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Schéma TN - Protection contre les contacts indirects

De Guide de l'Installation Electrique

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Sommaire

Méthodes de détermination de la protection

Trois méthodes de calcul sont habituellement utilisées :

  • la méthode des impédances, fondée sur le calcul exact de l’impédance totale comme étant la somme des impédances complexes de chacun des circuits,
  • la méthode de composition,
  • la méthode conventionnelle, à partir d’une valeur de chute de tension présumée et l’utilisation de tables.

Dans un schéma TN, un courant de défaut à la terre est équivalent à un courant de court-circuit qui aura, en principe, toujours une valeur suffisante pour faire déclencher les dispositifs de protection contre les surintensités.

Les impédances de la source et de la distribution amont sont nettement plus faibles que celles des circuits de la distribution BT, de ce fait la limitation de l’intensité du courant de défaut ne sera due qu’à l’impédance des circuits de la distribution BT(en particulier pour les circuits terminaux, les longs câbles souples d’alimentation des appareils augmentent de façon sensible l’impédance de la boucle de défaut).

Les plus récentes recommandations de la CEI pour la protection des personnes contre les contacts indirects ne spécifient uniquement que le temps maximal de coupure imposé en fonction de la tension nominale du réseau BT (cf. Figure F13 Coupure automatique en schéma TN).

Le raisonnement soutenant ces recommandations est que pour les schémas TN, l’intensité du courant de défaut qui doit circuler pour élever le potentiel des masses à des tensions de 50 V et plus, est si importante que :

  • soit le chemin de défaut se vaporise quasi instantanément et élimine de ce fait le défaut,
  • soit le conducteur fond en se soudant aux masses en contact, crée un chemin de défaut solide permettant la circulation d’un courant de court-circuit qui fait déclencher les dispositifs de protection contre les surintensités.

Pour assurer un fonctionnement correct des dispositifs de protection contre les surintensités dans ce dernier cas, une évaluation relativement précise du niveau d’intensité du courant de défaut à la terre, courant équivalent à un court-circuit phase terre, pour chaque circuit doit être réalisée à la conception du projet.

Une analyse rigoureuse requiert l’utilisation de la méthode des composantes symétriques appliquées à chacun des circuits. Le principe est parfaitement exact mais le nombre considérable de calculs à effectuer n’est pas jugé efficient du fait que la valeur des composantes symétriques (directe, inverse, homopolaire) des impédances est extrêmement difficile à déterminer avec un degré raisonnable de précision dans une installation BT moyenne.

D’autres méthodes permettant un calcul avec une bonne précision, sont préférées.

Les 3 méthodes pratiques suivantes sont utilisées :

  • la méthode des impédances
Fondée sur la sommation des impédances complexes (c’est à dire faire séparément la sommation de toutes les résistances et de toutes les réactances puis calculer l’impédance correspondante) de la boucle de défaut depuis (et y compris) la source jusqu’au point de l’installation considéré pour chaque départ.
  • la méthode de composition
Qui permet une estimation du courant de court circuit maximal à l’extrémité d’une canalisation en connaissant :
  • le courant de court-circuit à l’origine de la canalisation,
  • l’impédance de la canalisation.
  • la méthode conventionnelle
Qui permet une estimation du courant de court circuit minimal directement à partir de tableaux indiquant immédiatement le résultat.

Ces méthodes sont fiables uniquement si tous les conducteurs (en particulier dans le cas de câbles) participant à la boucle de défaut cheminent à côté les uns des autres et ne sont pas séparés par des matériaux ferromagnétiques.

Méthode des impédances

Pour réaliser le calcul des installations électriques, les concepteurs n’utilisent actuellement pratiquement que des logiciels. Ceux ci doivent être agréés par les autorités nationales compétentes. Ces logiciels, tels que Ecodial, utilisent des algorithmes de calcul conformes à la méthode des impédances. Les autorités nationales compétentes éditent aussi des guides pratiques qui proposent des valeurs typiques, par exemple pour la longueur des câbles.

Elle consiste à déterminer toutes les valeurs des résistances et des réactances de la boucle de défaut et à calculer le courant de court-circuit en utilisant la formule :

I=\frac{Uo}{\sqrt{\left ( \sum R \right )^2 + \left ( \sum X \right )^2 } }

  • (ΣR)2 = carré de la somme de toutes les résistances du circuit.
  • (ΣX)2= carré de la somme de toutes les réactances du circuit.

L'application n'en est pas toujours facile car elle suppose connues toutes les caractéristiques des différents éléments de la boucle de défaut. Mais le guide C15-105 donne les éléments nécessaires.

Méthode de composition

Elle permet de déterminer le courant de court-circuit à l'extrémité d'un circuit en connaissant celui à l'origine de ce même circuit par application de la formule approchée :

I=Icc \cdot \frac{Uo}{Uo + Zs.Icc}

avec

  • Icc = courant de court-circuit en amont de la canalisation
  • I = courant de court circuit à l’extrémité de la canalisation
  • Uo = tension nominale phase neutre du réseau
  • Zs = impédance de la canalisation

Nota : à la différence de la méthode des impédances, cette méthode consiste à ajouter arithmétiquement[1] les impédances.

