mise_a_la_terre

5/13/2018 mise_a_la_terre

1/14

IncidentsLe role de la mise it la terre du neutreVolker Leitloff; EDF, Division Recherche et Developpement, Clamart:, France

diagrammes vectorielspour deux cas . Pour Iecliagrarnme ze, ~ estune resistance (I N est enphase a ve c ! !No ) . Pour Iediagrarnme 2d, ~ estune reactance U N est enqu ad ra tu re a v ec ~G)'

I~~+-----~~--~2r-~+--+--~----~3I F ' : : : : : : : : : : : : : : :: : : : : : : : : : : :: , . Ie

ex; C20 ClflZ - y , o , Comme le montre laFig. 1. Ie courant dansle d efa ut 1 10 co rr esp on da Ia somme vectorielledu courant de neutre etdu courant capacitifhomopolaire 1c qui cir-cute darts les capacitesphase-terre. lc estgeneralernent negligeable d ans I es r es ea u xde transport, en raison de la faible capaci-I e des lignes aeriennes. En revanche, ce

courant capaci t i f peut devenir tres clevedans Ies reseaux de distribution qui com-po rt ent beaucoup de l ignes souter ra ines .

':g. I: Schema equivalent simpllfie d'un reseau electrique" vide, subissam un defaut rnonophase---------_-- -----

D ans u n resea u etectrique en regime nor-ma l. c 'e st -a -d ir e s an s detaur, l e s cou ran tset tensions sont equi l ibres, La somme descourants dans Ies trois phases est alors1 1 1 1 1 1 e . Si n o u s considerons Ie s ch em a ( re ssimplifie et sans charge de la Pig. I, cenesomme correspond au courant dans Ja"impedance Z N situee entre le neutre et laterre,Quelle que soit la nature el III v aleur del'impedance de mise it la terre, la tensionentre le point de neutre de la source equl-valente er la terre esr done egalernentnulle, Les tensions phase-terre correspon-dent a la ten ion nominale simple dure se au (e f. Fig. 2a) .En revanche. Ie Iype de la mise a In terrej un role irnportant en regime dedciaut, En effet, lars d'un defaut mono-phase, la tension aux barnes de l'impe-dance de mise a la terre (MALT) peutaueindre la tension simple. Le courant deneutre T N dans cette impedance dependalms de sa nature. La Fig. 2 donne les

Le choix de l'impedance de neutreinfluence done directement Ie courant dedefaut r nonophase , Plus elle e Ielevee,plus le courant de detaur depend de lacapacite homopolaire du Ieseau. Lereseau it neutre isole constitue un casextreme, puisque Z 'N = cc conduit a IN = O .U n courant capacitif eleve pent etregenant a cause du courant de defaut eievcqui e n re su lte . P ou r le s r es ea ux concernes.il est possible de compenser ce courantpa r un courant reactif fourui par l'irnpe-dance de MALT. C'est le principe de labobine de compensation ou bobine dePetersen (Fig. 2d). En choisissant unevaleur adaptee de la reactance de neutre,on peut atteindre IF $ O. Un courant dedefaut faible p re s en te p lu s ieu rs avantagespour l'exploitation du reseau:

- la plupan des defauts ont dus a u n a rce lec t r ique contournanr u ne c ha in e d'isola-te ur s; si le courant de d efa ut e n regime es tfaible - voire nul - I'arc ne peut pas semaintenir; Ie defaut 'eteint alors sansnecessiter nne action d'organes de coupu-re du reseau; ce phenomene est appeledefaut auto-ext inc teur :- les contraintes electriques a l'endroit dud efa ut so rn m oins e le ve es; Ie risq ue d 'e n-dommager Ies materiels es t done reduit et,surtout. les tensions de pas et de touchersam plus faibles: dans certains reseaux,cela permet le rnaintien de la fournirure enpresence d'un defaut monophase.Comme m cntionne preced em m ent. lecourant de defaut rnonophase dependdireetement du choix du regime de neuire.La rnaitrise de ce courant et la nature duregime de .neuire son Iimportantes pourplusieurs raisons:- a l'endroit du d efant, Ie cour an t dedefau; est ii I'origine de tensions de pas ctde toucher; les valeurs rnaximales pources tensions SOIlI definies dans des normesoureglements: elles dependent du courantde defaut, rnais aussi de la valeur de laprise de terre de l'ouvrage en defaut;- dans les postes e t d ans le re se au , le smateriels sont d i rnens ionnes pour supper-ter un certain courant de defaut: des cou-ranis de defaut trop forts peuvent endo rn-mager ou detruire des equipernents:- en pratique, le courant de defaut estaussi limite par les impedances dessources (non representee'S dans la Fig. I);Ie [apport entre l'impedance equivalemede la SOUIce et l ' impedance de mise a laterre du neutre determine la montee enpotentiel des phases saines; 8UJ " lesreseaux HT et THT . on ne souhaite pasque la tension phase-terre des phases

L ~G=l

R eg im e n orm alb

Defau Imonoph Qlie f ra nc p h ai le I(tensions)

cD Ha uL rno no pha se fra nc pha se I

avec MALT resis tive

-dDe fn u l r no no ph a se f ra nc p h as e J

avec MALT inductiveFig. 2: Diagrarnrnes vecroriels

Revue E - l l Sem e annee - n 2~2000 (juillei 2000) 29


2/14

-Daniel Griffel, Luc Berthet, Jean 8ergeaJ

I . Ie problerne et l e s solutions dans I e mondeLes reseaux de transport et de distri-.ruon d'electricite ant pour mission prin-

cipals d'acherniner l'enerqie electriquedepuis les groupes de production jus-qu'aux appareiis utilisateurs. lis intluen-cent et sont influences par I'environne-ment,et leurs performances dependentde leur integration harmonieuse aveccelui-ct. Nous allons observer une desinteractions les moins vlsibles mais quin'en a pas mOInS une grande influencesur la quaiite cJuproduit electricite )} :I'interaction Reseau I Terre.

