Merlin Gerin guide de la protection 1

introduction Le choix de la mise la terre du neutre desrseaux MT et HT a t pendant longtempsun sujet de controverses passionnes comptetenu de limpossibilit de trouver un compromisunique pour les diffrents types de rseaux.Lexprience acquise permet aujourdhuid'effectuer un choix pertinent en fonctiondes contraintes propres chaque rseau.

rgimes de neutre

cinq rgimes de neutre Le potentiel du neutre peut tre fix par rapport la terre par cinq mthodes diffrencies parla nature, (capacit, rsistance, inductance) etla valeur (zro linfini) de limpdance Z

n de

liaison que lon connectera entre neutre etterre :c Z

n = neutre isol, pas de liaison

intentionnelle,c Z

n est une rsistance de valeur plus ou

moins leve,c Z

n est une ractance de valeur faible, en

gnral,c Z

n est une ractance destine compenser

la capacit du rseau,c Z

n = 0 - le neutre est reli directement la

terre.

Les critres de choix concernent de multiplesaspects :c techniques (fonction du rseau, surtensions,courant de dfaut etc),c dexploitation (continuit de service,maintenance),c de scurit,c conomiques, (cots dinvestissements,dexploitation),c habitudes locales ou nationales.En particulier, deux considrations techniquesimportantes sont contradictoires :Rduire le niveau des surtensionsLes surtensions ont plusieurs origines :c surtensions de foudre auxquelles sontexposs tous les rseaux ariens jusquaupoint de livraison aux usagers,c surtensions internes au rseau engendrespar les manuvres et certaines situationscritiques (rsonances),c surtensions rsultant du dfaut la terrelui-mme et de son limination.Rduire le courant de dfaut la terre Id.Un courant de dfaut trop lev, entrane touteune srie de consquences :c dgts par larc au point de dfaut ; enparticulier fusion des circuits magntiques desmachines tournantes,c tenue thermique des crans de cble.c dimensions et cot de la rsistance de mise la terre,c induction dans les circuits detlcommunications voisins,c danger pour les personnes, par lvationdu potentiel des masses.

Malheureusement loptimisation de lune deces exigences entrane automatiquementla dgradation de lautre. Ainsi deux mthodestypiques de mise la terre du neutreaccentuent ce contraste :c le neutre isol, qui supprime la circulationdans le neutre du courant de dfaut terre,mais gnre le plus de surtensions,c le neutre la terre direct, qui rduit auminimum les surtensions, mais provoque uncourant de dfaut lev.Ainsi le choix se portera souvent sur unesolution intermdiaire de neutre reli la terrepar impdance.

difficults et critresde choix

2 guide de la protection Merlin Gerin

rgimes de neutre (suite)

Dans un tel rseau, un dfaut phase terrene provoque quun faible courant parlintermdiaire des capacits phase-terredes phases saines.On dmontre que Id = 3 CVc V tant la tension simple,c C la capacit dune phase par rapport la terre,c la pulsation du rseau ( = 2pif).Le courant Id peut subsister longtemps enprincipe sans dommages car il ne dpasse pasquelques Ampres (2A par km environ pour uncble unipolaire 6 kV de 150 mm2 de sectionisol au PRC dont la capacit est de0,63F/km). Il nest donc pas ncessairedintervenir pour liminer ce 1er dfaut, ce quiconfre cette solution lavantage essentiel demaintenir la continuit de service.Mais ceci entrane des consquences :c le dfaut disolement sil nest pas limindoit tre obligatoirement signal par uncontrleur permanent disolementc la recherche ultrieure du dfaut exige dunepart un appareillage dautant plus complexequil est automatique, pour permettreune identification rapide du dpart en dfaut,dautre part un service entretien qualifi pourlexploiter,c au cas o le 1er dfaut nest pas limin,un deuxime dfaut survenant sur une autrephase va provoquer un vritable court-circuitbiphas par la terre, lequel sera limin par lesprotections de phase.

neutre isol

Id

AvantageLavantage essentiel est la continuit deservice parce que le courant de dfaut trsfaible permet de ne pas dclencherautomatiquement.InconvnientsLa non limination des surtensions parcoulement la terre est un handicap majeursi elles sont leves. De plus, en cas de mise la terre dune phase, les autres se trouventportes la tension compose (U = V.e) parrapport la terre ce qui renforce la probabilitd'un second dfaut. Le cot disolement estplus lev car la tension compose resteapplique entre phase et terre pendant unedure qui peut tre longue puisqu'il n'y a pasde dclenchement automatique. Un serviceentretien quip du matriel adquat pourla recherche rapide du 1er dfaut disolementest ncessaire.ApplicationsCest une solution souvent utilise pour lesrseaux industriels ( 15 kV) ncessitant lacontinuit de service.

