Sensibilité des différentiels (DDR) aux perturbations

Dans certains cas, des perturbations (dues au réseau ou à son environnement) peuvent créer des dysfonctionnements des DDR.

• Déclenchement intempestif : coupure de l’alimentation électrique en cas d’absence de situations dangereuses. Ce type de déclenchement est souvent répétitif, ce qui est très préjudiciable à la qualité de la fourniture de l’énergie, et entraîne pour l’utilisateur des perturbations d’exploitation.

• Non déclenchement en cas de situations dangereuses : baisse de la sensibilité dans la détection des courants de défaut dangereux. Cette situation doit être analysée avec précautions car elle affecte la sécurité. De ce fait, les normes CEI ont défini 3 catégories de DDR selon leur aptitude à gérer ces types de situation (voir ci-après).

Principaux types de perturbations

Bien que ces perturbations ne soient pas dangereuses pour les personnes, elles peuvent entraîner des déclenchements intempestifs des dispositifs de protection DDR qu’il est nécessaire de pallier.

Courants de fuite permanents

Toute installation électrique BT a un courant de fuite permanent à la terre qui est dû :

• soit aux déséquilibres des capacités de fuite naturelles des conducteurs actifs à la terre (principalement pour des circuits triphasés),
• soit à des capacités entre une phase et la terre pour des circuits monophasés.

  Le courant de fuite est d’autant plus important que l’installation électrique est étendue.

Ce courant de fuite capacitif est parfois majoré de manière significative par les condensateurs de filtrage reliés à la masse de certains récepteurs électroniques (dans des équipements pour des automatismes, pour des système de communication, pour des réseaux informatiques, etc.). En l’absence de données plus précises, le courant de fuite peut être évalué sur la base suivante, pour un réseau 230 V / 50 Hz :

• canalisations mono ou triphasées : 1,5 mA/100m,
• plancher chauffant : 1 mA/kW,
• Fax, imprimantes : 1 mA,
• PC , poste de travail : 2 mA,
• Photocopieuses : 1,5 mA.

Pour que les DDR puissent fonctionner correctement avec les sensibilités IΔn requises par les normes CEI et/ou les normes nationales pour assurer la sécurité des personnes et des biens, il est nécessaire de limiter les courants de fuite permanents traversant un DDR. Une limitation à 25% de son seuil IΔn par une division des circuits, élimine pratiquement tout risque de déclenchement intempestif.

Composantes à haute fréquence HF

(harmoniques, transitoires, etc.) générés

• par des alimentations d’équipements informatiques, des convertisseurs de fréquence, des commandes de moteur par variateur de vitesse, des systèmes d’éclairage à lampes fluorescentes,
• par la proximité d’appareils de coupure MT et de batterie de condensateurs d’énergie réactive.

Une partie de ces courants HF peut s’écouler à la terre par les capacités de fuite des équipements.

Mise sous tension

La mise sous tension de condensateurs tels que mentionnés ci-dessus crée un courant d’appel transitoire HF similaire à celui de la Figure F67.

L’apparition du premier défaut en schéma IT crée un courant de fuite transitoire du à la brusque élévation de tension des 2 phases saines par rapport à la terre.

Fig. F67 – Onde de courant normalisée 0,5 µs/100 kHz

Surtensions de mode commun

Les réseaux électriques sont soumis à des surtensions transitoires dues

• à des perturbations extérieures d’origine atmosphériques (foudre),
• à des changements brusques des conditions de fonctionnement du réseau (défauts, fusion de fusibles, commutation de charges inductives, manœuvres d’appareillage MT, etc.).

  Ces surtensions transitoires créent dans les capacités de fuite à la terre des courants transitoires de forte amplitude.

Leur observation a établi que sur un réseau BT, les surtensions demeurent en général inférieures à 6 kV, et elles sont représentées correctement par une onde de tension normalisée 1,2 / 50 µs (cf. Fig. F68).

Fig. F68 – Onde de tension normalisée 1,2 / 50 µs

Les courants induits par ces surtensions peuvent aussi être représentés par une onde de courant normalisée 8 / 20 µs de valeur crête de plusieurs dizaines d’ampères (cf. Fig. F69).

Fig. F69 – Onde de courant normalisée 8 / 20 µs

Immunité

Courants de fuite transitoires : CEM

Selon la NF C 15-100 § 531.2.1.4, tout DDR installé doit avoir un niveau d'immunité minimal aux déclenchements indésirables.

