Les schémas de liaison à la terre BEP Métiers de l’électrotechnique

Introduction La protection des personnes dans une installation BT doit être réalisée conformément: - au décret de protection des travailleurs n° 88-1056 du 14/11/88 complété par toute une série d'arrêtés et notes techniques regroupés dans la norme UTE C 12-100. - à la norme NF C 15-100. - aux directives de la norme UTE C 18-510 qui rend obligatoire l'habilitation du personnel. Les schémas de liaison à la terre sont des dispositions qui décrivent comment sont connectés le conducteur NEUTRE et le conducteur de protection sur les installations électriques

Rappels: LE NEUTRE Ce sont les points neutres des transformateurs HT/BT ainsi que les conducteurs neutres qui, en régime équilibré, ne sont parcourus par aucun courant

Rappels: LES MASSES Ce sont les parties conductrices accessibles d'un matériel électrique susceptibles d'être mises sous tension en cas de défaut.

Rappels: LE CONDUCTEUR DE PROTECTION PE C'est un conducteur de couleur VERT/JAUNE dont la fonction est de relier toutes les masses métalliques des appareils à la terre. En cas de défaut, il permet de canaliser le courant électrique provoqué par le défaut. Afin d'éviter la multiplication des prises de terre, on ramène les conducteurs de protection au tableau de distribution. Ils sont reliés ensuite à la terre par l'intermédiaire d'un piquet de terre ou autres. Le conducteur de protection n'est pas distribué par le fournisseur d'énergie ( EDF en France ).

On la symbolise par une résistance fictive: Rn Rappels: LA TERRE La terre peut être considérée comme un milieu conducteur . Sa résistance dépend de la nature du milieu ( terre argileuse, roche granitique, etc... ).   LA PRISE DE TERRE : C'est l'endroit ou le conducteur de protection PE de l'installation électrique est relié à la terre . Physiquement il s'agit généralement d'un conducteur enterré ou d'un piquet métallique planté dans la terre. Cependant, l'utilisation d'un piquet de terre ( ou autre ) pour la mise à la terre ne permet pas de réaliser un contact parfait entre ce piquet et la terre. En effet, il existe une résistance de contact, non négligeable, qui peut atteindre quelques dizaines, voire quelques centaines d'Ohms . On l'appelle la RESISTANCE DE PRISE DE TERRE. On la symbolise par une résistance fictive: Rn Il est impératif de prendre en compte l'existance de cette résistance de prise de terre dans l'étude des différents défauts.C'est pour cette raison,que les croquis la prendront en compte sous forme d'une résistance fictive. Ceci est vrai pour la résistance de prise de terre du neutre ( au niveau du poste de transformation ) et du PE ( au niveau de l'habitation ).

SOMMAIRE Les risques du courant électrique. Le contact direct. Le contact indirect. Les différents schémas. Le schéma T T. Calcul de la tension de contact. Temps maximum de coupure. Calcul du courant de défaut. Description d'un D.D.R. Réglage de la sensibilité d'un D.D.R. Sélectivité des D.D.R. Avantages et inconvénients du schéma T T.

Les risques du courant électrique Un courant électrique traversant le corps humain peut éventuellement mettre en danger une personne. Ceci dépend à la fois de la valeur du courant (en A) et du temps de passage de celui-ci (en s) comme le montre le graphique : Nous observons que, pour un courant <= à 0,5 mA, la personne n’est pas en danger. Au-delà, l’alimentation doit être interrompue en un temps bien défini.

Le contact direct Les normes et règlements définissent deux types de contact dangereux avec le courant. Nous définissons le contact direct : C’est le contact d’une personne avec une pièce métallique normalement sous tension . La protection contre ce type de contact peut être réalisée par isolation ou enveloppe (IP2X), mais encore par obstacle ou utilisation de la TBTS.

Le contact indirect C’est le contact d’une personne avec une pièce métallique mise accidentellement sous tension (suite à un défaut d’isolement). La protection contre ce type de contact est réalisée par coupure automatique de l’alimentation grâce aux différents Schémas de Liaison à la Terre ( S.L.T. ).

Les différents schémas Il existe trois principaux schémas de liaison à la terre : T T T N I T La première lettre renseigne sur la position du neutre du transformateur par rapport à la terre. La deuxième lettre renseigne sur la position des masses métalliques par rapport à la terre. Nous allons, par la suite, développer le schéma TT.

