Réalisation et mesure des prises de terre

La qualité d'une prise de terre (résistance aussi faible que possible) est essentiellement fonction de deux facteurs :

• mode de réalisation,
• nature du sol.

La meilleure des solutions de réalisation d'une prise de terre est la boucle à fond de fouille.

Modes de réalisation

Trois types de réalisation sont couramment retenus :

Boucle à fond de fouille

(cf. Fig. E21)

Cette solution est notamment conseillée pour toute construction nouvelle.

Elle consiste à placer un conducteur nu sous le béton de propreté, ou enfoui à 1 m au moins sous la terre en dessous de la base du béton des fondations des murs extérieurs.

Il est important que ce conducteur nu soit en contact intime avec le sol (et non placé dans du gravier, du mâchefer ou des matériaux analogues formant souvent l’assise du béton). Ni la boucle de terre, ni les conducteurs de terre verticaux la reliant à la borne de terre, doivent être en contact avec l’armature du béton armé : cette armature doit être raccordée directement à la borne principale de terre. En règle générale, les conducteurs de terre verticaux reliant une prise de terre à un niveau hors sol doivent être isolés pour la tension nominale des réseaux BT (600 V – 1000 V).

Pour les bâtiments existants, le conducteur à fond de fouille doit être enterré tout autour des murs extérieurs des locaux à une profondeur d’au moins 1 mètre.

Fig. E21 – conducteur posé à fond de fouille

Le conducteur peut être :

• en cuivre : câble (≥ 25 mm²) ou feuillard (≥ 25 mm² et épaisseur ≥ 2 mm),
• en aluminium gainé de plomb : câble (≥ 35 mm² ),
• en acier galvanisé : câble (≥ 95 mm²) ou feuillard (≥ 100 mm² et épaisseur ≥ 3 mm).

La résistance obtenue est (en ohms) :

[math]\displaystyle{ \mbox{R}=\frac{2\rho}{\mbox{L}} }[/math]

avec

L = longueur de la boucle (m)

ρ = résistivité du sol en ohm-mètres (cf. "Influence de la nature du sol" ci-dessous)

Piquets

(cf. Fig. E22)

La résistance avec n piquets est : [math]\displaystyle{ \mbox{R}=\frac{1\rho}{\mbox{nL} } }[/math]

La boucle à fond de fouille peut être remplacée par plusieurs piquets, c'est notamment le cas pour les bâtiments existants, voire pour améliorer une prise de terre existante.

Le piquet peut être :

• en cuivre ou (plus couramment) en acier cuivré. Ces piquets sont de 1 à 2 mètres de longueur et munis d'une prise et d'une terminaison filetée afin d'atteindre des profondeurs importantes si nécessaires (par exemple, le niveau de nappes d'eau dans des lieux à sols très résistifs),
• constitués de tubes en acier galvanisé de diamètre ≥ 25 mm ou de barres de diamètre ≥ 15 mm et de longueur ≥ 2 mètres dans les 2 cas.

Fig. E22 – piquets connectés en parallèle

Il est souvent nécessaire d'utiliser plusieurs piquets. Ceux-ci doivent toujours être distants 2 à 2 de plus de 2 à 3 fois la profondeur d'un piquet. La résistance résultante est alors égale à la résistance unitaire divisée par le nombre de piquets.

La résistance obtenue est :

[math]\displaystyle{ \mbox{R}=\frac{1\rho}{\mbox{nL}} }[/math] si la distance séparant 2 piquets est > 4L

avec

L = longueur du piquet (m)

ρ = résistivité du sol en ohm-mètres (cf. "Influence de la nature du sol" ci-dessous)

n = nombre de piquets

Plaques verticales

(cf. Fig. E23)

Ces plaques sont soit carrées, soit rectangulaires (l ≥ 0,5 m). Elles doivent être enterrées de telle façon que leur centre soit au moins à 1 m de la surface.

Les plaques peuvent être :

• en cuivre de 2 mm d'épaisseur,
• en acier galvanisé de 3 mm d'épaisseur.

La résistance obtenue est :

[math]\displaystyle{ \mbox{R}=\frac{0.8\rho}{\mbox{L}} }[/math]

avec

L = périmètre de la plaque (m)

ρ = résistivité du sol en ohm-mètres (cf. "Influence de la nature du sol" ci-dessous).

Fig. E23 – Plaques verticales - épaisseur 2 mm (Cu)

Influence de la nature du sol

La mesure d'une prise de terre dans un terrain analogue est utile pour déterminer la résistivité à utiliser pour définir une prise de terre.

Fig. E24 – Résistivité (Ωm) de différents terrains (d'après NF C 15-100)

Nature du terrain	Résistivité en Ωm
terrains marécageux	1 à 30
limon	20 à 100
humus	10 à 150
tourbe humide	5 à 100
argile plastique	50
marnes et argiles compactes	100 à 200
marnes du jurassique	30 à 40
sables argileux	50 à 500
sables siliceux	200 à 300
sol pierreux nu	1 500 à 3 000
sol pierreux recouvert de gazon	300 à 500
calcaires tendres	100 à 300
calcaires compacts	1 000 à 5 000
calcaires fissurés	500 à 1 000
schistes	50 à 300
micashistes	800
granit et grès	1 500 à 10 000
granit et grès très altérés	100 à 600

Fig. E25 – Valeurs moyennes de la résistivité (Ωm) pour faire un calcul approximatif des prises de terre

Nature du terrain	Résistivité en Ωm
terrains arables gras, remblais compacts humides	50
terrains arables maigres, graviers, remblais grossiers	500
sols pierreux, nus, sables secs, roches perméables	3,000

Constance et mesure de la résistance de prise de terre

La résistance des prises de terre varie dans le temps

Ceci est dû à plusieurs facteurs :

• L'humidité du sol.