• Les DDR de "type S" (ou cran I et plus) admettent tous les courants transitoires de fuite à la terre, y compris ceux des parafoudres (cf. schémas d'installation au chapitre L § 1.3), de durée inférieure à 40 ms.

  Les surtensions et courants transitoires mentionnés ci-contre, les commutations (bobines de contacteurs, relais, contacts secs), les décharges électrostatiques et les ondes électromagnétiques rayonnées (radio) relèvent du domaine de la compatibilité électromagnétique (pour plus de détails, consulter les Cahiers Techniques n° 120 et 149 de Schneider Electric).

• Les DDR de type "A si" (super immunisés) évitent les déclenchements intempestifs dans les cas de réseaux pollués, effets de la foudre, courants à haute fréquence, composantes continues, transitoires, harmoniques, basses températures (-25 °C).

La NF C 15-100 § 771.314.2.1 recommande d’utiliser un DDR « si » de 30 mA pour le circuit spécifique d’un congélateur.

Courants de défauts à composantes pulsées ou continues DDR de type AC, A ou B

L'article 531-2-1-5 de la NF C 15-100 indique les dispositions à prendre si nécessaire.

La norme CEI 60755 (Exigences générales pour les dispositifs de protection à courant différentiel résiduel) définit trois types de DDR suivant la caractéristique du courant de défaut :

type AC

DDR pour lequel le déclenchement est assuré pour des courants alternatifs sinusoïdaux différentiels résiduels, sans composante continue.

type A

DDR pour lequel le déclenchement est assuré

• pour des courants alternatifs sinusoïdaux différentiels résiduels,
• en présence de courants continus pulsatoires différentiels résiduels spécifiés.

type B

DDR pour lequel le déclenchement est assuré

• pour des courants identiques à ceux du type A,
• pour des courants continus différentiels résiduels qui peuvent résulter d’un redressement triphasé.

Influences externes

Influences externes

Correspondance : CEI 60364-5-51 § 512.2 et NF C 15-100 partie 5-51 § 512.2

Tenue au froid 

Dans le cas de températures au dessous de -5°C, les relais électromécaniques très sensibles des DDR de haute sensibilité peuvent être mécaniquement bloqués par le givre en cas de condensation.

Les DDR de type "si" peuvent fonctionner jusqu’à une température de -25°C.

Atmosphères chimiques corrosives ou chargées de poussières 

Les alliages spéciaux utilisés dans la fabrication des DDR peuvent notablement être dégradés par la corrosion. Les poussières peuvent aussi bloquer le mouvement des parties mécaniques.

Les influences externes sont classées dans le Tableau 51 A de la norme CEI 60364-5-51.

L’influence externe "Présence de substances corrosives ou polluantes" est identifiée par le code AFx (avec x qui représente le degré de sévérité de 1, négligeable, à 4, extrême).

Les règlements particuliers peuvent définir les dispositions à prendre et le type de DDR à mettre en œuvre (voir mesures à prendre en fonction des niveaux de sévérité dans le tableau de la Figure F70).

Influence du réseau électrique	Réseau perturbé	DDR super immunisé Type A SI :	DDR super immunisé Type SI	DDR super immunisé Type SI + Protection additionnelle appropriée (coffret ou unité fonctionnelle étanche)	DDR super immunisé Type SI + Protection additionnelle appropriée (coffret ou unité fonctionnelle étanche + surpression)
	Réseau propre	DDR immunisé standard Type AC
Présence de substance corrosive ou polluante CEI 60364 / NF C 15-100		Présence négligeable	Présence appréciable d’origine atmosphérique	Actions intermittentes ou accidentelles de certains produits chimiques ou polluants courants	Actions permanentes de produits chimiques ou polluants
Sévérité		AF1	AF2	AF3	AF4
Caractéristiques des matériels à mettre en œuvre		Normales	Conformité, par exemple, au test de brouillard salin	Protection contre les corrosions	Spécifiquement étudiées suivant le type de produit et de pollution

Exemples de sites exposés	Influences Externes
Métallurgie, aciérie.	Présence de soufre, vapeur de soufre, H2S.
Marina, port de commerce,bateau, bord de mer, chantier naval.	Atmosphère saline, en extérieur, humide, basse température.
Piscine, hôpital, agro alimentaire.	Composants chlorés.
Pétrochimie.	Gaz de combustion hydrogène, oxydes d’azote.
Élevage.	H2S.