Schémas de la liaison TT

Analyse du schéma T T Voici le chemin du courant de défaut ( Id ) sur une installation TT : Id est un courant assez faible car il est limité par les résistances des prises de terre. Ce défaut porte la carcasse à un potentiel par rapport à la terre souvent élevé donc dangereux pour une personne, on la nomme tension de contact ( Uc ).

Calcul de la tension de contact Pour les calculs, on prendra les valeurs : V = 230 V, Rm = 80 Ω, Rn = 30 Ω Rm (Ru): résistance entre masse et terre - Rn: résistance entre neutre et terre On considérera que le défaut est survenu dans un local sec ( UL =< 50 V ). Pour le calcul de Uc, nous utiliserons le pont diviseur de tension : Uc = Rm ( V / ( Rm + Rn )) Uc = 80 * ( 230 / (80 + 30)) = 167 V C’est une tension dangereuse car : Uc > UL  167 V > 50 V. On remarque que, plus la valeur de la prise de terre des masses (Rm) est importante, plus la tension de contact sera grande : il faut donc rendre la valeur de la prise de terre des masses la plus faible possible.

Temps maximum de coupure Nous allons, à présent, déterminer le temps maximum que l’appareil de protection ne doit pas dépasser pour réagir sans mettre en danger la personne. Voici un tableau donnant le temps de coupure maximal du dispositif de protection en fonction de la valeur de la tension de contact pour un défaut se situant dans un local. Exemple : sous une tension de 230 V, le contact avec un conducteur peut produire un courant de 153 mA dans le corps humain. Ce courant doit être coupé en moins de 0.17 secondes pour éviter tout risque.

Dispositif Différentiel à courant Résiduel (D.D.R.). Calcul du courant de défaut A l’aide du schéma équivalent précédent, Id = V / (Rm + Rn) = 230 / (80 + 30) = 2,1 A Ce courant de défaut est trop faible pour faire réagir les protections contre les surintensités ( disjoncteur magnéto-thermique, fusibles). L’appareil de coupure automatique approprié sera un : Dispositif Différentiel à courant Résiduel (D.D.R.). Calculons, à présent, la valeur du courant ( Ip ) traversant la personne qui toucherait la machine en défaut (on prendra 1 000 Ω de résistance corporelle): Ip = Uc / Rh = 167 / 1 000 = 167 mA Ce courant est largement supérieur au 0,5 mA sans danger pour le corps humain.

Description d’un D.D.R. Sur un tore magnétique, sont montées les bobines (la ou les phases, le neutre et la bobine de détection). Lorsqu’il n’y a aucun défaut, les bobines (phases et neutre) sont traversées par le courant d’emploi de l’installation et la somme des quatre flux magnétiques produit par les bobines dans le tore est nulle : rien ne se passe.

Description d’un D.D.R. - La présence d'un défaut au niveau du récepteur crée un courant de fuite (If) vers la terre. Les courants circulant dans les bobines de phase et de neutre ne sont plus les mêmes. Ce déséquilibre va créer un flux résultant ( phi T ) qui va à son tour créer une f.e.m induite dans la bobine de l'électro-aimant. Ce dernier va déclencher le disjoncteur.

Réglage de la sensibilité d’un D.D.R. Pour ne pas mettre en danger les personnes, il faut que la sensibilité IΔn du D.D.R. soit : IΔn =< UL / Rm Dans notre exemple, IΔn =< 50 / 80 IΔn =< 625 mA Calibre du DDR : 500 mA On s’aperçoit qu’il est très simple d’assurer une bonne sécurité même si la prise de terre des masses a une valeur assez élevée, il suffit pour cela de corriger la sensibilité du D.D.R. Sensibilité IΔn en fonction de la résistance Rm de la terre

Sélectivité des D.D.R.  IΔn amont >= 2 * IΔn aval Lorsque plusieurs protections différentielles sont en cascade, il faudrait que seule celle qui se trouve juste en amont du défaut réagisse. Pour obtenir une sélectivité totale, il suffit de respecter les deux règles suivante :  IΔn amont >= 2 * IΔn aval  Temps de coupure =< Temps de coupure du D.D.R. amont du D.D.R. aval Dans la pratique, le D.D.R. amont est de " type S " ( sélectif ), c'est-à-dire qu'il est légèrement retardé à l'ouverture.