Daniel Griffel, Ingenieur ESE, arrive a la DER en 1990epres avoir debutEi en 1971 a la Direction de la Distri-bution. actuellement charge de Mission au departe-rnant Fonctionnemeni et Conduite des Reseaux,Jean Bergeal. ingenieur INPG, entre a la DER en 1974,iI racu en 1.993 Ie prix Wijmans (KEMA) pour ses tra-",,1Ux sur Ie mise it la terre des neutres des rsseaux deilrlbution par bobine de compensat ion, actuelle-, "Ill ingenieur-seniof au Centre de Normal isation,luc Bertnet, lnqenieur ESE, entre Ii la DER en 1981,ilCluelfement ingenieur-chercheur dans Ie groupe Pro-~OCtio~s Automatismes T~hkonduite du departernentOnctlonnemen1 et Conduite des Rsseaux.I, IIv.'llue du General-de-Gaulle, 92141 Clamart Cedex

La bonne gestion des relations entre laterre et Ie Heseau est a la source de deuxqualites essentielles pour un reseau dedistribution d'e ne rqie : la securite et lacontinuite de Iourniture.

Les problernes de cohabitation seresolvent habituellement par des com pro-mis. ft.ux deux extremes des differentestensions utilisees pour transporter et dis-tribuer lenerqie electrique, reseaux aTres Haute Tension (400 000 Volts) d'unepart, et reseaux Basse Tension (400 Volts)d'autre part, certaines solutions s'irnpo-sent et sont communes aux electriciensdu monde entier.

3


3/14

Pour les tensions intermedialres. del'ordre de quelques milliers de Volts, Iechoix d'une solution est plus ouvert etcornplexe. comme l'atteste la diversitedes solutions adoptees iei ou 18dans Iemonde. Ce choix n'sst pas detinitif carcertaines evolutions de I'environnementdes reseaux alectriques en modifient lestermes.. Ainsi, en France, les solutions adop-tees dans les annees 50 pour les ressauxa Moyenne Tension (20 000 Volts) arr i -vent aujourd'hui a leurs limites et Electri-cite de France doit s'adapter a la nouvellesituation. Issue des travaux rnenes en cesens, en particulier par les chercheurs dela DER, la solution proposes par EDF estoriginale et nova t r l ce . Mise en c suv re surles r es ea ux fr an ca is dans les dix ans qUIv ie nne nt . e lle permettra d'arne l io rer , ades couts tres avantageux, la perfor-mance du produit Electricue dans deuxdomaines sensibles : la securite et lacootinuite de fournitura.

Les deux enjeuxd'une bonne cohabitationLes reseaux electriques sont essen-

tiellement constituss de lignes aerienneset de cables souterrains. Les conduc-teurs inclus dans ces routes et au to -routes transportent des charges elec-trlques a des potentiels differents. lisdo i ven t etre i so les entre eux et isoles dela terre, dont Ie potential ccnstitue unereference.

Notre propos, dans cet article, est demontrer que les methodes utilisees depar Ie monde pour gerer l'intaractionentre les potentiels du rsseau et celui dela terre exercent une grande influencesur les performances du produit electri-cite tel qu'il est percu par les consom-mateurs. Nous verrons en effet que cesmethodes deterrninent Ie comportementdu reseau lorsqu'un contact (en generalaccidentel) plus au mains direct se pro-duit entre un des conducteurs du reseauat la terre. Or, c'est preciscrnent de cecomportement que dependent deux qua-

4

lites fondamentales de I'alimentatlonelectriqus : la securite et la continuite defourniture.La securite

Chacun d'entre nous attend de son ali-mentation electrique qu'elle ne mette endanger ni les personnes ni les biens. IIest bien aqreable de pouvoir ouvrir laporte de son refrigerateur sans apprehen-sion ... Nous voulons egalement quenotre securite soit assures lorsque nousnous promenons au voisinaqe d'une ligneelectrique, souvent situee en domainepublic.

Nous souhaitons egalement que nosequipernents electriques ne subissentpas de dommage lorsqu'un incidentaffecte Ie ressau. Ceci est v ra i des appa-reils electriques. mars aussi des appareilsqui peuvent subir, par l'interrnediaire de laterre, I'influence du reseau electrique, parexemple les svsternes de telecommuni-cation.

Pour que cette sscurue soi assures . ilest necessaire que les materiels soientisoles par des rnateriaux eapables dernamtcrur en permanence une barriersentre le s condueteurs aetifs e t les partiesaccessibles. II faut done etre sur que lestensions irnpcseas par Ie reseau nedepasseront jamais la valeur maxima Ie aude la de laquelle ces rnateriaux. les ISO-lants, seraient dstruits.

envefoppe miseaccidenlellemenfsous rension

I J--


4/14

II existe par consequent un bon equi-libre entre la tension maximale que Ie dis-tributeur d' electncite s' engage a ne pascepasser. quai qu'il arrive, sur son reseauy compris lors des defauts, et Ie niveaud'isolement des installations et des appa-reils. Ce bon equilibre trouve sa traduc-tion dans les normes qui regissent, d'unepart, l'isolsrnent electrique des materielset installations et, d'autre part, les ten-sions maximales admissibles sur lesreseaux electrques.

Nous verrons dans la suite que lestensions les plus fortes generees par Iereseau apparaissent lorsqu'un contact estetabi: entre un des conducteurs dureseau et la terre. II est done importantpour Ie distributeur de bien rnaltriser larelation terrs/reseau a ce moment.La continuite de fourniture

Outre la securite, nous attendons ega-lement de notre alimentation en electri-cite qu'elle soit permanente Les cou-pures, longues au breves, deviennent deplus en plus insupportables car lesusages que nous faisons de l'electricite ysont de plus en plus sensibles. Une inter-ruption, meme de quelques dixie rn es d esecondes, peut avoir des consequencesimportantes en terme de coOt (dans l'in-dustrie) au en terme de desaqrernentpour les menages (reveil deregle, pro-gramme du rnaqnetoscope perdu,etc ... j.

