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LES SCHEMAS DE LIAISONS A LA TERRE

Comportement d'une installation face aux perturbations électromagnétiques basses fréquences (harmoniques) selon son schéma de liaison à la terre

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Objectif et propriétés des schémas de liaison à la terre

√ Protection des personnes contre les contacts indirects (masse métallique mise accidentellement sous tension) par la mise hors tension automatique du circuit si la tension de contact (UC) est supérieure à la tension limite de sécurité (UL)

√ Définis par les normes CEI 60364 et NFC 15.100 (France)

√ Chaque schéma a un comportement différent face aux perturbations électromagnétiques

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Schémas des Liaisons à la Terre (SLT) Définitions et rappels

√ La 1ere lettre caractérise la source :• T -> un point du transformateur (le neutre) est relié à la terre locale.• I -> le point neutre du transformateur est isolé (ou impédant) de la terre

locale.

√ La 2nde lettre caractérise les masses :• T -> les masses des équipements sont reliées à une terre locale.• N -> les masses des équipements sont reliées a la terre du neutre de la

source.

√ La 3eme lettre caractérise le conducteur de protection en TN :• C -> confondu avec le conducteur de neutre.• S -> séparé du conducteur de neutre.

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Schéma TT : terminologie

PE

3

2

1

N

Neutre du transformateur relié à la terre

T

Masse des équipements reliée à la terre

T

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Mise en œuvre du schéma TT

PE

3P+N

RB RA

√ Déclenchement par DDR :

A

L

RU

nI

BA

0d RR

UI

Défaut d’isolement => courant de défaut phase / terre• La valeur du courant de défaut dépend de la valeur des impédances des prises de terre RA et RB

BA

A0d RR

RUU

Ud

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Schéma TN : terminologie

Neutre à la terre et ... :Neutre du transformateur relié à la terreMasse des équipements reliée au neutre

T N

3

2

1

N

PE

TNSTNC

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Mise en œuvre du schéma TN

PE

3P+N

√ Défaut d’isolement => court circuit phase / neutre• La valeur du courant de défaut dépend principalement de la longueur de

ligne et de la section des câbles (méthode simplifiée) :

PE

PH

PH0Défaut

SS

1L

SU8,0I

√ Déclenchement par DPCC :

• Im < Id

• Ik3 > Id

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Schéma IT : terminologie

PE

3

2

1

N

Neutre du transformateur isolé ou impédant / à la terre

I

Masse des équipements reliée à la terre

T

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Mise en œuvre du schéma IT

3

2

1

N

PE

CPI

√ 1er défaut d’isolement sans danger :• Id nul, ou de l’ordre de quelques dizaines de mA,

• Ud très inférieur à UL.

√ signalisation par le CPI et recherche immédiate du défaut.

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Mise en œuvre du schéma IT

3

2

1

N

PE

CPI√ Déclenchement

par DPCC :• Im < Id

• Ik3 > Id

√ 2eme défaut d’isolement => court circuit phase / neutre ou entre phases :

• Id et Ud équivalent au schéma TN (ou à 3 près).

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Schémas des Liaisons à la Terre (SLT)Synthèse

√ Tous les régimes assurent la sécurité des personnes de façon équivalente :

• Régime TT : neutre à la terre, carcasses métalliques à une terre locale. clients BT, lieux destinés au public

mise hors tension automatique au premier défaut par dispositif différentiel

• Régime TN : neutre à la terre, carcasses métalliques à la terre du neutre. sites industriels

mise hors tension automatique au premier défaut par DPCC

• Régime IT : neutre impédant ou isolé, carcasses métalliques à la terre. sites industriels critiques

signalisation du premier défaut par CPI sans coupure de l'alimentation

mise hors tension automatique au deuxième défaut par DPCC

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Harmoniques et SLT

Deux cas principaux seront alors à envisager :» La circulation due à un "couplage" dit par impédance

commune

» La circulation due à un "couplage" dit capacitif

Pour comprendre le comportement d'une installation face aux perturbations harmoniques selon son schéma de liaison à la terre, deux notions sont nécessaires

» la notion de courants de mode commun

» l'identification des trajets de circulation possible pour les courants harmoniques

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Courants de mode commun

Définition : ce sont les courants circulant sur une distribution qui, entrant sur un équipement, en ressortent par la liaison équipotentielle terre + masses métalliquesExemple 1 : équipements électroniques communicants

Exemple 2 : Filtres immunité radio-fréquence en amont des variateurs de vitesse en monophasé et neutre à la terre

Filtre RFI

Veff,

230 V, 50 Hz

Variateur

Imc/2

Imc/2

ImcImcImc

ImcImc

Imc/2

Imc/2

Imc

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Couplage par impédance commune

Il apparaît donc une différence de potentiel UAB = ZAB . In

Ordre de grandeur numérique : LAB = 50 m ; ZAB 50 m. Si In vaut 100 A, il apparaît entre A et B une tension UAB de 5 V, le long d'une liaison censée être une équipotentielle