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neutre la terrepar rsistance

Dans ce type de schma, une impdancersistive limite le courant de dfaut la terre Id,tout en permettant un bon coulement dessurtensions. Mais par consquent, desprotections doivent intervenirautomatiquement pour liminer le premierdfaut. Dans les rseaux alimentant desmachines tournantes la valeur de la rsistanceest dtermine pour obtenir un courant Id de15 50 A.Mais il faut que ce courant faible soitnanmoins Id 2 Ic (Ic : courant capacitif totaldu rseau) pour rduire les surtensions demanuvre et permettre une dtection simple.Dans les rseaux de distribution, on adoptedes valeurs plus leves (100 1000 A) plusfaciles dtecter et permettant lcoulementdes surtensions de foudre.AvantagesCe schma est un bon compromis entre uncourant de dfaut faible, et des surtensionsbien coules. Les protections sont simples,slectives et le courant est limit.Inconvnientsc pas de continuit de service ; en cas dedfaut terre, celui-ci doit tre limin aussitt,c le cot de la rsistance de mise la terrecrot avec Ia tension et le courant limit.ApplicationsRseaux MT de distribution publique etindustrielle.Rsistance de mise la terre (Rn)Si le neutre est accessible (transfo coupl entoile) la rsistance de mise la terre peut trebranche entre neutre et terre. Lorsquele neutre nest pas accessible ou lorsquel'tude de slectivit en dmontre l'intrt,on ralise un point neutre artificiel (gnrateurhomopolaire) avec une bobine ou untransformateur spcial trs faible ractancehomopolaire.

ProtectionsLa dtection dun courant de dfaut Id faiblencessite des protections diffrentes des relaisde surintensit phases.Ces protections de terre dtectent le courantde dfaut :c soit directement dans la liaison du neutre laterre 1 ,c soit dans le rseau en mesurant la sommevectorielle des 3 courants en utilisant :v soit 3 capteurs de courant de phasealimentant les protections 2v soit un tore - (mesure prcise utiliserde prfrence) 3 .

1 2 3

IN

>

IN

>

IN

>

Id

N

Rn

IN

>

neutre accessible

Le rglage du seuil se fait en fonctiondu courant de dfaut Id calcul en ngligeantles impdances homopolaires de source et deliaison par rapport limpdance R

n et en

tenant compte des 2 rgles :c rglage > 1,3 fois l capacitif du rseau enaval de la protection,c rglage de l'ordre de 20 % du courantmaximum de dfaut la terre.De plus, si la dtection est ralise par 3 TC,le rglage ne doit pas tre infrieur 10% ducalibre des TC pour tenir compte del'incertitude lie :v l'asymtrie des courants transitoires,v la dispersion des performances.

Rn

IN

>

neutre non accessible

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rgimes de neutre (suite)

Pour les tensions de rseaux suprieures 40 kV, on prfre utiliser une ractance pluttqu'une rsistance pour des raisons de difficultde ralisation dues au dgagement dechaleur en cas de dfaut.

mise la terrepar ractance

mise la terre par ractancede compensation

Ce systme permet de compenser le courantcapacitif du rseau.En effet le courant de dfaut est la sommedes courants qui parcourent les circuitssuivants :c la mise la terre par ractance,c les capacits des phases saines parrapport la terre.Ces courants se compensent puisque :c l'un est selfique (dans la mise la terre),c l'autre est capacitif (dans les capacits desphases saines).Ils s'ajoutent donc en opposition de phase.AvantageCe systme permet de diminuer les courantsde dfaut mme si la capacit phase terreest grande.InconvnientLe cot de la ractance de mise la terrepeut tre lev en raison de la ncessit demodifier la valeur de la ractance pouradapter la compensation.

LN

Id

mise la terre directedu neutre

Le neutre tant mis la terre sans impdancede liaison, le courant de dfaut Id entre phaseet terre est pratiquement un court-circuit phaseneutre, donc de valeur leve. Ce schmaidal pour lcoulement des surtensions,entrane tous les inconvnients et dangersdun fort courant de dfaut terre. Il ny a pas decontinuit de service, mais pas deprotections spcifiques, les protectionsnormales de surintensits de phasesagissent pour liminer le dfaut.

Applicationsc ce type de schma nest pas utilis dansles rseaux MT europens ariens ousouterrains, mais par contre gnralis dansles rseaux de distribution nord amricains.Dans ces rseaux (ariens) dautresparticularits interviennent pour justifierce choix :v existence dun conducteur neutre distribu,v distribution 3 ph ou 2 ph/N ou ph/N,v utilisation du conducteur neutre commeconducteur de protection avec mise la terresystmatique chaque poteau.c ce type de schma peut tre utilis quand lapuissance de court-circuit de la source estfaible.

ProtectionLa dtection du dfaut est base sur lacomposante active du courant rsiduel. Eneffet le dfaut provoque la circulation decourants rsiduels dans l'ensemble durseau, mais seul le circuit en dfaut estparcouru par un courant rsiduel rsistif.De plus les dispositifs de protection tiennentcompte des dfauts auto-extincteursrptitifs (dfauts rcurrents).Lorsque la ractance de la mise la terre etla capacit du rseau sont accordes(3LNCo2=1)v le courant de dfaut est minimum,v c'est un courant rsistif,v le dfaut est auto-extincteur.

La ractance de compensation s'appellealors bobine d'extinction, ou bobine dePetersen.