Avantages et inconvénients du schéma T T Avantages : Idéal pour les mauvaises valeurs de prises de terre. Extension d'installation simple à réaliser. Simplification de l'installation électrique, protection en cas de défaut d'isolement par disjoncteur ou interrupteur différentiel, calcul des protections moins contraignant autorisant des modifications aisées des récepteurs. Aucune permanence de spécialiste n'est exigée pour le dépannage. En contrepartie, les prises de terre devront avoir des valeurs inférieures à celles préconisées par les textes en vigueur. Les disjoncteurs auront (ou pourront avoir) leurs pôles neutre non protégés (ex.: 3P+N, ou 1P+N)). Inconvénients : Pas de continuité de service lors d'un défaut d'isolement. Dispositif différentiel parfois coûteux (surtout les Hautes Sensibilités). Limité aux installations ayant peu de courant de fuites (phase-terre).

Autres schémas de liaisons Schéma de la liaison IT Installation permettant la poursuite de l'exploitation d'énergie malgré un premier défaut d'isolement même important, comme les salles d'opération en hôpital, la sécurité aérienne, etc, mais nécessité d'avoir un spécialiste en dépannage pour supprimer ce défaut très rapidement, avant le déclenchement d'un deuxième défaut qui va faire déclencher les protections. De plus, ce schéma oblige la mise en place d'un Contrôleur Permanent d'Isolement (CPI) signalant par alarmes sonores et visuelles tout défaut dans l'installation.

Autres schémas de liaisons Schéma de la liaison IT ATTENTION: Dans un schéma IT, il est interdit de monter des barrettes de neutre sur le pôle Neutre de l'appareil de protection. Un fusible calibré comme les phases est obligatoire. En effet, si un défaut d'isolement important survient entre une phase et la terre, sur un départ de puissance importante, et entre le neutre et la terre sur un départ de puissance moindre, la barrette du neutre de ce deuxième départ ne pouvant "fondre" comme un fusible normal, il y aura échauffement du conducteur de neutre pouvant aller jusqu'à l'incendie. Les fusibles de neutre, comme ceux des phases, devront actionner un dispositif de coupure omnipolaire. Pour les installations avec disjoncteurs, le pôle Neutre sera protégé comme ceux des phases (ex.: 4P ou 2P). Si les disjoncteurs sont avec protection différentielle, le neutre pourra être non-protégé. Le différentiel assurera également la protection contre le 2e défaut. Mais cette solution peut s'avérer plus onéreuse qu'avec des disjoncteurs avec neutre protégé mais non-différentiels.

Autres schémas de liaisons Schéma de la liaison TN

Autres schémas de liaisons Schéma de la liaison TN Installations électriques dont les récepteurs ont naturellement des défauts d'isolement très élevés comme les radars, les installations de chiffrage (en général, ces récepteurs disposent de filtres capacitifs de forte puissance entre chaque phase et la masse). Employés également dans certaines installations très particulières (aéronefs) lorsque l'un des conducteurs est composé de la masse du récepteur, ou lorsque plusieurs réseaux mixtes (tensions ou fréquences différentes, continu et alternatif) cohabitent. Les installations électriques fonctionnant sous ce schéma seront calculées avec le plus grand soin en ce qui concerne la protection ampèremétrique (relais magnétiques), des essais devront obligatoirement être effectués, et leurs résultant probants avant toute mise en service normal de cette installation. Toute modification relative à l'alimentation d'un récepteur donnera lieu à une étude comparable à celle effectuée lors de la mise en service initiale.

Autres schémas de liaisons Schéma de la liaison TN Ces installations permettent l'alimentation de récepteurs sans protection différentielle. En cas de défaut d'isolement, c'est la protection magnétique qui déclenchera la coupure de l'alimentation électrique. Afin de parer à une défaillance des connexions du conducteur de terre depuis l'origine de l'installation jusqu'au récepteurs terminaux lorsque le réseau est étendu, les schémas TN nécessitent la mise à la terre du conducteur de protection en plusieurs points tout au long de ce réseau. De plus, les liaisons Terre (PE) dans les schémas TN-S, et Terre-Neutre (PEN) dans les schémas TN-S, ne devront JAMAIS être coupées depuis l'origine jusqu'à l'appareil d'utilisation, par un commutateur, interrupteur, fusible ou autre.