Méthode conventionnelle

Elle sera la plupart du temps suffisante et conduit à limiter la longueur des différents circuits électriques ( voir Détermination pratique de la longueur Lmax).

Principe

La longueur maximale d'un circuit en schéma TN est : Lmax=\frac{0,8\ Uo\ Sph}{\rho \left ( 1+m \right )Ia}

Elle consiste à appliquer la loi d'Ohm au seul départ concerné par le défaut en faisant l'hypothèse que la tension entre la phase en défaut et le PE (ou PEN) reste supérieure à 80% de la tension simple nominale.

Ce coefficient prend en compte forfaitairement l'ensemble des impédances amont.

En BT, lorsque le conducteur de protection chemine à côté des conducteurs de phase correspondants, il est possible de négliger les réactances des conducteurs devant leur résistance.

Cette approximation est considérée comme admissible jusqu'à des sections de 120 mm2. Au-delà on majore la résistance de la manière suivante :

Section (mm2) Valeur de la résistance
S = 150 mm2 R+15%
S = 185 mm2 R+20%
S = 240 mm2 R+25%

La longueur maximale d'un circuit en schéma TN est donnée par la formule :


Lmax=\frac{0,8\ Uo\ Sph}{\rho \left ( 1+m \right )Ia}

avec :

  • Lmax = longueur maximale en mètres du circuit concerné
  • Uo = tension simple = 230 V pour réseau 230 / 400 V
  • ρ = resistivité à la température de fonctionnement normal

    (= 22,5 10-3 Ω x mm2/m pour le cuivre ; = 36 10-3 Ω x mm2/m pour l'aluminium)

  • Ia = courant (A) de fonctionnement du déclencheur magnétique du disjoncteur, ou
  • Ia = courant (A) assurant la fusion du fusible dans le temps spécifié.

m=\frac{Sph}{SPE}

  • Sph = section des phases en mm2.
  • SPE = section du conducteur de protection en mm2.

(cf. Fig. F39)

Fig. F39Calcul de Lmax en schéma TN par la méthode conventionnelle

Tableaux des longueurs Lmax

Le guide UTE C15-105 comporte des tableaux qui indiquent directement la longueur du circuit à ne pas dépasser pour que la protection des personnes contre les contacts directs soit assurée en fonction des appareils de protection utilisés contre les surintensités.

Les tableaux suivants (selon la norme CEI 60364-4-41 et le guide UTE C15-105 (France) ) applicables en cas de défaut en schéma TN, sont établis selon la méthode conventionnelle décrite ci-dessus.

Ces tableaux indiquent les longueurs maximales des circuits au delà desquelles la résistance ohmique des conducteurs limitera l’intensité du courant de court-circuit à une valeur trop faible, inférieure à celle requise pour provoquer le déclenchement du disjoncteur (ou la fusion du fusible) de protection du circuit dans un temps de coupure (ou de fusion) compatible avec la protection des personnes contre les contacts indirects.

Facteur de correction en fonction de m

Le tableau F40 indique le facteur de correction à appliquer aux valeurs données dans les tableaux F41 et F44 compte tenu du rapport Sph/Spe, du type de circuit et du type de conducteur.

Circuit Nature du conducteur m = Sphase/SPE (ou PEN)
m = 1 m = 2 m = 3 m = 4
3P + N ou P + N Cuivre 1 0,67 0,50 0,40
Aluminium 0,62 0,42 0,31 0,25

Fig. F40Facteur de correction à appliquer aux longueurs données dans les Figures F41 et F44 en schéma TN

Canalisations protégées par des disjoncteurs à usage général

(Fig. F41)

Section nominale des conducteurs Courant de réglage du fonctionnement instantané de disjoncteur Im (A)
mm2 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 560 630 700 800 875 1000 1120 1250 1600 2000 2500 3200 4000 5000 6300 8000 10000 12500
1,5 100 79 63 50 40 31 25 20 16 13 10 9 8 7 6 6 5 4 4
2.5 167 133 104 83 67 52 42 33 26 21 17 15 13 12 10 10 8 7 7 5 4
4 267 212 167 133 107 83 67 53 42 33 27 24 21 19 17 15 13 12 11 8 7 5 4
6 400 317 250 200 160 125 100 80 63 50 40 36 32 29 25 23 20 18 16 13 10 8 6 5 4
10 417 333 267 208 167 133 104 83 67 60 53 48 42 38 33 30 27 21 17 13 10 8 7 5 4
16 427 333 267 213 167 133 107 95 85 76 67 61 53 48 43 33 27 21 17 13 11 8 7 5 4
25 417 333 260 208 167 149 132 119 104 95 83 74 67 52 42 33 26 21 17 13 10 8 7
35 467 365 292 233 208 185 167 146 133 117 104 93 73 58 47 36 29 23 19 15 12 9
50 495 396 317 283 251 226 198 181 158 141 127 99 79 63 49 40 32 25 20 16 13
70 417 370 333 292 267 233 208 187 146 117 93 73 58 47 37 29 23 19
95 452 396 362 317 283 263 198 158 127 99 79 63 50 40 32 25
120 457 400 357 320 250 200 160 125 100 80 63 50 40 32
150 435 388 348 272 217 174 136 109 87 69 54 43 35
185 459 411 321 257 206 161 128 103 82 64 51 41
240 400 320 256 200 160 128 102 80 64 51

