans une installation Haute ou Basse Tension, le neutre peut ou non être relié à
la terre. On parle alors de régime du neutre.
La connexion du neutre à la terre peut être réalisée directement, ou par
l'intermédiaire d'une résistance ou d'une reactance. Dans le premier cas, on dit que le
neutre est mis directement à la terre et dans le second cas, que le neutre est mis à la
terre par une impédance.
Lorsqu'il n'existe aucune liaison intentionnelle entre le point neutre et la terre, on
dit que le neutre est isolé.
Dans un réseau, le régime du neutre joue un rôle très important. Lors d'un défaut
d'isolement, ou de la mise accidentelle d'une phase à la terre, les valeurs prises par
les courants de défaut, les tensions de contact et les surtensions sont étroitement
liées au mode de raccordement du neutre à la terre.
Un neutre mis directement à la terre limite fortement les surtensions ; par contre,
il engendre des courants de défaut très importants. Au contraire, un neutre isolé
limite les courants de défaut à des valeurs très faibles, mais favorise l'apparition de
surtensions élevées.
La continuité de service en présence d'un défaut à la terre est également liée au
régime du neutre. Un neutre isolé permet la continuité de service lors d'un défaut à
la terre, sous réserve de respecter le décret sur la protection des travailleurs. Un
neutre mis directement à la terre ou par une faible impédance impose au contraire un
déclenchement dès l'apparition du premier défaut à la terre.
L'importance des dommages que subissent certains équipements, tels que les
moteurs et les alternateurs présentant un défaut d'isolement interne, dépend
également du régime du neutre.
Dans un réseau à neutre mis directement à la terre, une machine affectée d'un
défaut d'isolement est fortement endommagée en raison de la valeur élevée du
courant de défaut.
Dans un réseau à neutre isolé ou fortement impédant, les dommages sont au
contraire réduits, mais il faut que les équipements aient un niveau d'isolement
compatible avec le niveau des surtensions pouvant se développer dans ce type de
réseau.
Le régime du neutre a également une influence importante sur le niveau des
perturbations électromagnétiques engendrées lors d'un défaut. Les schémas
favorisant des courants de défaut élevés et leur circulation dans les structures Les régimes du neutre 29
métalliques des bâtiments sont très perturbateurs ; au contraire, les schémas qui
réduisent ces courants et qui garantissent une bonne équipotentialité des masses le
sont peu.
Le choix du régime du neutre, tant en Basse Tension qu'en Haute Tension,
dépend à la fois de la nature de l'installation et de celle du réseau. Il est également
influencé par la nature des récepteurs, la recherche de la continuité de service et la
limitation du niveau de perturbation subi par les équipements sensibles.
1.1. Les schémas de liaison à la terr e en basse tension
En France, les schémas de liaison à la terre basse tension sont régis par la norme
NF C 15-100 et des décrets ministériels. Dans la norme, le terme schéma de liaison à
la terre est utilisé plutôt que le terme régime de neutre. Mais ce dernier est encore
beaucoup utilisé par les gens de métier.
Il existe trois schémas de liaison à la terre, ils sont définis par deux lettres.
La première lettre définit la situation du point neutre par rapport à la terre :
- T le point neutre est relié directement à la terre,
- I le point neutre est isolé de la terre ou relié à la terre par une impédance
élevée.
La deuxième lettre définit la situation des masses de l'installation électrique par
rapport à la terre :
- T les masses sont reliées directement à la terre,
- N les masses sont reliéest au conducteur de neutre.
1.1.1 . Définition du schéma IT
Le schéma IT appelé communément neutre isolé est illustré par la figure 1.2.
Le neutre est isolé ou relié à la terre par une impédance élevée (première
lettre I). Une impédance de 1 700 Q est fréquemment employée.
Les masses des récepteurs sont interconnectées soit totalement, soit par groupes.
Chaque groupe interconnecté est relié à une prise de terre (deuxième lettre T). Il est
possible qu'une ou plusieurs masses soient reliées séparément à la terre.