La cause la plus frequenre d'interrup-tion de la fourniture d'electricite est I'ap-srition fortuite d'un contact entre un desconducteurs du re sea u e , la terre. La per-turbation qui en results depend du com-portement du reseau et done de la rela-tion entre la terre et Ie reseau. Lenombre et la duree des coupures sontdone eqalernent Ires a une bonnemaitrise de la relation terre/reseau.Le decor: Ja source, J'utilisation,Ie reseau, la terre

A premiere vue, alimenter une chargeen electricits est t r es simple (figure 1a). IIsutfit de fournir une tension U entre deuxbarnes.

Le tran-sport et la distribution d'enerqieelectrique reposent sur ce principe e r e -mentaire : Ie distributeur met a disposi-tion du consommateur une tension Uconstante. II dispose pou r eela d'unesource, dont Ie r61e est d'assurer en per-manence un desecuilibre entre lescharges electriques existant entre sesdeux barnes, et d'un reseau dont Ie roleest de transporter les charges electriquesentre la source et I'utilisation.

Le consommateur transforme l'ener-gie pour assurer Ie service dont il abesoin en connectant un appareil utilisa-teur entre les barnes de son branche-ment. Cet appareil impose Ie courant I.Dans Ie cas Ie plus simple (par exempleehauftage au eclairaqe), le courant I estproportlonnel a la tension U. l.'utilisationpeut alars et re representee pa r une resis-tance R, et l'on peut ecrire U=W'1 .

Lorsque l'on se trouve sur la Terre,hypothese courante pour les rsseaux dedistribution d'electricite. 1asource et l'uti-lisation sont toutes deux praches dunpotentiel commun, celui de notre pla-ne te . II est d'usage d'attrlbuer une valeurnulle ace potentiel de reference. Lasource at lutilisation peuvent Mre trsseloiqnees l'une de l'autre. L'existenced'un potentiel commun represents Iepouvoir qu'a la terre d'absorber toutexcas de cha rges electriques en un pointdonne. On represents habituellement parune resistance l'effet de (( frein descouches superficielles que les chargesdoivent franchir avant d'atteindre la terrelointaine (figure 1b) .

Les premieres difficultesLe schema de la figure 1b permetd'alirnenter I'appareil utilisateur, rnais il

peut etre dangereux. Les massesconductrices de I'utilisation ainsi que laterre sont en general accessibles ( amains de garantir leur isolement par desdispositions couteuses). II taut donccontroler la tension existante entre cesdeux points en reliant en permanence lesmasses des appareils et la terre. Pour les

5


5/14

memes raisons (pensez aux exploitantsdu reseau), il est sage de relier lesmasses conductrices et la terre au niveaude la source.Ceei etant fait (figure 1cl, il est neces-saire de s'assurer qu'un contact acciden-tel entre deux quelconques des poten-tiels en presence ne peut conduire soit aun danger pour les personnes soit a la

destruction des materiels. 11aut se pre -occuper de ces situations II anormales en fixant notre attention sur deux pointsessentiels : les masses des appareils etant acces-sibles, leur potentiel ne doit pas etre dan-gereux pour les personnes, Ie courant circulant dans la source ainsique dans les conducteurs de liaison doit

etre limite a une valeur acceptable. La cir-culation d'un courant provoque en eftetdes echauffements (eftet Joule) et unetemperature excessive conduirait a ladestruction de ces elements.

Pour se pramunir contre ces risquessans etre oblige de surdimensionner lesdifferentselemertts. il est necessaire depouvoir detscter les situations qui pour-raient conduire a ce qu'un de ces deuxi rnperat i fs ne soit plus respecta.

En observant Ie schema de la figure 1c ,on peut constater qu'il existe deuxgroupes indepandants de potentielsrepresentant d'une part la partie ( utile ))et d'autre part Ie lien avec la t e r r e . Uneseule connexion quelconque entre cesdeux groupes ne conduit pas a une situ a-

Rts~ T ~Rtua) b)

I I:> ;>Phase

Neutre

RtuTts T RlS - Rmil lcl d)

6Figure 1. Schema strnplifie d'une lnstallationalectrique. a) Le schema Ie piLLS simple ... L'alimentationimpose la tension U, la charge impose tecourant L b) La presence de la Terre complique inevitablement Ieschema, car il laut tenir compte des connexions accidentelles entre elle et les conducteurs au les massesdes appareils. c) II est prudent, pour contr61er les potentiels pouvant apparaitre sur les masses des instal-lations, de relier celles-cl a Ia Terre. d) Laconnexion du neutre de la source a la Terre est souvent utilisessur les reseaux electrlques. Elle fixe un des potentiels du circuit IIe potentiel du neutre), et permet ladetection des contacts accldentels entre una phase et la Terre.


6/14

tion dangereuse, elle elirnine seulementun deqrs de l iber te existant dans Ie svs-t e rne . Par contre, cette premiereconnexion etant etablie, une secondeconnexion peutetre dangereuse. Cetteremarque nous arnene a un premierchoix pour etablir une strateqie de protec-tion. II est en effet possible: de laisser en permanence les deuxgroupes de potentiels independants et dedetecter, par dlfferents svstemes, la pre-miere connexion entre eux. Si l'on detectscette premiere connexion accidentelle 11et si l'on peut la supprirner avant qu'unedeuxierne connexion s'etablisse, lasecurite du svsterne sera assures ; de connecter volontairement et direc-tement les deux groupes de potentielsde tacon fixe, supprimant ainsi Ie deqree liberte du svsterns. On pourra ensuitedetectsr la premiere connexion acciden-telle, qui se traduira en general par la cir-culation d'un courant u anormal , etprendre les mesures qui s'imposent poursupprimer I'anomali:e (en general en inter-rampant l'alirnentation a la source) ; de connecter indirectement les deuxgroupes de potentiels par un dispositifpermettant de cantr61er les effets o'uneconnexion acerdentetle. Cette solutionest mtermedialre aux deux precedentes.