Pour les deux équipements, communicant par exemple en liaison analogique 0-10V, il y a donc un écart de 5V entre la référence de potentiel supposée identique du premier et du second équipement : il y a quasi-certitude d'erreur de communication

Dans l'exemple 1

A B

En régime TNC,

Impédance commune correspondant à l'impédance de ligne entre A et B et traversée par le courant de neutre In

ZC = ZAB

le PEN (impédance commune : Zc)sera parcouru par un courant élevé résultant du déséquilibre des charges et des harmoniques de rang 3 et multiples

In

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Couplage capacitif

Dans l'exemple 2

Filtre RFI

Veff,

230 V, 50 Hz

Variateur

ImcImc

Imc/2

Imc/2

Imc

Les capacités de couplage entre conducteurs actifs et terre sont réellement présentes

On peut également être amené à devoir prendre en compte des capacités dites parasites constitutives des équipements

Par exemple un conducteur présente une capacité parasite avec la terre que l'on peut estimer à 1F/km

Rappel : impédance d'une capacité Zc = 1/2..f.C soit environ 2000 pour 500 m de ligne à 150 Hz

Ces diverses capacités offrent donc des trajets possibles et difficilement localisables pour les courants de fuite dont la présence peut provoquer des disjonctions différentielles intempestives ou des signalisations de courants de défaut erronées

Tore en situation de localisation de défaut erronée

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Cas du schéma TNC

√ Les courants harmoniques de rang 3 et multiples s'additionnent en amplitude dans le conducteur de neutre confondu avec le conducteur de protection (PEN).

√ Ces courants (couplage par impédance commune) sont la cause d'apparition de tensions le long ce conducteur avec pour effets :

» perte d'équipotentialité des masses métalliques» risques élevés d'erreur de transfert d'information sur les

liaisons analogiques petit signal

Comme il apparaît dans l'exemple 1 analysé ci-dessus :

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Cas du schéma TNS

√ La tension neutre/terre qui résulte de cette situation est souvent considérée comme inadmissible par les équipementiers pour le bon fonctionnement des équipements informatiques raccordés à l'alimentation

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TC

15 V

20 ms

Tension UBC dont la contribution principale est à 150 Hz (rang 3)

UBC 150HzUBA 150Hz

Il apparaît donc une différence de potentiel UBA = ZAB . In égale à la tension UBC entre neutre et terre

A

B

Le conducteur de neutre d'impédance : Zn =ZAB

NZN = ZAB

est parcouru par un courant élevé résultant du déséquilibre des charges et des harmoniques de rang 3 et multiples

I150Hz

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Cas du schéma IT

√ Diminution du niveau global d'isolement de l'installation par couplage capacitif favorisant la circulation des courants harmoniques vers la terre

√ Signalisation de situation de défaut erronée par les relais homopolaires

√ Courants de fuite, pas nécessairement détectés par le CPI comme n'étant pas des courants de défaut, et pouvant laisser croire à une situation de premier défaut sur une installation

√ Disjonctions différentielles intempestives sur les départs prises de courant inférieurs à 32 A du fait de courants de fuite au travers des capacités parasites constitutives des équipements

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√ Les courants de fuite dus aux filtres placés en amont des équipement numériques ou aux capacités parasites des divers équipements (1 micro-ordinateur = quelques mA) sont vus comme des courants de défaut par les dispositifs différentiels

√ En conséquence, dans tous les schémas, il est nécessaire de limiter le nombre de charges filtrées en aval des DDR, particulièrement sur la distribution ultra terminale.

Pour tous les schémas

TT TNC TNS IT Comportement Bon Mauvais Très bon Bon Remarques Vigilence vis à vis

des équipements à courants de fuite élevé en aval des protections différentielles

Chute de tension sur le PEN et perturbations des systèmes de communication

Vigilence vis à vis des équipements à courants de fuite élevé en aval des protections différentielles

Vigilence vis à vis des équipements à courants de fuite élevé en aval des protections différentielles

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Synthèse sur les schémas de liaisons à

la terre

√ Dans tous les cas, les masses métalliques doivent être reliées à la Terre par un conducteur de protection PE non interruptible

√ Tous les schémas de liaison à la terre, correctement exécutés, assurent la protection des personnes de façon équivalente

√ Schéma TT : neutre à la terre, carcasses métalliques à une terre locale clients BT, lieux destinés au public mise hors tension automatique au premier défaut par DDR

√ Schéma TN : neutre à la terre, carcasses métalliques à la terre du neutre sites industriels mise hors tension automatique au premier défaut par DPCC

√ Schéma IT : neutre impédant ou isolé, carcasses métalliques à la terre sites industriels critiques signalisation du premier défaut par CPI sans coupure de l'alimentation mise hors tension automatique au deuxième défaut par DPCC