Dans la mesure du possible, il est recommandé d'interconnecter toutes les masses
d'une même installation et de les relier à la même prise de terre. U est toutefois
admis que des masses très éloignées les unes des autres, ou situées dans des 30 Protection des réseaux électriques
bâtiments différents, ne le soient pas. Dans ce cas, chaque groupe de masses reliées
à la même prise de terre, et chaque masse reliée individuellement à la terre doivent
être protégés par un dispositif différentiel à courant résiduel.
Les prises de terre des masses et du neutre peuvent être ou non interconnectées
ou confondues.
Il n'est pas avantageux de distribuer le neutre car cela entraîne une diminution
des longueurs maximales des canalisations (voir § 2.7.1.3).
L'installation d'un limiteur de surtension entre le point neutre du transformateur
HTA/BT et la terre est obligatoire. Si le neutre n'est pas accessible, le limiteur de
surtension est installé entre une phase et la terre. Il protège le réseau basse tension
contre les élévations de tension résultant d'un défaut à la terre dans le poste de
transformation ou d'un amorçage entre les enroulements haute tension et basse
tension du transformateur.
1 récepteur récepteui
Z : impédance de mise à la terre du neutre
P : limiteur de surtension s
Figure 1.2. Schéma IT
1.1.2. Définition du schéma TT
Le point neutre est relié directement à la terre (première lettre T).
Les masses des récepteurs sont interconnectées soit toutes ensembles, soit par
groupes, soit individuellement et sont reliées à la terre (deuxième lettre T). La
protection est assurée au moyen de dispositifs différentiels résiduels. Toutes les
masses protégées par le même dispositif de protection doivent être reliées à la même
prise de terre. Les régimes du neutre 31
La prise de terre du neutre et celle des masses peuvent ou non être
interconnectées ou confondues. Le neutre peut être distribué ou non.
P H 3
PH 2
P H 1
N
P E
récepteur récepteur
Figure 1.3. Schéma TT
1.1.3. Définition du schéma TN
Le point neutre est relié directement à la terre (première lettre T).
Les masses des récepteurs sont reliées au conducteur de neutre (deuxième
lettre N).
On distingue deux schémas possibles suivant que le conducteur de neutre (N) et
le conducteur de protection (PE) sont confondus ou non.
Lorsque les conducteurs de neutre et de protection sont confondus en un seul
conducteur appelé PEN, le schéma est identifié par une troisième lettre C et est
appelé TNC (voir figure 1.4).
Il est recommandé de relier régulièrement le conducteur de protection à la terre
afin d'éviter les montées de potentiel des masses en cas de défaut.
2 2 Ce schéma est interdit pour les sections inférieures à 10 mm cuivre et 16 mm
aluminium, ainsi qu'en aval d'un schéma TNS (voir NF C 15-100, § 546-2). Il est
également interdit pour les canalisations mobiles (voir NF C, § 413.1.3.2).
Lorsque les conducteurs de neutre et de protection sont séparés, le schéma est
identifié par une troisième lettre S et est appelé TNS (voir figure 1.5).
Il est recommandé de relier régulièrement le conducteur de protection à la terre
afin d'éviter les montées de potentiel des masses en cas de défaut. Ce schéma est
interdit en amont d'un schéma TNC. 32 Protection des réseaux électriques
Les deux schémas TNC et TNS peuvent être utilisés dans une même installation,
on parle alors de schéma TN-C-S. Mais le schéma TNC (4 fils) ne doit jamais être
en aval du schéma TNS (5 fils).
récepteur récepteur
Figure 1.4. Schéma TNC
t I, I A—L> récepteur " récepteur
Figure 1.5. Schéma TNS
1.1.4. Comparaison des schémas de liaison à la terre
Les trois schémas de liaison à la terre diffèrent dans leur technique d'exploitation
et de protection des personnes, ils comportent chacun des avantages et des
inconvénients que nous allons comparer.
