L’utilisation de l’énergie électrique est indispensable tous les jours ; malheureusement, il   présente des risques tant pour les personnes que pour les matériels.

Protection des personnes : régimes de neutre

Nécessité de la mise à la terre

L’énergie électrique bien qu’utile, demeure dangereuse pour l’homme  et la majorité des accidents est due aux défauts d’isolement des récepteurs (contacts indirects).

Il est donc nécessaire de protéger les personnes contre de tels dangers

Donc La masse des récepteurs doit donc être reliée à la terre afin d’assurer une tension de contact la plus faible  possible.

Ils existent pour la liaison à la terre plusieurs solutions dans la famille des Schémas de Liaison à la Terre (SLT) appelés aussi « régimes de neutre« , tous assurent la sécurité des personnes avec chacun des avantages et des inconvénients .

Les trois régimes de neutre.

On a 3 régimes: T T , T N et I T

Chaque régime de neutre est identifié par 2 lettres :

1^ère lettre : Situation du neutre du transformateur par rapport à la terre

• T: Neutre du transformateur raccordé à la terre.
• I: Neutre du transformateur isolé de la terre.

2^ème lettre : Situation des masses du récepteur par rapport à la terre ou au neutre

• T: masse métallique reliée à la terre
• N: masse métallique reliée au neutre

Régime TT

Les deux lettres qui définissent ce régime signifient :

• T : Le neutre du transformateur relié à la terre.
• T : Les masses métalliques reliées à la terre.

Le régime de distribution (TT) est le régime employé pour toute distribution d’énergie basse tension

Architecture d’une installation en régime TT sans défaut

Présence de défaut

Nous avons un défaut entre le phase 1 et la carcasse métallique

Boucle de Défaut

Courant de défaut

Lors d’un défaut d’isolement, un courant de défaut circule par la terre : Id (courant en rouge sur le schéma précédent)

V =    (R_{N +} R_T ) I_d

avec (R_{N =} 10Ω et R_T =10Ω ) I_d =11,5 A

Tension de contact

Une tension de contact  U_c  apparaît entre les masses métalliques et le sol. ( Uc est la tension laquelle la personne est soumise lorsqu’elle touche l’appareil en défaut).

U_c =R_T .I_d = 10×11,5=115V

Cette tension est élevée, supérieure à la tension limite de sécurité U_L = 50 V  elle est   potentiellement dangereuse  pour les personnes, donc  dès l’apparition du défaut d’isolement, la coupure de l’installation doit être obligatoirement  assuré  par un dispositif de protection à courant résiduel  DDR  (disjoncteurs différentiels)

Règles de protection

• Coupure automatique de l’alimentation par DDR au premier défaut.
• Toutes les masses des matériels protégés par un même dispositif de protection sont obligatoirement interconnectées et reliées par un conducteur de protection (PE) à une même prise de terre
• Satisfaire cette relation:  
• Toute installation (TT) doit être protégée par un dispositif différentiel résiduel placé à l’origine de l’installation.

Régime TN

Les deux lettres qui définissent ce régime signifient :

• T : Le neutre du transformateur relié à la terre.
• N : Les masses métalliques reliées au neutre.

Il existe deux types de schéma TN

• Le TNC : le neutre (N) et le conducteur de terre (PE) sont confondus. On choisit ce régime lorsque les conducteurs sont supérieures à 10 mm2 en cuivre et 16 mm2 en aluminium,

• Le TNS : on a deux conducteurs séparés. Le conducteur neutre (N) et le conducteur de protection électrique (PE) sont séparés. On choisit ce régime lorsque les conducteurs sont inférieurs à 10mm² ;

Présence de défaut

Un défaut apparaît sur le récepteur entre la carcasse métallique et la phase 1.

Boucle de Défaut

Lors d’un défaut d’isolement, un courant I_d circule dans le conducteur PE ou PEN.

Ce courant de défaut I_d est en fait un courant de court-circuit entre phase et neutre, il n’est limité que par la résistance des câbles (phase et protection)

Courant de défaut

Sachons que:

: Résistance de la longueur du conducteur de protection PE en Ω et

:Résistance de la longueur du conducteur d’une phase en Ω

On pose longueur L_ph=L_PE =L donc :

En posant le rapport des sections : alors

• S_PE : Section du conducteur inactif de protection PE.
• S_Ph : Section du conducteur actif d’une phase.
• m : Rapport des sections

Tension de contact

Si R_ph = R_pe donc Uc = 0,8.V/2 = 0,4.V = 0.4 x 230 = 92 V

Cette tension est supérieure à la tension limite U_L = 50 V ,elle est dangereuse pour les personnes, donc  dès l’apparition du défaut d’isolement, la coupure de l’installation doit être obligatoirement  assuré  par un dispositif de protection

Protection :

Ce défaut d’isolement qui a causé un court circuit nécessite des dispositifs de protection contre les surintensités,

On utilise généralement :

• un disjoncteur : le courant de défaut soit supérieur au courant de fonctionnement du déclencheur magnétique. Id > Imag
• un fusible de courant de fusion I_fusion inférieur à I_d

Régime IT

Les deux lettres qui définissent ce régime signifient :

• I : Neutre du transformateur est isolé (relié à la terre par une impédance élevée)
• T : Masses métalliques sont reliées à la terre.

