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Protection d'un transformateur MT / BT par disjoncteur

De Guide de l'Installation Electrique

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La norme NF C 15-100 dans l’habitat
Recommandations pour l'amélioration de la CEM
Mesure

Sommaire

Le nombre de transformateurs du poste et le courant assigné (ou leur somme) du primaire du transformateur déterminent le type de protection amont : fusibles ou disjoncteur.

La protection d'un transformateur MT / BT par disjoncteur est généralement utilisée dans les installations industrielles et bâtiments commerciaux de grande taille et particulièrement quand la puissance du transformateur dépasse 800 kVA. Dans ces applications, les tableaux modulaires offrent une grande flexibilité.

Le dispositif de protection de chaque unité peut inclure des relais de protection autoalimentés (voir Fig. B18a et Fig. B18b) apportant un niveau élevé de sécurité et des Transformateurs de Courant (TC) optimisés (voir Fig. B18c).

Fig. B18aExemple de relais de protection de transformateur auto-alimenté simple (VIP 40-45 Schneider Electric)

Fig. B18bRelais de protection contre les surintensités et défauts terre auto-alimenté(VIP 400-410 Schneider Electric)

Cette solution offre des avantages intéressants concernant :

  • la maintenance,
  • l'amélioration de la protection du transformateur,
  • l'amélioration de la sélectivité par rapport aux protections BT,
  • l'insensibilité aux courants d'appel,
  • la détection de faibles courants de défaut à la terre.

Fig. B18cTableaux SM6 et Premset (Schneider Electric) incluant la protection d'un transformateur MT/BT par relais auto-alimenté

Maintenance

Les relais de protection modernes sont maintenant pratiquement sans entretien, car ils incluent des fonctionnalités d'autotest. Toutefois, il reste nécessaire de vérifier la chaîne de protection à la mise en service et périodiquement (tous les 5 ou 10 ans).

Performances de protection

Les disjoncteurs associés à des relais de protection électroniques apportent de nombreux avantages en termes de sélectivité, à savoir :

  • coordination des dispositifs en amont et en aval,
  • discrimination des courants d'appel,
  • détection de faibles valeurs de courant de défaut phase-phase ou phase-terre.

Sélectivité avec l'installation BT

Dans les cas où l'installation BT comprend un disjoncteur d'arrivée ouvert, la sélectivité avec le disjoncteur MT est obtenue facilement, car il est possible de choisir la courbe adéquate de déclenchement du relais électronique.

Courant d'appel

La mise sous tension d'un transformateur provoque la circulation d'un courant d'appel transitoire très élevé qui peut atteindre des valeurs de crête jusqu'à dix fois la crête du courant nominal. Ceci est un phénomène normal et la protection ne doit pas déclencher. Le disjoncteur permet une grande flexibilité pour éviter le déclenchement, tout en conservant un bon niveau de protection, grâce à la caractéristique temps / courant du relais électronique.

Courant de défaut de phase de faible amplitude

Les transformateurs MT / BT ont généralement un taux de défaillance très faible. La plupart des défauts sont des défauts entre spires ou des défauts phase - terre. Généralement un défaut entre spires n'est pas éliminé assez tôt. Les défauts phase-phase entre bornes MT sont plus rares (voir Fig. B18d).

Fig. B18dLocalisation d'un défaut

Les défauts les plus fréquents sont des courts-circuits à l'intérieur d'un enroulement MT où le niveau de courant de défaut est faible (de 1 à 6 fois le courant nominal) (voir Fig. B18d). En cas de protection par disjoncteur, le relais va détecter le défaut et provoquer le déclenchement dès que le courant aura atteint le seuil de réglage. Le transformateur MT / BT sera déconnecté en toute sécurité.

Courants de défaut de forte amplitude

Dans les rares cas d'un court-circuit entre les bornes MT, la protection doit agir rapidement. Dans ce cas, un disjoncteur est plus lent qu'un fusible MT qui a des capacités de limitation de courant. Toutefois, un disjoncteur pourra éliminer le défaut en moins de 100 ms, ce qui est suffisant pour éviter des dommages graves.