1.1.4.1. Caractéristiques du schéma IT
Technique d'exploitation :
- surveillance permanente de l'isolement,
- signalisation du premier défaut d'isolement,
- recherche et élimination obligatoires du défaut,
- coupure si il existe deux défauts d'isolement simultanés (double défaut). Les régimes du neutre 33
Technique de protection des personnes :
- interconnexion et mise à la terre des masses,
- surveillance du premier défaut par un contrôleur permanent d'isolement
(voir§ 1.1.5.1),
- coupure au deuxième défaut par les protections contre les surintensités
(disjoncteurs ou fusibles).
Avantages :
- solution assurant la meilleure continuité de service en exploitation,
- lors d'un défaut d'isolement, l'intensité de court-circuit est très faible.
Inconvénients :
- il nécessite un personnel d'entretien pour la surveillance en exploitation ;
- ile un bon niveau d'isolement du réseau. Cela implique la
fragmentation du réseau si celui-ci est très étendu, et l'alimentation des récepteurs à
courant de fuite important par des transformateurs de séparation ;
- la vérification des déclenchements pour les doubles défauts doit être effectuée
si possible à l'étude du projet de réseau, par des calculs, et obligatoirement à la mise
en service par des mesures. Cette vérification doit être effectuée après toute
intervention sur le réseau (modification, extension ) ;
- il nécessite l'installation de limiteurs de surtension ;
- ile de réaliser une équipotentialité de toutes les masses de
l'installation ; sinon il faut installer un dispositif différentiel résiduel sur chaque
groupe de masse interconnecté ;
- il faut éviter de distribuer le conducteur de neutre ; dans le schéma IT, il est en
effet recommandé de ne pas distribuer le conducteur de neutre pour les raisons
suivantes :
- si le conducteur de neutre est distribué, lorsqu'il est affecté par un défaut à la
masse, les avantages du régime IT sont supprimés car un défaut d'isolement sur une
phase provoque un double défaut et donc une coupure,
- si le neutre est distribué, il est obligatoire de le protéger contre les surcharges
et les courts-circuits,
- les longueurs maximales des circuits sont plus faibles lorsque le neutre est
distribué (voir § 2.7.1.3) ;
- la localisation des défauts est difficile sur les réseaux étendus ;
- lors d'un défaut à la terre, la tension des deux phases saines par rapport à la
terre prend la valeur de la tension composée (voir § 2.8.6). Les matériels doivent
donc être choisis en conséquence. 34 Protection des réseaux électriques
1.1.4.2. Caractéristiques du schéma TT
Technique d'exploitation :
- coupure au premier défaut d'isolement.
Technique de protection des personnes :
-mis e à la terre des masses, associée à l'emploi obligatoire de dispositifs
différentiels résiduels (au moins un, en tête de l'installation) ;
- toutes les masses protégées par un même dispositif différentiel résiduel doivent
être reliées à la même prise de terre ;
- les masses simultanément accessibles doivent être reliées à la même prise de
terre.
Avantages :
- le plus simple à étudier, mettre en œuvre, contrôler et exploiter ;
- il ne nécessite pas un personnel d'entretien en permanence pour la surveillance
en exploitation (seul un contrôle périodique des dispositifs différentiels résiduels
peut être nécessaire) ;
- la présence de dispositifs différentiels résiduels permet en plus la prévention
des risques d'incendie lorsque leur sensibilité est inférieure ou égale à 500 mA (voir
NF C 15-100 §482.2.10);
- la localisation des défauts est facile ;
- lors d'un défaut d'isolement, l'intensité de court-circuit est faible.
Inconvénients :
- coupure au premier défaut d'isolement ;
- il faut installer un dispositif différentiel résiduel sur chaque départ pour obtenir
une sélectivité totale ;
- les récepteurs ou parties d'installation qui créent en fonctionnement normal,
des courants de fuite importants, doivent faire l'objet de mesures spéciales pour
éviter des déclenchements intempestifs des dispositifs différentiels résiduels. Il faut
dans ce cas alimenter les récepteurs par des transformateurs de séparation ou utiliser
des dispositifs différentiels résiduels à seuil élevé, compatible avec la résistance de
la prise de terre des masses.