La premiere stratecie est seduisantacar elle ne provoque pas I'interruption del'alimentation lors du premier defaut .Elle n'est he las applicable que si l'on dis-pose d'un svsterne tres fiable de detec-tion de ce premier defaut, En eftet. on nesit pas a priori que lie sera la premiereconnexion. Cela rend difficile la detectionde la deuxierne. car on dolt tenir comptede tous les cas possibles. Des svsternesde detection suffisamment fiables n'exis-tent aujourd'hui que pour des lnstalla-tions bien delirnitees, faiblement eten~dues, et dont 1aconsistance (Ie nombred'appareils utilisateurs et leurs types) estfixe. C'est le cas de certaines installa-tions industrielles au d'lnstallations parti-culieres necessltant un tres haut niveaude securite et une alimentation penna-nente (salle d'operetions chlrurgicales parexemple).

Dans Ie cas d'un reseau de distribu-tion. cette strateqie n'est pas envisa-geable. Le reseau est tres etendu et Ienombre et la nature des charges est tresvariable. II faut donc apter pour une desdeux autres. Le plus simple, generale-ment pratique sur les r eseaux Basse Ten-sion (jusqu'a 400 Volts)' e st de choisir undes deux poles de la source et de Ieconnecter a la terre (figure 1d). Parconvention. Ie pole relie a la terre estappele Ie neutre. L'autre pole recoit Ienom de phase.

II est alors possible de dstecter toutesituation dangereuse a u moyen de dispo-sitifs simples, ne taisant intervenir quedes mesures de courant

La situation S8 cornpliqueLes dispositiis de coupure (parexemple disjoncteurs ou fusibles), utili-ses au depart de la source et a l'entreede I'utilisation doivent proteqer per-sonnes et materiels dans toutes les situa-tions de dsfaut. Parmis celles-ci, on dis-tingue habituellement les courts-circuits.

crees par Ie contact direct entre deuxeonducteurs actifs (pour natre exemple,un contact phase/neutre). et les defautsd'isolement, crees par un contact entreun des conducteurs aetifs et la terre. Leseffets de ces deux types d'incident sontgEmeralement tres differents.Les court-circuits et les fusiblesEn cas de contact direct entre lesconducteurs de neutre et de phase, Iecourant fourni par la source prend desvaleurs tres importantcs. La seule limita-

tion a ce courant est constituee desresistances des conducteurs, qui sonttres faibles ; si elles ne I;etaient pas, unepart importante de l'enerqie serait enregime u normal consommes dans cesconducteurs. II est donc facile dedetecter ce type d'incident : il suffit demesurer le courant debite par la sourceet de verifier qu'il reste infsrieur a unseuil fixe largement au-dessus du courant

7


7/14

Figure 2. Defaut d'isolement. Le courant Id estgeneni par Ie defaut, II s'ajoute au courant luappsle par la charge pour former Ie courant Ip,delivre par la source, Le potential de la phase estalors egal a Up =' Rd x ld, Ie potentiel du neutre estegal a Un =-Rtn x Id. Puisque Id = U I (Rd + Htnl,les potentials Up at Undeviennent : Up = U x Rd /(Rd + Rtn) at Un = -U x Rtn I (Rd + Rtn). Ledetautpeut etre detecte : par la surveillance du courantdans la connexion du neutre de la source a laTerre, par un dispositif (disjoncteur differentiel),surveillant la difference des courants lp et In (pourla protection au niveau de 18source) ou la diffe-rence des courants lu at In (pour la protection auniveau de la charge).

I p ' Iu-~ -;>Phase U

~d Neutre

U n !Rt s RLll T Rr l RI U

Iu- - - - 7 J o >

8

RlU

maximal normal impose par lescharges. Cette fonction peut etre assurespar de simples fusibles. Une protectiondu rnerne type peut etre places a i'entreede l'util isation. Le seuil de declenche-ment est alors fixe au-dessus du courantnormalement absorbe. Dans les reseauxde dis ribution, la protection de I'utili-sation don bien entendu agir avantcelie de la source afin de n'interrompreque I'alimentation de l'lnstellation endefaut.Lesdefauts d'isolement etIedisjoncteur differentielLa protection contre les detauts d'iso-lement (contacts phase-terre) est plus

complexe que la protection contre lescourts-circuits car les courants induits parces oe tau ts peuvent e t re du rnerne ordrede grandeur que les courants norma le -ment appeles par les charges. lis ne peu-vent donc pas etre detecres a coup surpar la simple surveillance du courant dephase.lis peuvent etre detectes (figure 2) soitpar la surveillance du courant circulantentre la terre et le neutre de la source, softpar un dispositif (disjoncteur differentiel)

surveillant la difference entre Ie courant dephase et Ie courant de neutre (au niveaude la source ou au niveau de I'util isation).Pendant Ie detact. avant que la protec-tion n'interrompe I'alimentation, lespotentiels du neutre et de la phase sontmodifies. Le potentisl de la terre, ega l acelui du neutre en temps normal, s'ap-proche de celui de la phase et prend unevaleur qui depend du rapport entre la

resistance du dsfaut et celle de la mise ala terre. Ceci est psrticulierernert impor-tant dans Iecas des n3seaux triphasescar, dans ce cas, Ie potentiel des phasessaines auqrnente de lacon sensible. L'!sQ-lement entre les conducteurs actifs et lesmasses des installations doit etfe orevuen tenant compte de ce phenornene.