Fig. F70 – Caractéristiques des DDR selon l’influence externe classée AF - Sites suivant le type de pollution

Niveau d’immunité des DDR de la marque Schneider Electric

Les gammes de DDR de la marque Schneider Electric comprennent différents types de DDR permettant une protection contre les défauts d’isolement adaptée à chaque application. Le tableau de la Figure F71 indique le type de DDR à installer en fonction des perturbations probables au point d’installation.

Type de DDR	Déclenchement intempestif (en absence de défaut)	Non déclenchement (en présence de défaut)
	Courants de fuite naturelle HF	Courant de défaut avec		Basse température (jusqu’à -25°C)	Atmosphère corrosive et poussière
		Composantes pulsées (monophasé redressé)	Composantes continues pures
AC	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
A	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]		[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
SI	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math] [math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math] [math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]		[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]
B	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math] [math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math] [math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]	[math]\displaystyle{ \definecolor{bggrey}{RGB}{234,234,234}\pagecolor{bggrey}\definecolor{myblue}{rgb}{0.26,0.71,0.9}\color{myblue}\blacksquare }[/math]

Fig. F71 – Niveau d’immunité des DDR Schneider Electric

Immunité aux déclenchements intempestifs

Les DDR de type si/SiE ont été conçus pour pallier les déclenchements intempestifs et/ou les non déclenchements dans le cas de pollution du réseau électrique (effet induit de coups de foudre, courants HF, courants RF, etc.). La Figure F72 indique les essais (et les niveaux d’essais) subis par les DDR de ce type.

Type de perturbations	Ondes d’essais normalisées	Niveau d’essai Acti 9 : iID, DT40 Vigi, Vigi, iC60, Vigi, C120, Vigi NG125 Type si/SiE
Perturbations permanentes
Harmoniques	1 kHz	Courant de défaut = 8 x IΔn
Perturbations transitoires
Surtension foudre induite	1,2 / 50 µs Impulsion (CEI/EN 61000-4-5)	4,5 kV entre conducteurs 5,5 kV / terre
Courant foudre induit	8 / 20 µs Impulsion (CEI/EN 61008))	5 kA crête
Courant transitoire de manœuvre, indirect de foudre	0,5 µs / 100 kHz Onde de courant (CEI/EN 61008)	400 A crête
Fonctionnement de para surtension en aval, charge de capacités	10 ms Impulsion	500 A
Compatibilité Électromagnétique
Commutation de charges inductives, éclairage fluorescent, moteurs, etc.	Salves répétées (CEI 61000-4-4)	4 kV / 400 kHz 5 kV / 2,5 kHz
Éclairage fluorescent, circuits commandés par thyristors	Ondes RF conduites (CEI 61000-4-6)	30 V (150 kHz à 230 MHz) 250 mA (15 kHz à 150 kHz)
Ondes RF (TV et Radios, émetteurs, télécommunication, etc.)	Ondes RF émises 80 MHz à 1 GHz (CEI 61000-4-3)	30 V / m

Fig. F72 – Essais d’immunité aux déclenchements intempestifs subis par les DDR de marque Schneider Electric

Recommandations concernant l’installation des DDR à tore séparé

Le capteur de ce type de DDR est un tore (généralement circulaire) de matériau magnétique à très haute perméabilité, sur lequel est bobiné un circuit secondaire, l’ensemble constituant un transformateur de courant toroïdal.

A cause de cette haute perméabilité, l’équilibre des flux magnétiques peut être affecté par

• une dissymétrie, même légère, dans la position des conducteurs entourés par le circuit magnétique,
• une proximité trop grande avec des matériaux ferreux (coffret ou châssis métallique, etc.).

De ce fait, des courants d’appel importants (courant de démarrage, courant magnétisant de transformateurs, courant de mise sous tension de capacités) peuvent saturer localement ce matériau et provoquer des déclenchements indésirables.

Sans prendre de précautions particulières, le rapport de sensibilité, courant de fonctionnement IΔn rapporté au courant maximum des phases I phase max, soit IΔn/ Iph(max) est ≤ 1/1000.

Cette limite peut être augmentée sensiblement en prenant les mesures illustrées en Figure F73 et résumées dans le tableau de la Figure F74.