1.1.4.3. Caractéristiques des schémas TNC et TNS
Technique d'exploitation :
- coupure au premier défaut d'isolement. Les régimes du neutre 35
Technique de protection des personnes :
- interconnexion et mise à la terre des masses et du neutre imperatives ;
-coupure au premier défaut par les protections contre les surintensités
(disjoncteur ou fusible).
Avantages :
- le schéma TNC permet de faire une économie à l'installation (suppression d'un
pôle d'appareillage et d'un conducteur) ;
- la protection contre les contacts indirects est assurée par les dispositifs de
protection contre les surintensités.
Inconvénients :
- coupure au premier défaut d'isolement ;
- le schéma TNC implique l'utilisation de canalisations fixes et rigides
(§413.1.3.2 de la norme NF C 15-100)
- il nécessite de relier régulièrement le conducteur de protection à la terre dans
toute l'installation, de façon à le maintenir au potentiel de la terre ;
- la vérification des déclenchements sur le premier défaut d'isolement doit être
effectuée si possible lors de l'étude par le calcul, et obligatoirement, lors de la mise
en service, par des mesures ; cette vérification doit être effectuée après toute
intervention sur le réseau (modification, extension) ;
- le conducteur de protection doit être dans les mêmes canalisations que les
conducteurs actifs des circuits correspondants ;
- il nécessite souvent de réaliser des liaisons équipotentielles supplémentaires ;
- pour le schéma TNC, les harmoniques 3 et multiples de 3 circulent dans le
conducteur de protection ;
-i l présente un risque d'incendie plus élevé. Le schéma TNC est d'ailleurs
interdit dans les locaux à risquee ;
-lor s d'un défaut d'isolement, l'intensité de court-circuit est élevée et peut
provoquer des dommages aux matériels ou des perturbations électro-magnétiques.
1.1.5. Particularités d'installation en régime de neutre isolé basse tension
Le régime de neutre isolé basse tension impose la surveillance permanente de
l'isolement, la recherche du premier défaut d'isolement et la présence d'un limiteur
de surtension. Nous allons voir comment réaliser ces fonctions. 36 Protection des réseaux électriques
1.1.5.1. Installation d'un contrôleur permanent d'isolement (voir figure 1.6)
Dans un réseau à neutre isolé, il faut un dispositif qui contrôle en permanence le
niveau d'isolement de façon à ne pas laisser perdurer le défaut. Ceci pour éviter une
détérioration du matériel en défaut et éviter un déclenchement dans l'éventualité
d'un deuxième défaut d'isolement. Le premier défaut doit être recherché et éliminé
par le personnel d'exploitation.
Le contrôleur permanent d'isolement réalise la fonction de contrôle de
l'isolement. Il applique une tension continue entre le neutre et la terre, ou entre une
phase et la terre si le neutre n'est pas accessible. Cette tension crée dans les
résistances d'isolement, un courant de fuite indépendant des capacités des câbles (en
courant continu, les condensateurs ont une impédance infinie). En cas de défaut
d'isolement, un courant continu traverse le contrôleur qui provoque une alarme.
1.1.5.2. Installation d'un limiteur de surtension (voir figure 1.6)
Sa fonction est d'écouler à la terre les surtensions dangereuses susceptibles
d'apparaître comme un défaut à la terre dans le poste de transformation ou un
amorçage entre enroulements HT et BT d'un transformateur.
Il est installé entre le neutre et la terre du transformateur ou entre une phase et la
terre si le neutre n'est pas accessible.
Ph i
Ph 2
Ph 3
. CONTRÔLEUR
PERMANENT limiteur de
D'ISOLEMENT surtension
Figure 1.6. Installation d'un contrôleur permanent d'isolement
et d'un limiteur de surtension en régime IT
1.1.5.3. Recherche des défauts à la terre par un générateur basse fréquence
Cet appareil permet la localisation sous tension des défauts à la terre
(voir figure 1.7).