T La connexion neutre - terreUn contact entre Jeneutre et la terre(en un second point) ne constitue pas un

Figure 3. La multiplication des connexions nsutre/Terre. La multiplication des mises a la terre sur Iereseau conduit a una diminution de la resistance globale neutre/Terre. L'elevation du potential Up en casdedefaut est done plus faible. Lepotentiel du neutre rests proche deO.LedMaut nepeut plus etre detectepar la surveillance du Courant dans 13connexion du neutre de la source 8 la Terre, ni par un dispositif dif-Ierentlel au niveau de la SOurce.


8/14

defaut. Cela revient en effet a arneliorerla mise a la terre de I'installation. Cecipeut constituer un avantage et la pratiquecons is t en t a multiplier les points deconnexion entre Ie neutre du reseau et laterre au niveau de.la source (figure 3) estt res largement r epandue sur les r esesuxBasse Tension (c'est Ie cas en France surles r eseaux de Distribution Pub liq ue ) . E l lepermet de s'assurer que Ie potentiel duneutre fo urni a ux utllisateurs restera entoute circonstance proche du potentiel dela Terre, limitant ainsi les contraintesappliouees aux appareils utilisateurs. Laresistance de la boucle de retour du cou-rant de defaut est alors dirninuee par lamise en parallele des mises a la terre etIe courant de defaut est de plus forteamplitude.

II existe cependant une consequencenegative: il n'est plus possible dedetectsr Ie courant de defaut en sur-veillant Ie courant circulant dans laconnexion neutre/terre de la source, nimarne a I'aide d'un dispositif diftererrtial.La detection n'est possible que par sur-veillance du courant de phase et a condi-tion que Ie courant de defaut soit sensi-blement superieur au courant normal decharge.

La connexion neutre-terre peut ega le-ment etre volontaire au niveau de l'instal-lation (figure 4). Dans ce cas, tout detautd'isolernent a l'interiaur de l 'apparell utili-sateur est transforrne en un court circuitphase-neutrs et est tres facilement'9tecte. Par ailleurs, "elevation de poten-tiel des masses accessibles reste trestaible. Elle presente toutefois une diffi-c ulte : la bonne detection du de ta ut da nsl'installation suppose que la boucle dene ta ut ) ) presentee pa r le re se au soitd'une resistance suffisamment iaiblepour que Ie courant de d efa ut s or t fa c ile -rnent detectable, ce qui exclut parexemple Ie c a s a u Ie c o nduc t e ur deneutre est coupe entre fa source et l'utili-sation. Cela rend par consequent Ie distri-buteur en partie responsable de la bonnedetection d'un defaut dans I'installation.Cette disposition est de plus en plus pra-tiquee dans les reseaux BT de distribu-

tion publique de nombreux pays; elle nel'est pas a l'beure actuelle en France.Une demiere complication:Ie couplage electrostatique n

I I existe un couplage nature I entre Ieraseau et la terre. En effet. chaque phaseforme avec la terre un condensateur :deux conducteurs separes par un isolant.En fonctionnement normal. cet effet n'in-flue pas sur I'alimentation de la charge. 1 1impose seulement a 1 8 SOurce de cha r -ger Ie circuit pour rnaintanir la tensionU; Sur les r e seaux alternatifs, cela 58 t ra -duit par des courants supplernentaires,induits par les variations de l a tension(figure 5). Ces courants sont proportion-nels a la longueur du reseau. inverse-rnent proportion nels a l'ecs-ternent entreles conducteurs de phase et la terre, atproportion nels au carre de la tension dur e seau . lis sont beaucoup plus impor-tants dans un r e seau comportant descables souterrains (distance conduc-teurs/terre de quelques em) que dans unreseau ne comportant que des lignesaeriennes (distance conducteurs/terre dequelques metres).

Iu-~AU

Neutre

Figure 4. La connexion du neutre a la Terre dans I'installation. Elle perrnet de transformer tour dafautd'isolement en court-circuit phase/neutrs. Elle limite les elevations des potentiels Up et Un en cas dedefaut, Lecourant de defaut se partage entre les resistances RTu et la resistance globale neutrefTerre dureseau. La detection du defaur all niveau de I'installation depend done du rapport entre ces deux resis-tances ainsi que de la contlnulte du conducteur de nsurre du reseau. 9


9/14

Cet effet ((capacltif est negligeablesur les reseaux Basse Tension (400 Volts).SUr les ressaux Moyenne Tension (20 000Volts) il joue un role important, l i e auxplus grandes valeurs de la tension et dela longueur du reseau d'une part, et al'utilisetion en grande quantite de cablessouterrains, d'autre part. Sur les reseauxa Tre s H aute Tension (400 000 Volts) ill imite considerablernerrt I'util isation decables souterrains.

En presence d'un defaut entre laphase et la terre, cette capacite s'opposea toute variation rapide de tension et secom porte comme une source parasite.Ceei induit un courant supp'ementairedans Ie defaut, qui peut atteindre plu-sieurs amperes par km de cable souter-rain sur les reseaux a 20 000 Volts.le cas complexe des reseauxa moyenne tensionLorsqu'un d efa ut a pp ara lt entre unephase et la terre sur un reseau MoyenneTension, trois parametres entrent en jeupour definir a la fois les contraintes qui