Architecture d’une installation en régime IT

Présence du 1^er défaut

il existe undéfaut sur la phase 1,

Boucle de Défaut :

Lors d’un défaut d’isolement, un courant de défaut circule par la terre : I_d

Courant de défaut

Tension de contact :

La tension de contact apparaît entre les masses métalliques et le sol est : Uc=R_T1.I_d =10×0,1=1V

Cette tension est non dangereuse pour les personnes, la coupure n’est pas automatique. Mais on doit rechercher ce défaut et l’éliminer.

Protection : L’appareil qui signale ce premier défaut est le contrôleur permanent d’isolement (C.P.I.)

Présence du 2^ème défaut

il existe deux défauts: l’un sur la phase 1, l’autre sur la phase 3.

Boucle de Défaut :

En cas de deuxième défaut sans l’élimination du premier, un courant fort de court-circuit (risque d’incendie) s’établit entre phases ou entre phase et neutre. ainsi d’une tension de contact Uc dangereuse.

Courant de défaut :

Le courant de défaut n’est limité que par la résistance des conducteurs (phases et protection) :

U: tension entre phase

• R_ph1 : résistance de la longueur de conducteur phase 1
• R_ph2: résistance de la longueur de conducteur phase 2
• R_PE1 : résistance de la longueur de conducteur de protection PE1
• R_PE2 : résistance de la longueur de conducteur de protection PE2

Tension de contact :

Elle est potentiellement dangereuse car elle est supérieure à la tension limite Ulimite = 50 V.

La coupure de l’installation est obligatoire dès l’apparition du deuxième défaut

Protection :

La coupure est assurée par les protections contre les  court circuit

On utilise :

• un disjoncteur : le courant de défaut soit supérieur au courant de fonctionnement du déclencheur magnétique. Id > Imag
• un fusible de courant de fusion I_fusion inférieur à I_d

Protection électrique des matériels

Les différents défauts

un  défaut se traduit par  une augmentation  anormale d’un courant ( I_D ) supérieur au courant nominal I_N (I_D > I_N)

L’origine de défaut. … surcharges  ou Surintensité par court-circuit.

1- Les surcharges :

Une surcharge électrique se caractérise par un écoulement intense et anormalement de courant , il est légèrement supérieur à l’intensité nominale (I_N < I_D <10 IN).

Elle peut être due :

• Branchement de trop d’appareils sur une même prise ;
•  remplacement d’un appareil par un appareil plus puissant ;
• Soit un  blocage ou une charge mécanique trop importante pour un moteur…

Conséquence :  augmentation de la température , échauffement lent et progressif des composants de l’installation, cela entraine  la détérioration du matériel (fusion des isolants  jusqu’à l’incendie.

Protection : il faudra couper le courant d’autant plus vite que la surcharge est importante (entre une seconde et quelques heures).

Moyens de protection : Relais thermique, fusible, déclencheur thermique du disjoncteur.

2- Les court-circuits :

La surintensité se caractérise par élévation brutale de l’intensité , un courant très supérieur à l’intensité nominale (ID > 10 IN).

Elle résulte d’un contact accidentel entre deux conductrices (court-circuit) à la suite :

• D’une détérioration des isolants par vieillissement ou usure mécanique;
• D’une mauvaise manœuvre ;

.

Conséquence :  une élévation très importante de la température des composants, la présence d’arcs électriques ;  pouvant entraîner un endommage l’isolation de l’équipement électrique ;la fusion des soudure des contact, provoquant souvent un incendie.

Protection :  il faudra couper le courant instantanément (quelques centièmes de seconde).

Moyens de protection : Déclencheur magnétique du disjoncteur , fusible.

Dispositifs de protection

1-Fusibles

Rôle

Le fusible est  un   élément essentiel  qui permet d’ouvrir un circuit électrique par fusion

C’est un organe de sécurité qui permettra de mettre hors-tension tout le circuit en aval  .

Une cartouche fusible sert à protéger l’installation contre les court-circuits , et les très fortes surcharges .

Fonctionnement :  

L’élément fusible est constitué d’un fil métallique dans une enveloppe fermé.

 Le fusible fond si le courant qui le traverse dépasse la valeur assignée.