Un générateur (1) basse fréquence (entre 2 et 10 Hz) injecte un courant entre le
neutre et la terre, ou entre une phase et la terre si le neutre n'est pas accessible. Lors
d'un défaut d'isolement sur un départ, un courant de fuite basse fréquence s'écoule
vers la terre. Les régimes du neutre 37
Ce courant peut être détecté :
- manuellement à l'aide d'une pince ampéremétrique (2) reliée à un amplificateur
sélectif (3) accordé à la fréquence du générateur ; on teste alors chaque départ,
jusqu'à ce que l'amplificateur détecte un courant ;
- par des transformateurs Tores (4) (voir figure 4.6) installés sur chaque départ ;
ceux-ci sont reliés à un commutateur de sélection (5) qui détermine le départ en
défaut. Le commutateur est relié à un amplificateur sélectif (3) accordé à la
fréquence du générateur.
Notons que l'on ne peut pas utiliser une injection de courant continu pour
localiser un défaut à la terre car un transformateur Tore ou une pince
ampéremétrique ne peuvent détecter que du courant alternatif.
L'amplificateur sélectif est généralement capable de discriminer un courant
résistif dû à un défaut d'isolement d'un courant capacitif d'un départ sain (en cas de
défaut, les départs sains voient un courant capacitif proportionnel à la capacité des
câbles, voir § 2.5).
Si l'amplificateur sélectif ne possède pas cette fonction, les courants capacitifs de
certains départs sains (les plus longs) risquent d'être aussi importants que le courant
défaut, il est alors difficile de localiser le défaut.
Les appareils Schneider de la gamme Vigilohm possèdent cette fonction, ils sont
de plus insensibles aux perturbations harmoniques.
commutateur
Is (
DO N système
fixe
amplificateur
j système
portatif
Figure 1.7. Recherche d'un défaut d'isolement à l'aide d'un générateur basse fréquence 38 Protection des réseaux électriques
1.2. Les régimes du neutre en haute tension
Les régimes du neutre en haute tension se distinguent par le mode de
raccordement du point neutre.
Ils diffèrent par leur technique d'exploitation. Nous allons comparer les
avantages et les inconvénients de chacun d'eux.
1.2.1. Neutre mis directement à la terre
Une liaison électrique est réalisée entre le point neutre et la terre (voir
figure 1.8).
Neutre
Figure 1.8. Neutre mis directement à la terre
Technique d'exploitation :
- coupure au premier défaut d'isolement.
Avantages :
- il réduit le risque d'apparition des surtensions ;
- il autorise l'emploi de matériels ayant un niveau d'isolement dimensionné pour
la tension simple.
Inconvénients :
- coupure obligatoire au premier défaut ;
- les courants de défaut sont très élevés ; les dégâts et les perturbations peuvent
être élevés ;
- le danger pour le personnel est important pendant la durée du défaut car les
tensions de contact qui se développent sont élevées ;
- il nécessite l'emploi de protections différentielles (voir § 4.6, 4.7 et 4.8) pour
ne pas avoir de temps d'élimination de défaut élevé ; ces protections sont coûteuses. Les régimes du neutre 39
1.2.2. Neutre isolé
Il n'existe aucune liaison électrique entre le point neutre et la terre, à l'exception
des appareils de mesure ou de protection (voir figure 1.9).
Neutre
Figure 1.9. Neutre isolé
Technique d'exploitation :
- non-coupure au premier défaut d'isolement autorisé sous réserve de respecter
le décret du 14 novembre 1988 sur la protection des travailleurs ; dans ce cas, il est
obligatoire :
- d'effectuer une surveillance permanente de l'isolement,
- de signaler le premier défaut d'isolement,
- de rechercher et d'éliminer le premier défaut d'isolement,
- de réaliser la coupure au deuxième défaut d'isolement (double défaut).