Phase

~d

Rd

Ie . . . . . . - - _ . . . . - . . . . ? r : Id

In :

seront app l i quees aux installations et le seffets de ce defaut sur I'alimentation dela clientele. Ce s trois parametres sont Iecourant dans Ie defaut, la tension auxbornes du defaut et la tension entre Ieneutre et la Terre.Le courant dans Ie detautLe courant dans Ie defaut est d'autantplus important que la resistance insereeentre neutre e t te rre est faible. Dans lecas d'une mise a la terre directe, cetteresistance est de quelques ohms. Sur lesressaux Basse Tension, Ie courant maxi-

mum resultant d'un defaut est done del'orcre d'une centaine d'arnperes. Parcentre. sur les reseaux Moyenne Ten-sion, les resistances etant du rnerneordre de grandeur, les courarrts peuventatteinore des mil l iers d'arnperes.Tolersr des courants trop importants

en cas de detaut a la terre presents deuxlnconvanients majeurs : cas courants induisent par inductionrnaqnetique des perturbations dans lesr esesux voisins ( r eseaux de telecommu-nication notamment), l'enerqie degagee a l'endrort du detaut(proportionnelle a u c ar re du courant) esttres importante ; ceci augmente lesrisques pour des personnes se trouvant aproxirnite et peut provoquer des incen-dies (notamment dans les zones boisees) ;par ail leurs eela peut provoquer, sur lesreseaux t r i onases , levolution du defautvers un court-circuit entre deux au troisphases.Par contra. des caurants de oefautfaibles entraineront des svsternes dedetection plus sophistlques et chers." est possible de diminuer I'amplitudedu courant e n augmentant la valeur de laresistance de mise a la terre, mais ee l an'a aucune influence sur les courants dusaux etfets capacitifs.

La tens ion a ux bornes du aeieu:Nous avons vu precedernrnent que latension fournie par la source sur la phaseen defaut S8 reoartit, en p resence d'un

Figure 5. Les eftets capacitifs. Dans les resaaux alternatlfs, les cour ants capacitits sont generes par Ie cou-plage entre les conductaurs de phase et la Terre .. lis sont proportionnels au carre de la tension phase/rerraet inversement proportion nels it Iii distance entre les conducteurs et Jaterre. lis sent donc beaucouo plusimportanrs lorsque Ie reseau est constitue de cables souterrains (quelques centimetres entre coriductaurset terre) que lorsqu'il est constitue de lignes aeriennes [quelques metres entre les conducreurs et laTerre). lis s'aicutent au courant In produit par la source Ell augrnement le courant dans Ie defaut.0


10/14

cetau t . entre la tension neutre/terred'une part, et la tension sur la phase enoetaut (aux bornes du defaut), d'autrepart. Cette repartition se fait en fonctiondes valeurs relatives des resistances dudefaut et de la mise a la terre. II n'est paspossible d'agir sur la resistance dudefaut. tres variable. Par contre, on peutaugmenter la resistance de mise a laterre en inserant une resistance supple-mentaire entre la terre et Ie neutre. Cec iprovoquera une augmentation de la ten-sion neutreiterre et une diminution cor-respondante de la tension aux barnes dudetaut.En cas de contact direct avec une des

phases du reseau, ce qui constitue larnajorite des accidents graves de per-=onnes. les chances de SUNle de la vic-.n e serant d'autant plus importantesque la tension qui lui est appliquee estmains grande. La repartition des tensionsentre phase, neutre et terre est done unelement important de securite.

Par ailleurs, tolerer des tensions trapimportantes aux barnes des detauts a laterre presente un risque, en particuliersur les reseaux Mayenne Tension, carces tensions peuvent et re transmisesplus ou mains totalement aux reseaux8asse Tension. Les re se a ux B asse Ten-sion se trouvent en effet par necessite auvaisinage des reseaux Moyenne Tension,au mains au niveau du transformateur quiles relie. Les rnecanisrnes de ce transfertpeuvent etre les suivants :destruction de I'isolement Moyenne

tension et amorc;age direct vers la BasseTension, couplage des prises de terre du neutreBT d'une part et des masses des appa-reillages MT d'autre part.

Les tensions ainsi transmises serontapp'iquees sur les isolements des instal-lations si les prises de terre des clientsne sont pas raccordees au neutre dur eseau Basse Tension, comme c'est Iecas en France. Dans ce cas, il est impor-tant de ne pas depasser la tenue dielec-trique des appareils d'utilisation. Notonsque dans Ie cas 00 les terres des installs-

tions sont connectees au neutre, lacontrainte appliquee aux appareils d'uti.i-sation est dirninues.La tension neutre/terre

La tension neutre/terre existant pen-dant Ie d e fa u t est appliquee en modecommun )) sur les installations. Sur lesreseaux triphases. I'isolement desphases par rapport a la terre et auxmasses reliees plus au mains directe-ment a la terre devra donc etre adapte ala presence de cette tension. Lorsque latension neutre/terre reste tres faible, onpourra se contenter d'un isolementadapte a la tension simple. Sur lesmemes reseaux. lorsqu'sst susceptibled'apparaitre une tension neutre/terreimportante, il faudra etre isole pour latension composes (ega Ie a la tensionsimple multiplies par :';3). Ceci se traduirapar un surcoOt de construction.

Les deux families desolutions dans Ie monde

Les solutions adoptees par les distri-buteurs d'electricite sont tres ditterentesd'un pays a l'autre. Chacun,en fonctiondes caracteristiques principales de sonreseau (en particulier la denslte descharges a atimerrter) et de I'importancerelative qu'il accorde aux couts deconstruction, au respect de l'environne-ment, a la securite, a la continuite defourniture, etc ... a fixe initialement sonchoix en tenant compte des technologiesutilisables pour la detection desdefauts.

Faisons un rapide tour du monde de ssolutions possibles. On peut distinguerdeux grandes classes de solutions: les solutions a u Ie courant de defautn'est pas rnattrise. les solutions a u Ie courant de defautest plus ou mains cornpleternent mai-triss.

