Schéma TN - Principe

Dans le schéma TN, un point de l'alimentation, généralement le neutre, est mis à la terre à la borne principale, les masses sont mises à la terre à la borne principale au moyen des conducteurs de protection (PE).

La coupure automatique de l'alimentation en schéma TN est réalisée par les dispositifs de protection contre les surintensités ou par les DDR.

Comme indiqué dans le paragraphe Définition des schémas des liaisons à la terre (SLT) normalisés, la manière dont le conducteur neutre est mis à la terre, dépend du type de SLT à mettre en œuvre : schéma TN-S, schéma TN-C ou schéma TN-C-S. Dans la Fig. F18 représentant le schéma TN-C, le conducteur neutre agit à la fois comme conducteur de protection de terre et comme conducteur neutre (PEN). Dans tous les schémas TN, tout défaut d'isolement à la terre se traduit par un court-circuit phase-neutre. Les niveaux élevés de courant de défaut permettent d'utiliser une protection contre les surintensités pour assurer la protection des personnes contre les contacts indirects, cependant pendant le temps, très court, avant coupure, la tension de contact peut atteindre des valeurs excédant 50% de la tension phase-neutre.

En pratique, pour les réseaux de distribution de services publics, les prises de terre sont normalement installées à intervalles réguliers le long du conducteur de protection (PE ou PEN) du réseau, tandis que l’utilisateur est souvent tenu d'installer une prise de terre au point de livraison.

Pour les installations de grande dimension, des mises à la terre additionnelles réparties sur l'ensemble des locaux, sont souvent réalisées afin de réduire autant que possible les tensions de contact.

Dans les immeubles de grande hauteur (IGH), toutes les éléments conducteurs sont connectés au conducteur de protection à chaque étage.

Afin d'assurer une protection adéquate, le courant de défaut à la terre :

[math]\displaystyle{ {I_d}=\frac{U_o}{Z_s} }[/math] ou [math]\displaystyle{ 0,8\frac{U_o}{Z_c} }[/math]

Il doit être supérieur ou égal à I_a, où :

• I_d = intensité de défaut.
• U₀ = tension nominale phase-neutre.
• I_a = courant assurant le fonctionnement du dispositif de protection dans le temps spécifié.
• Z_s = impédance de la boucle de défaut, égale à la somme de toutes les impédances parcourues par le courant de défaut (source, conducteurs actifs et conducteurs de protection jusqu'au point de défaut).
• Z_c = impédance de boucle du circuit en défaut (voir Méthode conventionnelle).
• I_a = courant égal à la valeur requise pour faire fonctionner le dispositif de protection dans le temps spécifié.

Note : l'impédance du circuit de retour à la source au travers de la mise à la terre est (généralement) beaucoup plus élevée que celles mentionnées ci-dessus du fait de la résistance de terre et peut donc être négligée pour le calcul du courant de défaut.

Exemple

(voir Fig. F18)

Fig. F18 – Déconnexion automatique en schéma TN.

La tension de défaut [math]\displaystyle{ U_d=\frac{230}{2}=115\ V }[/math] est dangereuse.

L'impédance de la boucle de défaut [math]\displaystyle{ Z_S = Z_{AB} + Z_{BC} + Z_{DE} + Z_{EN} + Z_{NA} }[/math].

Si Z_BC et Z_DE sont prédominantes, alors :

[math]\displaystyle{ Z_s=2\rho\frac{L}{S}=64,3\ m\Omega }[/math]

d'où :

[math]\displaystyle{ I_d=\frac{230}{64,3\times{10^{-3} } }=3576 A }[/math] (≈ 22 I_n sur la base d'un disjoncteur NSX 160).

Les seuils de déclenchement des protections Instantané et Court retard du disjoncteur Compact NSX 160 sont bien inférieurs à la valeur du courant de court-circuit, de ce fait un déclenchement certain avec un temps de coupure très court est assuré inférieur au temps de coupure requis (0,4 s). Le seuil de déclenchement instantané I_a du Compact NSX 160 est bien inférieur à cette valeur ; il s'ouvrira dans le temps requis (0,4 s).

Remarque : certaines autorités basent ces calculs sur l'hypothèse qu'une chute de tension de 20% se produit dans la partie de la boucle d'impédance BANE.

Cette méthode, qui est recommandée, est expliquée dans le paragraphe Méthode conventionnelle et dans cet exemple donnera un courant de défaut estimé de :

[math]\displaystyle{ \frac{230\times{0,8}\times{10^3} }{64,3}= 2816 A }[/math] (≈ 18 I_n)

La méthode conventionnelle décrite dans le guide NF C 15-105 fait l’hypothèse que les impédances amont réduisent la tension de 20 %. Elle indique donc un courant de valeur :

[math]\displaystyle{ \frac{230\times{0,8}\ }{64,3}= 2816 A }[/math] (≈ 18 I_n)

Temps maximal de coupure

La norme CEI 60364-4-41 spécifie le temps de déclenchement maximal des dispositifs de protection utilisés dans le schéma TN pour la protection contre les défauts :

• pour tous les circuits terminaux dont le courant nominal ne dépasse pas 32 A, le temps maximal de coupure devra être inférieur à la valeur indiquée dans le tableau de la Fig. F19
• pour les circuits de distribution et les autres circuits, le temps de déconnexion maximal est fixé à 5 s. Cette limite rend possible la sélectivité entre les dispositifs de protection installés sur les circuits de distribution.