Conclusions La France est alimentée en énergie électrique par un réseau général, dont EDF représente la majorité des fournisseurs. Afin de ne pas subir les inconvénients de sa clientèle en Basse Tension, EDF a choisi de fournir une énergie suivant le régime TT. Le choix d'un autre schéma de neutre impose donc de détenir un transformateur pouvant modifier ce régime.

Complément d’informations. Cahier technique LEGRAND: La nature des risques et leurs conséquences Cahier technique N°172 SCHNEIDER: Les schémas des liaisons à la terre en BT Cahier technique N°173 SCHNEIDER: Les schémas des liaisons à la terre dans le monde et évolutions Cahier technique N°178 SCHNEIDER: Le schéma IT (à neutre isolé) des liaisons à la terre en BT CHAUVIN ARNOUX : Contact N°55 : La mesure de terre Contact N°52 : La mesure d’isolement CRAM: LES DIFFÉRENTS RÉGIMES DU NEUTRE

Transformateur HTA / BTA MISE EN SITUATION Energie du réseau HTA Transformateur HTA / BTA Energie du réseau BTA Prise de terre de l ’utilisateur. Prise de terre du poste de livraison.

La mise à la terre et la prise de terre La mise à la terre consiste à rélier à une prise de terre, par un fil conducteur, les masses métalliques qui risquent d'être mises accidentellement en contact avec le courant électrique par suite d'un défaut d'isolement dans un appareil électrique. D'une part la mise à la terre permet d'écouler les courants de fuite sans danger. D'autre part, en association avec un dispositif de coupure automatique (disjoncteur différentiel), elle assure la mise hors tension de l'installation électrique.

La mise à la terre et la prise de terre Pourquoi la mise en terre ? Pour la sécurité des utilisateurs ! Prenons un exemple. Une machine à laver qui n'est pas branchée sur une prise avec terre est dans une buanderie au sol carrelé. Une souris a dénudé le câble d'alimentation de la machine et les fils électriques se mettent en contact avec la machine. Vous touchez la machine et, comme vous êtes sur un sol conducteur, vous êtes traversé par le courant électrique. C'est une électrocution. La mise à la terre, associée au disjoncteur différentiel, évite tout incident. Le courant passe directement dans la terre et l'alimentation est automatiquement coupée. Plus d'électrocution, plus de danger

La mise à la terre et la prise de terre Ce qu'il faut mettre à la terre Il faut mettre à la terre le corps métallique de tout élément qu'on peut toucher, qui est normalement isolé du courant électrique mais qui peut risquer d'être en contact avec le courant : chauffe-eau, cuisinière, machine à laver, réfrigérateur, moteur, lampadaire, tube fluorescent, cadre métallique d'une porte, etc. On relie donc à la terre :Les appareils d'une installation électrique (socles de prises) et les conducteurs de protection (fil jaune et vert) de tous les circuits électriques.

Réaliser une prise de terre Trois techniques sont couramment utilisées : Le ceinturage en fond de fouille autour de la maison lors de la construction.  

Réaliser une prise de terre Le conducteur en tranchée situé ( 20 cm au moins d’une canalisation d’eau, de gaz ou d’électricité ) Une technique utilisée lorsqu’on réalise les tranchées d’alimentation de la maison.

Réaliser une prise de terre Le piquet enfoncé au moins jusqu’à deux mètres. C’est une techniques utilisée pour créer une prise de terre pour un bâtiment existant.

Relier la prise de terre à l'installation La connexion doit être sûre, durable et protégée contre la corrosion. Les canalisations de terre et les conducteurs de protection doivent être protégés mécaniquement dans les traversées de planchers et parois et ne jamais être encastrés directement. Les liaisons sont réalisées avec des fils conducteurs de section précise : Le conducteur de terre qui assure la liaison entre la prise de terre et la barrette de mesure : 16 mm2 en cuivre isolé ou 25 mm2 en cuivre nu. Le conducteur principal de protection qui assure la liaison entre la barrette de mesure et le tableau de répartition : 6 mm2 pour un conducteur de phase de 6 mm2, 10 mm2 pour une phase de 10 mm2 ou 16 mm2 pour une phase de 16 mm2 ou plus. Les conducteurs de protection qui vont du tableau de répartition aux appareils électriques et aux prises de courant : 2,5 mm2 s'il est protégé mécaniquement ou 4 mm2 s'il n'est pas protégé.