Avantages :
- il améliore la continuité de service en ne provoquant une coupure qu'au
deuxième défaut, sous réserve :
- d'être conforme au décret du 14 novembre 1988,
- que lors du premier défaut, la capacité du réseau n'entraîne pas un courant de
défaut à la terre élevé, dangereux pour le personnel et les récepteurs.
Inconvénients :
- il nécessite l'emploi de matériels dont le niveau d'isolement entre phase et terre
est dimensionné pour la tension composée ; en effet, lors d'un défaut entre une phase
et la terre, la tension des deux phases saines par rapport à la terre prend la valeur de
la tension composée (voir § 2.8.6) ; il faut donc choisir les câbles, les machines
tournantes, les transformateurs et les récepteurs en général, en conséquence ;
- il existe des risques de surtensions élevées d'origine interne, c'est pourquoi la
norme NF C 13-200 recommande de renforcer l'isolement du matériel ; 40 PROTECTION DES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES
- UNE SURVEILLANCE DE L'ISOLEMENT EST OBLIGATOIRE, AVEC SIGNALISATION VISUELLE ET
SONORE DU PREMIER DÉFAUT SI LA COUPURE N'A LIEU QU'AU SECOND ;
- LA PRÉSENCE D'UN PERSONNEL D'ENTRETIEN EST OBLIGATOIRE POUR LA SURVEILLANCE ET LA
RECHERCHE DU PREMIER DÉFAUT ;
- LA MIS E EN ŒUVRE DE PROTECTIONS SÉLECTIVES AU PREMIER DÉFAUT EST DIFFICILE (VOIR
§ 4.4.4.4) ;
- IL EXISTE DES RISQUES DE FERRO-RÉSONANCE.
1.2.3. Neutre mis à la terre par résistance de limitation
UN E RÉSISTANCE EST INTERCALÉE ENTRE LE POINT NEUTRE ET LA TERRE (VOIR FIGURE 1.10).
Neutre
Figure 1.10. Neutre mis à la terre par résistance
TECHNIQU E D'EXPLOITATION :
- COUPURE AU PREMIER DÉFAUT D'ISOLEMENT.
AVANTAGE S :
- IL LIMITE LES COURANTS DE DÉFAUT ; LES DÉGÂTS ET LES PERTURBATIONS SONT RÉDUITS ;
- IL AMORTIT LES SURTENSIONS D'ORIGINE INTERNE DANS LA MESURE OÙ LE COURANT DE
LIMITATION / EST SUPÉRIEUR À DEUX FOIS LE COURANT CAPACITIF DU RÉSEAU I
F c
h > 2/ ; C
- IL N'EXIGE PAS L'EMPLOI DE MATÉRIELS ET EN PARTICULIER DE CÂBLES AYANT UN NIVEAU
D'ISOLEMENT PHASE-TERRE DIMENSIONNÉ POUR LA TENSION COMPOSÉE ;
- IL PERMET L'UTILISATION DE PROTECTIONS SÉLECTIVES SIMPLES.
INCONVÉNIENTS :
- COUPURE AU PREMIER DÉFAUT ;
- LA PUISSANCE THERMIQUE DISSIPÉE DANS LA RÉSISTANCE EST ÉLEVÉE, CE QUI DEMANDE
U N DIMENSIONNEMENT IMPORTANT DE LA RÉSISTANCE. Les régimes du neutre 41
1.2.4. Neutre mis à la terre par reactance de limitation
Une reactance est intercalée entre le point neutre et la terre (voir figure 1.11).
Neutre
Figure 1.11. Neutre mis à la terre par reactance
Technique d'exploitation :
- coupure au premier défaut d'isolement.
Avantages :
- il limite les courants de défaut ; les dégâts et les perturbations sont réduits ;
-i l permet la mise en œuvre de protections sélectives simples si le courant de
limitation l est très supérieur au courant capacitif du réseau 1q : l l » le > L
-l a bobine, de faible résistance, n'a pas à dissiper une puissance thermique
élevée, ce qui réduit son dimensionnement.