  L'influence des conditions saisonnières se fait sentir jusqu'à une profondeur de 1 à 2 m.

  A une profondeur de 1 m, la variation de ρ et donc de R peut être de 1 à 3 entre un hiver humide et un été sec.

• Le gel.

  Il peut élever la résistivité de la terre gelée de plusieurs milliers d'ohms, d'où l'intérêt des prises de terre profondes dans les pays froids

• Le vieillissement.

  Le matériau constituant la prise de terre peut être détérioré par divers effets physiques :

  • chimique si la terre est alcaline,
  • facteur galvanique du fait de courant continu vagabond (chemin de fer) etc. ou dû à différents métaux formant les couches superficielles de la prise de terre.

    Des couches de terrain de différentes natures agissant sur le même conducteur peuvent aussi créer des zones cathodiques et anodiques avec comme conséquence une disparition de métal en surface du conducteur dans la zone anodique. Malheureusement les conditions les plus favorables pour une résistance de terre de faible valeur (soit un sol à faible résistivité) sont aussi celles pour lesquelles les courants galvaniques peuvent circuler le plus facilement.

• L'oxydation.

  Les raccordements par soudure ou brasage sont les points les plus sensibles à l’oxydation.

  Le nettoyage de ces raccordements et leur enrobage dans de la graisse entourée d’un tissu est une mesure préventive couramment pratiquée.

Mesure de la prise de terre

Il doit toujours exister une "barrette" amovible de mise à la terre afin d' isoler la prise de terre du reste de l'installation et de permettre de mesurer périodiquement la résistance de terre. Pour réaliser cette mesure, il est nécessaire d'utiliser 2 électrodes auxiliaires.

Utilisation d'un ampèremètre (cf. Fig. E26)

[math]\displaystyle{ A = R_T+{R_{t1} } = \frac{U_{Tt1} }{i_1} }[/math]

[math]\displaystyle{ B = R_{t1}+R_{t2} = \frac{U_{t1t2} }{i_2} }[/math]

[math]\displaystyle{ C = R_{t2}+R_T = \frac{U_{t2T} }{i_3} }[/math]

Si la source de tension est toujours la même, on a : [math]\displaystyle{ R_T=\frac{U}{2}\left ( \frac{1}{i_1} + \frac{1}{i_3} - \frac{1}{i_2}\right ) }[/math]

Afin d'éviter des erreurs de mesure dues aux courants vagabonds de terre (courants continus galvaniques ou courants de fuite à la terre des réseaux d'alimentation en énergie, de communication, etc.), les courants de mesures doivent être injectés en courant alternatif à une fréquence différente de celle des réseaux d'alimentation ou de leurs harmoniques.

Les générateurs portatifs du système de mesure fournissent généralement une tension alternative de fréquence comprise entre 85 Hz et 135 Hz. Les mesures sont généralement faites :

• suivant différentes distances entre les électrodes auxiliaires et la prise de terre. Les distances entre les électrodes ne sont pas critiques,
• dans différentes directions autour de la prise de terre à tester pour apprécier l'homogénéité du terrain.

Les résultats des mesures sont ensuite consignés et moyennés.

Fig. E26 – Mesure de la prise de terre avec un ampèremètre

Utilisation d'un ohmmètre de terre

Ces appareils indiquent directement la valeur de la prise de terre. Ils nécessitent la mise en place de deux «électrodes» auxiliaires. L’espacement de celles-ci doit être tel que la zone d’influence de la prise de terre à tester ne doit pas chevaucher celle de l’électrode de test (C).

• L’électrode de test (C) la plus éloignée de la prise de terre (X) fait circuler un courant à la terre qui revient par la prise de terre.
• La seconde électrode de test (P) mesure la tension entre (X) et (P). Cette tension induite par le courant de test caractérise la résistance de contact de la prise de terre avec la terre.
  • Il est clair que la distance entre (X) et (C) doit être choisie avec précaution pour éviter le couplage des terres par chevauchement des zones d’influence. Dés que la distance entre (X) et (C) est suffisamment importante, les zones d’influence ne se chevauchent plus et la courbe de potentiel (tension mesurée par (P) devient proche d’une horizontale autour du point O (milieu de XC).
  • D’un point de vue pratique, la distance (X) entre (C ) est augmentée jusqu’à ce que les tensions mesurées par l’électrode (P) en trois points - soit au point O et en deux autres points situés à approximativement 5 mètres de part et d’autre de O - aient des valeurs similaires.
  • La distance entre (X) et (P) est généralement de l’ordre de 0,68 fois la distance entre (X) et (C).

Fig. E27 – mesure de la résistance de terre de la prise de terre (X) par un ohmmètre de terre

• 

  [a] le principe de la mesure est basé sur des natures de terrain présumées homogène. Si les zones d'influence des électrodes (C ) et (X) se chevauchent, le positionnement de l'électrode (P) est difficile à déterminer pour obtenir des résultats satisfaisants.

• 

  [b] illustration de l'effet sur le gradient de potentiel quand (X) et (C) sont très éloignées. Le positionnement de l'électrode (P) n'est plus critique et peut être facilement déterminé.