Défauts à la terre de faible amplitude

En cas de défaut à la terre de haute impédance sur un enroulement MT, ou de défaut franc à la terre avec un système de mise à la terre du neutre par impédance, l'amplitude du courant de défaut à la terre est inférieure au courant nominal du transformateur. Les relais autoalimentés modernes intègrent une protection contre les défauts à la terre à faible seuil, assurant une protection efficace dans ces conditions.

Cas de la distribution publique

Dans les applications de distribution publique, telles que les configurations de réseau en boucle MT, les Distributeurs recherchent les solutions répétitives les plus simples pour les postes MT / BT qui sont répartis dans une vaste zone géographique. La puissance du transformateur MT / BT est généralement limitée à 630 kVA ou moins. Les Distributeurs spécifient des solutions compactes d'appareillage à 3 fonctions souvent non extensibles. Dans ce cas, la protection des transformateurs MT / BT par fusibles MT offre une solution optimisée (voir Fig. B18e).

Fig. B18eAppareillage compact Type RM6 à 3 fonctions

Choix du dispositif de protection amont en France

Le nombre de transformateurs du poste et le courant assigné (ou leur somme) du primaire du transformateur déterminent le type de protection amont : fusibles ou disjoncteur.

Choix du dispositif de protection

Le choix du dispositif de protection amont est déterminé en tenant compte de deux éléments :

  • le courant de base (IB), dont la valeur est :
    • en comptage BT, la valeur du courant assigné au primaire de l’unique transformateur HTA/BT
    • en comptage HTA, la somme des courants assignés au primaire des transformateurs et des courants assignés des autres appareils à HTA (moteurs...)

      la puissance de base (PB) de l’installation s’en déduisant par:

       P_B= U_n \times I_B \times \sqrt 3

      (Un : tension nominale du réseau)

  • le courant minimal de court-circuit (Iccb) : valeur minimale du courant de court-circuit pouvant affecter l’installation HTA.

    En pratique c’est le courant du défaut biphasé au point le plus éloigné dans l’installation HTA. Il se déduit du défaut triphasé en ce point par :

    Iccb = Iccbiphasé = 0,86 Icctriphasé.

La norme NF C 13-100 précise que pour :

  • IB, < 45 A et lorsqu’il n’y a qu’un seul transformateur, la protection peut être assurée soit par des fusibles, soit par un disjoncteur. Ce dernier est préférable s’il est prévu dans l’avenir une augmentation de la puissance du poste.
  • IB, ≥ 45 A ou lorsqu’il y a plusieurs transformateurs, la protection est assurée par un disjoncteur.

    Les puissances maximales des transformateurs normalisés pour IB ≤ 45 A au primaire sont données dans le tableau B18f.

Tension d’alimentation (kV) Puissance maximale pour un seul transformateur (kVA/400 V)
5,5 400
10 630
15 1000
20 1250

Fig. B18fLimites de puissance d’un transformateur pour un courant primaire de 45 A

Protection par fusibles

La norme NF C 13-100 définit le courant assigné des fusibles en fonction de la tension et de la puissance nominale du transformateur (Tableau B18g). Si une source autonome d’énergie électrique peut fonctionner en parallèle avec le réseau du distributeur il faut opter pour une protection par disjoncteur.

Tension de service (kV) Puissance des transformateurs (kVA) Tension assignée (kV)
25 50 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250
5,5 6,3 16 31,5 31,5 63 63 63 63 63 7,2
10 6,3 6,3 16 16 31,5 31,5 31,5 63 63 63 63 12
15 6,3 6,3 16 16 16 16 43 43 43 43 43 43 63 17,5
20 6,3 6,3 6,3 6,3 16 16 16 16 43 43 43 43 43 63 24

Nota : La norme CEI 60282-1 recommande de remplacer les trois fusibles d’un circuit tripolaire quand l’un d’entre eux a déjà fonctionné, à moins que l’on sache avec certitude qu’il n’y a eu aucune surintensité au travers du fusible n’ayant pas fondu.

Fig. B18gCalibres des fusibles (ex : Soléfuse) pour la protection d’un transformateur unique de puissance donnée, suivant la norme NF C 13-100 (tableau 43B).

Protection par disjoncteur

La norme NF C 13-100 § 433.3 définit les réglages des protections du disjoncteur d’après les valeurs de IB et Iccb (cf. Fig. B18h).