1 1


11/14

Courants de defaut non rnaitrisesDans ce type de solutions, Ie courant

de defaut peut etre solt tres important(neutre directement a la terre), soit faible(neutre isole). Dans les deux cas ildepend de la constitution du r eseau etrien n'est fait pour s'assurer que lesvaleurs atteintes sont acceptables, saufla constitution du reseau lui-marne (lon-gueurs et types de conducteurs, nombredes mises a la terre)USA, Canada, Australia: neutre a fa terreet distribue

E n Amerique du nord (USA, Canadanotamrnent). les reseaux Moyenne Ten-sion ressemblent aux reseaux Basse Ten-sion europeens. Les tensions utluseessont e n genera l plus iaibles t i n te r i eures a10 000 volts). Le neutre du reseau MTest rnis a la terre directementet est dis-tribue comme les Trois phases. Ce neutreest connecte a la terre presque svstsrna-tiquement en reseau, La resistance equi-valente, rnerne si chacune des mises a laterre n'est pas de trss bonne qualite, esttres faible. Les courants de detaut a laterre sont par consequent sieves. En casde contact direct d'une personne avecune phase, la tension simple du reseauest appliquee lnteqralarnent et leschances de survie sont minimales.

La detection des defauts est assurespar surveillance des courants de phasecar il n'y a aucun autre moyen de l'assu-rer. Seuls les defsuts les plus violents,conduisant a des courants tres intenses,sont detectes de facon sure. Les autres(fils tornbes a terre, contacts avec unsupport mauvais conducteur, etc ... ) nesont detectes que lorsquils ont evoluevers un court-CIrcuit entre phases (ouentre phase et neutre) au lcrsque lesdegats (souvent incendie) qu'ils provo-quent attirent I'attention de s personnesse trouvant a proxirnite.

La tension neutre/terre est pratique-ment nulls, ces reseaux ne doivent doncsupporter que la tension simple et sontainsi d'un moindre cout de construction. IIest facile avec cette configuration d'ali-

12

menter des charges monophasees. II suf-fi t pour cela de construire des derivations econornioues n'incluant qu'une phaseet Ie neutre (voire une seule phase enAustralie, la terre t a is a nt o ffic e de conduc -teur de retour). Ceci est tres utilise pourI'electrification de zones peu denses.

Les surtensions sont bien rnaitriseesavec ce mode de mise a la terre mais laccntinuite de fourniture est mediocre etla securite mal assures. tant pour leshumains que pour l'environnernent(incendies frequents dus a des detautsrna ! e l irn ines l.Grande Bretagne : neutre directementa /a terre

En Grande Bretagne, Ie neutre desresesux Moyenne Tension est mis a laterre directement en un seul point. a lasource. La re sis ta nc e de mise a la te r reest done de faible valeur et les courantsde dstauts sont tres intenses.

La tension Simple est integralementappliquee au defaut. Des tensions dange-reuses peuvent apparaitre, en particulierpour les detauts qui ont lieu sur desprises de terre de forte resistance. Lesdefauts doivent etre elirnines en destemps tres courts, ce qui est heureuse-ment Ie cas grace a un svsterne dedetection simple et rustique.

Les defauts sont tres violents et tressouvent avolutifs, l'enercie fournie audefsut etant tres importante. La qua'itede service qui en results est mauvaise etles tensions induites dans Ie voisinagesont mal rnaltrisees. surtout si les prisesde terre sont rnadiocrss.

Japan, Irfande .-neutre iso/eSur des reseaux courts et constituesessentiellement de lignes aeriannes. ilest possible de laisser Ie neutre isole dela terre. Le courant de defaut n'estdans ce c as dO qu'a ux c apa cite s pha se s/terre.

La detection des dafauts a la terre estdans ce cas relativernent difficile. Lesdefauts peuvent perdurer pendant des


12/14

temps relativement longs et il est impor-tant que les courants soient de faibleamplitude.Au-dele de 30 amperes, valeur atteinteavec seutement quelques kilometres decable souterrain, la rnaltrise des surtsn-sians n'est plus assuree.Les r eseaux doivent eire isoles a latension composes.

Courants de defaut maitrisesII est possible de controler les troisparametres (Vo, Vd, Idl en intercalant uneimpedance de nature et de valeur conve-nable dans 1 8 connexion du neutre dutransformateur Haute Tension / MoyenneTension a la terre. Cette impedance fixeIe rapport entre la tension neutre/terresreee par un defaut et la tension aux.iornes de celui-ci.La maitrise totale du courant dans Iedetaut passe par Ie controle des courantscapacitifs dOs aux effets ( electrosta-tiques . Ces courants s'aioutent en effet

au courant tourni par la source. On peutdistinguer deux cas, selon que ces cou-rants capacitits sont controles ou non.MaTtrise partie/Ie: France, EspagneEn France et en Espagne, entreautres, les neutres des transformateursHaute Tension/Moyenne Tension sontactuellement mis a la terre en passant

par une impedance de limitation {resis-tance ou bobine d'auto-induction). EnFrance, la valeur de courant de dafautiaximale dans la connexion neutre/terrede la source est de 300 amperes su r lesreseaux aeriens et de 1000 amperes surles reseaux exclusivement souterrains.Les courants capacitifs ne sont pascontroles et peuvent augmenter Ie cou-rant traversant Ie cefaut.Cette solution vise a etabiir un boncompromis en permenant 1 8 circulationde courants c'arnolitude suffisante pourpermettre une detection simple, maisdont les valeurs maximales en cas dedetaut franc sont compatibles avec latenue dielcctricue des installations.

La qua-lite de fourniture est moyenne.Des reenc'encheurs (svsternes automa-tiques de remise sous tension ac res uneouverture du disjoncteur] sont frequern-ment u ilises sur les reseaux comportantdes lignes aeriennes. En effet sur ceslignes, la majorite des detauts est due ades arnorcaqes dans l'air. et I'extinctionde l'arc est obtenue spres une coupurede I'alimentation pendant un temps relati-vement bref (de quelques oixiernes deseconds a quelques secondes). Lenombre de coupures breves, genantessurtout pour les utilisations industrielles.sUbies par la clientele est donc important.