L = 2 fois le diamètre du tore

Fig. F73 – trois mesures pour réduire le rapport de sensibilité IΔn/Iph (max)

Mesures	Diamètre (mm)	Gain de sensibilité
Centrer avec précaution les conducteurs dans le tore		3
Prendre un tore de la taille supérieure	ø 50 →ø 100	2
	ø 80 →ø 200	2
	ø 120 →ø 300	6
Utiliser un manchon magnétique (fer doux - tôle magnétique) : d’épaisseur 0,5 mm, de longueur 2 x diamètre intérieur du tore, entourant complètement les conducteurs et dépassant de manière égale de chaque côté du tore.	ø 50	4
	ø 80	3
	ø 120	3
	ø 200	2

[a] Le gain représente en fait une diminution du rapport de sensibilité.
Ces mesures peuvent être combinés : par exemple, en centrant avec précaution les conducteurs dans un tore de 200 mm de diamètre
(alors que un diamètre de tore de 50 mm était suffisant) et en utilisant un manchon magnétique, le rapport 1/1000 devient 1/30000.

Fig. F74 – Mesures pour réduire le rapport de sensibilité

Choix des caractéristiques d’un interrupteur différentiel (ID)

Correspondance : CEI 60364-5-53 § 535.2.2 et NF C 15-100 § 535.3.2

Courant assigné

La norme CEI 60364-5-53 (§ 535.2.2) définit les règles.

Le courant assigné d’un interrupteur différentiel est choisi en fonction du courant maximum qui doit le traverser :

• si l’interrupteur différentiel est placé en série et en aval d’un disjoncteur, le courant assigné des 2 appareils est le même soit (cf. Fig. F75a) : In ≥ In1,
• si l’interrupteur différentiel est placé en amont d’un groupe de disjoncteurs, le courant assigné est ≥ (cf. Fig. F75b) : In ≥ ku x ks (In1 + In2 + In3 + In4).

Exigences de tenue électrodynamique

La protection contre les courts-circuits d’un interrupteur différentiel doit être assurée par un Dispositif de Protection contre les Courts-Circuits (DPCC) placé en amont.

La coordination entre les interrupteurs différentiels et les DPCC est nécessaire ; les constructeurs fournissent en général des tableaux d’association de DPCC et d’interrupteurs différentiels.

Fig. F75 – Interrupteurs différentiels associés à des disjoncteurs

Choix des DDR pour des circuits avec variateur de vitesse

Les variateurs de vitesse sont de plus en plus utilisés pour alimenter les moteurs asynchrones. En effet ils procurent de multiples avantages : un courant de démarrage limité (environ 1,5 fois le courant nominal), une large plage de réglage de la vitesse avec possibilité de survitesse, une facilité de freinage électrique, l’inversion de sens de marche, etc.

Pour cela ces dispositifs électroniques comportent un premier circuit de redressement pour obtenir un courant continu qui est ensuite modulé par un second circuit afin de faire varier la fréquence et la puissance disponible pour l’alimentation des moteurs.

Le fonctionnement des DDR avec des variateurs de vitesse doit donc prendre en compte la présence éventuelle de composante continue et de courants à fréquence variable.

La norme NF C 15-100/A1, prenant en compte cette difficulté, impose un choix de DDR en fonction des conditions d’installation et du type de variateur. Le tableau de la Figure F76 précise ce choix.

	Protection contre les contacts indirects			Protection complémentaires contre les contacts directs
Alimentation du variateur	Triphasée		Monophasée	Triphasée		Monophasée
Caractéristiques du matériel et de l'installation	Sans double isolement sur l'étage à courant continu	Avec double isolement sur l'étage à courant continu	Avec ou sans double isolement sur l'étage à courant continu	Sans double isolement sur l'étage à courant continu	Avec double isolement sur l'étage à courant continu	Avec ou sans double isolement sur l'étage à courant continu
TT (IT avec des masses non interconnectées)	Type B (≥ 300 mA)	Type A (≥ 300 mA)		Type B (30 mA)	Type A (30 mA)
TN-S	Type A (≥ 300 mA)
IT

[a]  Le défaut d'isolement s'apparente à un court-ciruit. Le déclenchement doit normalement être assuré par la protection contre les courts-circuits, mais l'utilisation d'un DDR est recommandée en cas de risque de non déclenchement des protections à maximum de courant.

Fig. F76 – Choix du DDR en fonction du SLT et du type de variateur (d’après le tableau 55A de la norme NF C 5-100/A1 § 553.2.6)

Il est aussi conseillé de :

• ne raccorder qu’un seul variateur par DDR,
• prévoir un DDR comme mesure de protection complémentaire contre un contact direct lorsque la résistance de freinage est accessible.