Fig. F41Longueur maximale (en mètre) de canalisations triphasées 230 / 400 V ou monophasées protégées contre les contacts indirects (schémas TN) par des disjoncteurs industriels

Canalisations protégées par des disjoncteurs Compact ou Acti 9 à usage industriel ou domestique

(Fig. F42 à Fig. F44)

Sph Courant assigné des disjoncteurs type B (A)
mm2 1 2 3 4 6 10 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125
1,5 1200 600 400 300 200 120 75 60 48 37 30 24 19 15 12 10
2,5 1000 666 500 333 200 125 100 80 62 50 40 32 25 20 16
4 1066 800 533 320 200 160 128 100 80 64 51 40 32 26
6 1200 800 480 300 240 192 150 120 96 76 60 48 38
10 800 500 400 320 250 200 160 127 100 80 64
16 800 640 512 400 320 256 203 160 128 102
25 800 625 500 400 317 250 200 160
35 875 700 560 444 350 280 224
50 760 603 475 380 304

Fig. F42Longueurs maximales (en mètres) de canalisations triphasées 230/400 V ou monophasées en schéma TN (m = 1) protégées contre les contacts indirects par des disjoncteurs domestiques de type B

Sph Courant assigné des disjoncteurs type C (A)
mm2 1 2 3 4 6 10 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125
1,5 600 300 200 150 100 60 37 30 24 18 15 12 9 7 6 5
2,5 500 333 250 167 100 62 50 40 31 25 20 16 12 10 8
4 533 400 267 160 100 80 64 50 40 32 25 20 16 13
6 600 400 240 150 120 96 75 60 48 38 30 24 19
10 677 400 250 200 160 125 100 80 63 50 40 32
16 640 400 320 256 200 160 128 101 80 64 51
25 625 500 400 312 250 200 159 125 100 80
35 875 700 560 437 350 280 222 175 140 112
50 760 594 475 380 301 237 190 152

Fig. F43Longueurs maximales (en mètres) de canalisations triphasées 230/400 V ou monophasées en schéma TN (m = 1) protégées contre les contacts indirects par des disjoncteurs domestiques de type C

Sph Courant assigné (A)
mm2 1 2 3 4 6 10 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125
1,5 429 214 143 107 71 43 27 21 17 13 11 9 7 5 4 3
2,5 714 357 238 179 119 71 45 36 29 22 18 14 11 9 7 6
4 571 381 286 190 114 71 80 46 36 29 23 18 14 11 9
6 857 571 429 286 171 107 120 69 54 43 34 27 21 17 14
10 952 714 476 284 179 200 114 89 71 57 45 36 29 23
16 762 457 286 320 183 143 114 91 73 57 46 37
25 714 446 500 286 223 179 143 113 89 71 57
35 625 700 400 313 250 200 159 125 80 100
50 848 543 424 339 271 215 170 136 109

Fig. F44Longueurs maximales (en mètres) de canalisations triphasées 230 / 400 V ou monophasées en schéma TN (m = 1) protégées contre les contacts indirects par des disjoncteurs domestiques de type D

Exemple

Soit une installation triphasée (230/400 V) en schéma TN-C. Un circuit protégé par un disjoncteur de type B de 63 A est constitué de câbles en aluminium de 50 mm² de section par phase et d’un conducteur neutre (PEN) de 25 mm².

Quelle est la longueur maximale du circuit, en dessous de laquelle la protection des personnes contre les contacts indirects est assurée par la protection magnétique instantanée du disjoncteur ?

Pour un disjoncteur de type B, le tableau de la Figure F42 est à utiliser. Il indique que, pour une section 50 mm² et un courant de 63 A, la longueur maximale autorisée est 603 mètres.

Il est nécessaire de tenir compte de  m=\frac{Sph}{SPE}=2 : le tableau de la Figure F40 indique un coefficient de 0,42 pour des conducteurs aluminium. La longueur maximale du circuit est de ce fait : 603 m x 0,42 = 253 mètres

Cas particulier où une masse ou un groupe de masses est relié à une prise de terre séparée

Protection contre les contacts indirects par DDR en tête de chaque groupe de masses relié à une prise de terre distincte. La sensibilité doit être adaptée à la resistance RA2 de la prise de terre.

En aval du DDR, le schéma de liaison à la terre ne peut être le TN-C (à remplacer par le TN-S) (RA2 en Figure F45).

Fig. F45Prise de terre séparée

Notes

  1. ^ Ce calcul donne une valeur de l’intensité du courant de court-circuit par défaut . Si le réglage des dispositifs de protection contre les surintensités est fondé sur cette valeur calculée, le dispositif est sûr de déclencher (disjoncteur) ou de fondre (fusible).