Il existe trois types principaux de fusibles :

• Standard (type gG) : usage général, protection des câbles et récepteurs  contre les surcharges et les court-circuits . Utilisation : Éclairage, four, ligne d’alimentation…
•  aM (accompagnement Moteur) :  commence à réagir à 4xIn   démarrages moteurs , ce fusible  un fort courant de démarrage moteur durant quelques secondes; ce  type de  cartouche fusible (aM) protège les moteurs contre les courts circuits , par contres il laisse passer la surcharge au démarrage. (Utilisation : Moteur, transformateur,…

( uR)  Ultra rapide (prosistor) :  utilisé en électronique pour  la protection des semi-conducteurs contre les courts-circuits.

Courbes de fusion d’une cartouche cylindrique type gG

Elles permettent de déterminer la durée de fonctionnement du fusible en fonction du courant qui le traverse avant sa fusion.

2-Disjoncteurs

Rôle

Un disjoncteur est un organe électromécanique, de protection, capable d’interrompre un courant de surcharge ou un courant de court-circuit dans une installation.

Symbole

Fonction :

Les disjoncteurs sont pratiquement tous magnétothermiques, c’est-à-dire composé d’un déclencheur magnétique (protection contre les court-circuits)  et d’un déclencheur thermique (protection contre les surcharges)

Détection Magnétique

Une bobine détecte le champ électromagnétique généré par le courant traversant le disjoncteur, lorsqu’il détecte une une forte augmentation du courant électrique  supérieur à la consigne ,  l’interruption du courant est « instantanée »

Détection Thermique:

Conséquence d’un surcharge :  les spires de fil chauffent par effet Joule un bilame, lorsque  l’échauffement devient suffisamment important, le bilame se déclenche en interrompant ainsi le courant

Courbe de déclenchement d’un disjoncteur :

c’est l’association du déclencheur thermique du déclencheur magnétique.

Ir : (Courant de réglage) courant maximal que peut supporter le disjoncteur sans déclenchement du dispositif thermique (de 0,7 à 1 In).

Im: (Courant magnétique) courant de fonctionnement du déclencheur magnétique en cas de court- circuit (de 2,5 à 15 In).

Courbe B, C, D de déclenchement des disjoncteurs

Courbe B :·  Protection des générateurs, des personnes et grandes longueurs de câbles (en schéma TN et IT). ·  Réglage de Im entre 3 et 5 In

Courbe C· : Protection des câbles alimentant des récepteurs classiques· 

Réglage de Im entre 5 et 10 In

Courbe D :·  Protection des câbles alimentant des récepteurs à fort courant d’appel (transformateurs, moteurs)·  Réglage de Im entre 10 et 14 In

Critères de choix : s’effectue en fonction du circuit à protéger et en fonction des critères suivants :

• In calibre ou intensité assignée
• Ue tension nominale d’emploi .
• Pouvoir de coupure .
• Nombre de pôles protégés.

3-Relais thermique

Fonction

Le relais thermique permet de protéger le récepteur (moteur)  placé en aval contre les surcharges et les coupures de phase  

En cas de surcharge, le relais thermique n’agit pas directement sur le circuit de puissance,  il intervient seulement sur le circuit de commande. Un contact du relais thermique ouvre le circuit de commande d’un contacteur  et enfin  le contacteur  coupe le courant au  récepteur.

Symbole

Principe de fonctionnement

Le relais thermique   agit grâce à des bilames qui se déforment en fonction du courant qui les traversent.  Si le moteur est en surcharge, l’intensité I qui traverse le relais thermique  augmente,  ce qui entraine la déformation des bilames. Un système mécanique, lié aux bilames, assure l’ouverture d’un contact auxiliaire

Choix d’un relais thermique :

• Ir courant de réglage
• Ue tension nominale .
• Fonctionnement différentiel : afin de protéger l’équipement contre la marche en monophasé,
• La compensation en température : Si un environnement froid ou chaud,
• La classe de fonctionnement : Selon les durées de démarrage des moteurs, il existe trois classes de relais thermiques.
  • Classe 10 : déclenchement normal (démarrage de 4 à 10 s).
  • Classe 20 : déclenchement faiblement temporisé (de 6 à 20 s).
  • Classe 30 : déclenchement fortement temporisé (jusqu’à 30 s).

Courbe de déclenchement du relais thermique :

Pour chaque classe de fonctionnement, le constructeur nous donne une courbe de déclenchement.

Par exemple, si une surcharge de 2xIr apparaît sur la ligne, pour un fonctionnement équilibré à chaud, le relais thermique classe 10 A déclenchera au bout de : 1min

Observation;l’intensité minimale de déclenchement est égale à 1,15.Ir.

Le relais thermique ne déclenchera pas lorsque  I = Ir mais à I = 1,15.Ir.