  • Le réglage des déclencheurs ou des relais doit être tel que le courant minimal de court-circuit Iccb de l’installation HTA provoque le fonctionnement du dispositif de protection dans un temps permettant d’assurer une sélectivité satisfaisante avec la protection du réseau d’alimentation HTA (en général, élimination du défaut en 0,2 s).
  • En outre, dans la mesure du possible, les appels de courant résultant de la mise sous tension des installations ne doivent pas provoquer de fonctionnement intempestif du dispositif de protection.
  • Pour des protections à temps indépendants, ces deux conditions sont satisfaites si le courant de réglage est pris égal à la plus petite des deux valeurs suivantes : 0,8 Iccb ou 8 IB . En général la valeur 8 IB ., inférieure à 0,8 Iccb, est retenue. Un réglage inférieur (5 ou 6 IB ) peut être demandé par le distributeur pour assurer une certaine coordination avec ses protections réseau.
  • Lorsque le dispositif de protection est constitué de relais à deux seuils de déclenchement : l’un est à déclenchement différé comme indiqué ci-dessus, l’autre est à déclenchement instantané de valeur égale à 25 IB .

Fig. B18hProtection par disjoncteur

Protection contre les défauts à la terre

En France, une protection contre les défauts à la terre (à maximum de courant résiduel – code ANSI 50N ou 51N) doit être prévue, obligatoirement :

  • lorsque le transformateur (fonctionnant à la tension du réseau d’alimentation) est relié par un câble de plus de 100 mètres à l’appareil de protection amont ou,
  • lorsqu’il est fait usage d’une protection par relais indirects.

Les relais Schneider Electric correspondants sont du type Statimax ou Sepam et agissent sur le dispositif de protection amont.

Réglage du relais

Afin d’éviter des fonctionnements intempestifs de la protection générale, il y a lieu de régler le relais à une valeur supérieure au courant résiduel capacitif de la ligne HTA située en aval.

Les majorations à prendre en compte sont les suivantes :

  • coefficient 1,1
  • caractéristique du relais (en particulier : pourcentage de retour du relais)

 Ir = \frac{ 1,1 \, Irc \,(A)}{p}

p = le pourcentage du retour du relais

Irc = courant résiduel capacitif de la ligne HTA, située en aval.

La mesure du courant résiduel est effectuée à l’aide de trois transformateurs de courant ; l’écart des rapports de ces transformateurs est pris en compte en ne réglant jamais le relais en dessous de 12% du courant assigné des TC utilisés pour cette mesure :

Ir ≥ 0,12 Ipn des TC.

La temporisation de ce relais est réglée de manière que le courant de défaut soit éliminé en 0,2 s au plus.

Dans le cas d’un réseau à neutre compensé, il est nécessaire de mettre en œuvre en plus de la protection précédente (51N) une protection de type wattmétrique homopolaire (PWH – code ANSI 67N). La valeur de réglage est choisie dans la plage définie par le distributeur et associé à une temporisation de façon à éliminer le défaut en 0,5 s au plus. L’ensemble de ces réglages est plombé par le distributeur.

Présence d’une source autonome d’énergie

En France, la norme NF C 13-100 précise que la présence d’une source autonome de production d’énergie dans le poste ne doit pas entraîner de perturbations sur le réseau d’alimentation. Pour cela la norme impose :

  • soit une disposition des installations telle que la source autonome ne puisse en aucun cas fonctionner en parallèle avec le réseau
  • soit une protection de «découplage», déterminée en accord avec le distributeur, ayant pout objet d’interrompre le fonctionnement en parallèle lors d’un défaut sur le réseau d’alimentation. Elle peut être à fonctionnement instantané ou temporisé. Dans ce dernier cas elle doit assurer une sélectivité chronométrique avec la protection amont du distributeur.

La commande de l’organe de découplage doit se faire à minimum de tension et son réglage, effectué par le distributeur, est rendu inaccessible par plombage.

Par ailleurs, le chapitre B61-41 du Guide Technique Distribution d’Electricité définit, en précisant les dispositions précédentes, les protections de découplage à utiliser. Ces éléments sont repris par les arrêtés du 21/07/97 et 4/06/98 fixant les conditions de raccordement des installations de puissance au réseau public.

En pratique il doit donc être prévu, outre les protections de la source autonome, une protection de découplage dite B61.41 conforme à ces éléments.