Inconvénients :
- il peut provoquer des surtensions importantes lors de l'élimination des défauts
à la terre par des phénomènes de résonnance entre la reactance et la capacité du
réseau ;
- coupure au premier défaut.
1.2.5. Neutre mis à la terre par reactance de limitation accordée (ou bobine de
Petersen)
Une reactance L accordée sur les capacités du réseau est intercalée entre le
point neutre et la terre de sorte qu'en présence d'un défaut à la terre, le courant dans
le défaut est nul (voir figure 1.12). 42 Protection des réseaux électriques
Neutre
/ l +/ =o L c
/ courant de défaut
/1 : courant dans la reactance de mise à la terre du neutre
lç : courant dans les capacités phase-terre
FIGURE 1.12. Neutre mis à la terre par bobine de compensation ou bobine de Petersen
Technique d'exploitation :
- non-coupure au premier défaut d'isolement autorisé sous réserve de respecter
le décret du 14 novembre 1988 sur la protection des travailleurs ; dans ce cas, il est
obligatoire :
- d'effectuer une surveillance permanente de l'isolement,
- de signaler le premier défaut d'isolement,
- de rechercher et d'éliminer le premier défaut d'isolement,
- de réaliser la coupure au deuxième défaut d'isolement (double défaut).
Avantages :
- si l'accord entre la reactance L et la capacité C du réseau est réalisé, c'est-à-
2dire 3 LCco =1 , le courant de défaut phase terre est nul. Cela permet :
- l'extinction spontanée des défauts à la terre non permanents,
- le maintien en service de l'installation malgré un défaut permanent, la
coupure étant obligatoire au deuxième défaut (le respect du décret du
14 novembre 1988 est obligatoire),
- le premier défaut est signalé par la détection du passage du courant dans la
bobine. La bobine est dimensionnée pour un fonctionnement permanent.
Inconvénients :
2- la réalisation de la condition 3 LC(û = 1 est difficile en raison de
l'incertitude qui existe sur la connaissance de la capacité du réseau. Il en résulte que, Les régimes du neutre 43
pendant la durée du défaut, un courant résiduel circule dans le défaut ; il faut
s'assurer que ce courant ne présente pas de danger pour le personnel et le matériel ;
- lors d'un défaut à la terre, les risques de surtension sont importants en raison de
l'existence de phénomènes de résonnance entre la reactance et la capacité du
réseau ;
- il demande la présence d'un personnel de surveillance ;
- la mise en œuvre de protections sélectives au premier défaut est difficile (voir
§4.5)
- il existe des risques de ferro-résonnance.
1.2.6. Réalisation de la mise à la terre par résistance de limitation en haute tension
1.2.6.1. Mise à la terre lorsque le neutre est accessible
Une résistance est intercalée entre la borne de sortie du neutre et la prise de terre,
soit directement (voir figure 1.13), soit par l'intermédiaire d'un transformateur
monophasé chargé au secondaire par une résistance équivalente (voir figure 1.14).
Cette solution est applicable lorsque le réseau est alimenté par unr
dont le secondaire est couplé en étoile avec neutre sorti, ou par un alternateur à
neutre sorti.
Figure 1.13. Raccordement direct
Figure 1.14. Raccordement par l'intermédiaire d'un transformateur monophasé 4 4 Protection des réseaux électriques
1.2.6.2. Mise à la terre par la création d'un neutre artificiel
Quand le neutre de la source n'est pas accessible (enroulement en triangle), la
mise à la terre est faite par un neutre artificiel, appelé aussi générateur homopolaire,
raccordé sur le jeu de barres.
(a) Utilisation d'un (b) Utilisation d'un
transformateur transformateur
étoile-triangle étoile-étoile
avec résistance avec résistance
dans la mise à dans le triangle
la terre du
point neutre
(c) Utilisation (d) Transformateur à
d'une bobine trois enroulements
zigzag YN(d)yn
AB C
Neutre
ab c
Figu re 1.15. Principaux schémas pour la création d'un point neutre artificiel
en haute tension

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