La mise à la terre et la prise de terre Règles à suivre: On établit de préférence les prises de terre dans les fonds de fouille des bâtiments ou dans les caves et, de toute façon, dans des endroits abrités de la sécheresse et du gel.   Une prise de terre doit être éloignée de tout dépôt ou infiltration qui peut la corroder : produits chimiques, fumier, purin, etc.   Une prise de terre ne doit jamais être plongée dans l'eau.   L'utilisation de canalisations de distribution publique d'eau n'est pas autorisée par les distributeurs d'eau.   Il est interdit d'utiliser comme prise de terre les canalisations d'eau, de gaz ou de chauffage central, et les gaines métalliques des câbles.

PRÉCAUTIONS A PRENDRELORS DE LA MESUREDE LA RÉSISTANCE D'UNE PRISE DE TERRE La résistance d’une prise de terre dépend de la forme et des dimensions de cette dernière et de la nature du terrain où elle est établie. Sa résistance R en ohms (Ω) est donc fonction de la résistivité ρ exprimée en ohms par mètres (Ω.m) qui est variable d’un point de terrain à l’autre et qui varie également en profondeur mais surtout en fonction des conditions météorologiques (humidité, sécheresse ou gel). C’est pourquoi, la valeur de la résistance d’une prise de terre varie au cours d’une année dans un rapport de 1 à 5. Bien qu’il soit possible par calculs d’obtenir une valeur (en fait très approximative) de la résistance d’une prise de terre, il s’avère souvent nécessaire de mesurer cette dernière de façon à vérifier que la valeur réelle de la résistance satisfait aux conditions de protection ou de service de l’installation électrique. C’est pourquoi un dispositif (appelé barrette de mesure ou barrette de coupure) doit être inséré, en un endroit accessible, sur le conducteur de terre pour permettre d’interrompre momentanément sa continuité aux fins de vérification. Cette barrette doit assurer la continuité électrique, être mécaniquement sûre et démontable seulement au moyen d’un outil (cf. article12 du décret du 14 novembre 1988 et article 542.4.2 de la norme NFC 15-100). Cette barrette de mesure peut être combinée avec la borne principale de terre sur laquelle sont reliés les conducteurs de terre, de protection, de liaison équipotentielle principale et éventuellement les conducteurs de mise à la terre fonctionnelle (cf. article 542.4.1 de la norme NF C 15-100). La mesure de la résistance de prise de terre est souvent réalisée au moyen d’un ohmmètre de boucle. Cet appareil donne une valeur par excès car la mesure réalisée concerne l’impédance de la boucle de défaut phase-terre. Si elle s’avère souvent suffisante, cette méthode peut se révéler imprécise. Il est donc nécessaire d’utiliser un ohmmètre de terre nécessitant d’une part l’utilisation de prises de terre auxiliaires d’autre part de déconnecter la barrette de mesure.

5 - Débrancher la barrette de mesure au moyen d’un outil approprié ; PRÉCAUTIONS A PRENDRELORS DE LA MESUREDE LA RÉSISTANCE D'UNE PRISE DE TERRE L’utilisation de cette méthode nécessite de prendre certaines précautions, à savoir : 1 - Mettre les équipements de protection individuelle (EPI) appropriés, notamment les gants isolants ; 2 - Vérifier au moyen d’une pince ampèremètrique en bon état qu’aucun courant de défaut ne circule dans le conducteur de terre ; 3 - Si besoin est, éliminer ce courant de défaut en recherchant et en supprimant le ou les défauts d’isolement ; 4 - Mettre en place une prise de terre provisoire (piquet par exemple)reliée à la borne principale de terre de façon à assurer la continuité de la protection de l’installation électrique ; 5 - Débrancher la barrette de mesure au moyen d’un outil approprié ; 6 - Effectuer la mesure de la résistance de la prise de terre ; 7 - Après la mesure, ne pas oublier de rebrancher la barrette de mesure au moyen d’un outil et de supprimer la terre provisoire.