Les surtensions sont assez bien mat-trisess tant que les courants capacitifsgeneres par les cables souterralns res-tent neqliqeables. Les problemas appa-raissent lorsque ce n'est plus Ie cas. Lesreseaux doivent etre isolss a la tensioncomposes.Maitrise totale : Allemagne,Europe de l'Eet et du NordEn Allemagne et dans de nombreuxpays d'Europe de l'Est et du Nord, Ie

neutre des transtormateurs Haute Ten-sion/Moyenne Tension est mis a la terrepar i' interrnediaire d'une bobine de com-pensation, egalement appelee bobined'extinction au encore bobine de Peter-sen. du nom de son inventeur.Cette bobine. en crearrt une tension

neutre/terre en reaction a toute variationdu courant qui la traverse, tend a annulerlatension aux barnes du defaut etdonc aeteindre ce dernier sans qu'] so i t necessaired'interrompre I'alimentation. Encas decontact direct. cette reduction quasi imme-diate de latension aux barnes du defaut estun element important de secunte.Pour que cet effet soit efficace, il estnscessaire que te courant traversant labobine annule I) Ie courant capacitif du

reseau. La valeur de la reactance de labobine doit done etre accordee )) a lavaleur de la capacite totale du reseau. etcet accord doit etre maintenu rnalqre lesvariations possibles de la capacite dureseau. Ceci irnplique souvent un sys-

13


13/14

terne de nglage sophistique et necessitela possibilite de faire varier finement etde facon continue la reactance de labobine, dont Ie prix peut etre e l eve .

Les surtensions sont bien rnaitrlseesavec ce mode de mise a la t e r re et lac o ntin uite d e fourniture beneficia d e l'a u to -extinction freqcerrte des dsfauts.

La de te ct io n de s defauts a la terre pardes svsternes d iffe re ntie ls e st complexeca r I'amplitude des courants de defaut estfaible et ne constitue pas un crltere suffi-sant. Pour differentes raisons, les protec-t ion s u tilis ees avec ce mode de mise a la

terre n'etaient jusqu'a present ni tres sen-sibles, n i t re s fiables. Une detection glo-bale, fondee sur la surveillance du courantdans la cennexion du neutre est souventutilisee. La localisation precise du defeuten vue de sa mise hers tension necsssi tealars des manceuvres en reseau qui alour-dissent les activitss d'exploitation. Desstructures de reseau suffisamment redon-dentes. permenant systernatiquernentune double alimentation sont par ailleursnecessaires a cette localisation. Le tempsnecessaire a l'isolernent du defaut estrelativement long et, si l'accord entre labobine et Is capacite du reseau n'est pas

Iisoles par impedancede compensation

directe sansneutre distribue

l1ise a la terredu neutre

directe,neutre distribue

par impedancede limitation

Schemaelectriqueequivalent

Exemples U . S. A. C a na d a Grande- ltalie Japan France Allemagned'application Australie Bretagne Irlande Espagne Scandinavie

Maitrise des Bonne Mauvaise Bonne 5 1 resesu Moyenne Bonnesurtensions court et aerien

Efficacite des Mauvaiss Bonne Moyenne Bonne Moyenneprotections

Oualite de Mediocre Mediocre Moyenne Moyenne BonnefournitureEnergie dans Tres importante Tres importante Faible Moyenne Ires faiblele defaut et controlee

Isolement du Faible Faible Fort Fort Fortreseau (tension (tension (tension (tension (tension

necessaire simple) simple) composee) cornposeel cornposee)

14 Figure 6. Les modes de mise a la terre du neutre utilises.


14/14

suffisamment fin, il est necessaire. pourque la securite soit assures. que lesmises a la terre des installations scient detres bonne qualite

ConclusionsSur Ie tableau recapitulatit des diffe-rents modes de mise a la terre du neutreutilises (figure 6) on peut observer quechacune de ces solutions presents desavantages et des inconvanients.Le choix d'un mode de mise a , la terreest particulierernerrt complexe dans Iecas des reseaux Moyenne Tension. Denombreux parametres doivent etre cons i-

deres pour obtenir un bon compromisentre des objectifs souvent antagonistes.De plus, certains de ces parametres evo-luent et des solutions, autrefois opti-males, doivent etre remises en cause. Laliaison tres etroite entre Ie mode de misea la terre du neutre et Ie svsterne de pro-tection implique qu'un changement de'mode apparait comme une operationlourde et complexe. Pourtant certainesevolutions conduisent a reexarniner Ieprobleme : les exigences croissantes du publicpour une meilleure securlte. Ie souci egalement croissant de la sau-vegarde de I'environnement, I'evolution des normes d'isolementdes materiels utilisateurs et l'arriveed'autres raseaux utilisant eux aussi laterre comme conducteur (telecorn). I'apparition de nouvelles technologiesutilisables pour la detection des defauts. la recherche de la meilleure quet i te deservice, pour un cout donne.Ainsi, en France, la solution retenuedans Ie contexte des annees cinquanteetait adaptee a une periode d'elsctrifica-

tion en surface, reposant sur I'utilisationquasi exclusive de Iignes aeriennes enzone rurale, et alimentant principalementdes usages peu sensibles aux coupuresbreves. Le contexte actuel est tres diffe-rent. En particulier I'augmentation sen-sible de I'utilisation de cables souterrains

dans les reseaux Moyenne Tension, liee ala voionte de preserver I'environnementet d'arneliorer la continuite de fournituredans les zones rurales. a conduit a uneremise en cause du mode de mise a laterre du neutre des reseaux MoyenneTension.La recherche d'une option adap t ee aucontexte francais, r eoondsn t aux ab jec -tifs techniques pour un cout reduit, a per-mis a EDF. et en particulier auxchercheurs de la Direction des Etudes etRecherches, de proposer une solutionoriginale qui permet, grace a d'impor-tantes innovations, de beneficier d'unetres bonne securite ainsi que d'unebonne qualite de fourniture tout enconservant les avantages de la solutionp receder r t e . C'est cette aventura quenous nous praposons de vous Ganterdans Ie prochain article.

1 5

mise_a_la_terre

Documents