Remarque : l'utilisation de DDR peut être nécessaire en schéma TN-S, comme le prévoit la norme CEI 60364. Il est toujours possible d'y recourir en cas de difficulté (extension par exemple), à condition que le conducteur de protection et le neutre soient séparés en amont du DDR.

Correspondance : CEI 60364-4-41 et NF C 15-100-1 partie 4-41

Fig. F19 – Temps maximal de coupure pour des circuits terminaux en tension CA de courant nominal inférieur à 32 A.

U0 (V CA)	T (s)
50 < U0 ≤ 120	0,8
120 < U0 ≤ 230	0,4
230 < U0 ≤ 400	0,2
U0 > 400	0,1

Protection par disjoncteur

(voir Fig. F20)

Le déclencheur Instantané d'un disjoncteur assure l'élimination d'un courant de défaut en moins de 0,1 s.

Fig. F20 – Mise en œuvre de la coupure en schéma TN par disjoncteur.

En conséquence, la condition sur le temps de coupure maximal est automatiquement satisfaite car tous les déclencheurs magnétiques ou électroniques, Instantanés ou Court-retard, conviennent : I_a = I_m.

La tolérance maximale autorisée par sa norme pour son seuil de déclenchement doit cependant être prise en considération. Il suffit donc que le courant de défaut U₀/Z_s ou 0,8 U₀/Z_c déterminé par le calcul (ou constaté sur site) soit supérieur au courant de déclenchement Instantané ou au seuil Court-retard, pour que la coupure soit assurée dans le temps spécifié.

Une protection assurée par un disjoncteur, se vérifie aisément sur les courbes de déclenchement : le courant de défaut doit dépasser le seuil instantané ou de Court retard (I_m).

Protection par fusibles

(voir Fig. F21)

Une protection prévue par fusibles peut ne pas être assurée si l'impédance de boucle de défaut Z_s ou Z_c est supérieure à une certaine valeur.

La valeur du courant qui garantit le bon fonctionnement d'un fusible peut être déterminée à partir d'un graphique de performance courant/temps pour le fusible concerné.

Le courant de défaut U₀/Z_s ou 0,8 U₀/Z_c tel que déterminé ci-avant doit largement dépasser le courant nécessaire pour assurer le bon fonctionnement du fusible.

La condition à observer est donc que :

[math]\displaystyle{ I_a\lt \frac{U_o}{Z_s}\; }[/math] ou [math]\displaystyle{ 0,8\frac{U_o}{Z_c}\; }[/math] comme indiqué dans la Fig. F21.

Fig. F21 – Mise en œuvre de la coupure en schéma TN par fusible.

Exemple : la tension nominale phase-neutre du réseau est de 230 V et le temps de déconnexion maximum indiqué dans Fig. F19 est de 0,4 s.

La valeur correspondante de I_a peut être déterminée à partir du graphique. En utilisant la tension (230 V) et le courant I_a, l'impédance de la boucle complète ou l'impédance de boucle du circuit peut être calculée à partir de :

[math]\displaystyle{ Z_s=\frac{230}{I_a}\; }[/math] ou [math]\displaystyle{ Z_c=0,8 \frac{230}{I_a}\; }[/math]

Ces valeurs d'impédance ne doivent pas être dépassées et même devraient être nettement inférieures afin de garantir une protection contre les contacts indirects correcte par le fusible du fait des tolérances sur les courants de fusion.

Protection au moyen de dispositifs à courant résiduel (non applicable pour TN-C)

L'utilisation de DDR n'est possible qu'en schéma TN-S ou TN-C-S et est interdite en schéma TN-C (norme CEI 60364-4-41 §411.4.5). En schéma TN-C-S, l'utilisation d'un DDR signifie, bien évidemment, que le conducteur de protection (PE) et le conducteur neutre (N) sont séparés en amont du dispositif. Cette séparation est généralement réalisée au point d'entrée du bâtiment.

Les DDR peuvent être utilisés lorsque :

• l'impédance de boucle ne peut pas être déterminée précisément (longueurs difficiles à estimer, présence de matériau métallique à proximité du câblage),
• le courant de défaut est si faible que le temps de déconnexion ne peut pas être atteint à l'aide de dispositifs de protection contre les surintensités.

Le courant nominal de déclenchement des DDR étant de l'ordre de quelques ampères, il est bien en dessous du niveau de courant de défaut. Les DDR sont par conséquent bien adaptés à cette situation.

En pratique, ils sont souvent installés dans les circuits de distribution BT et dans de nombreux pays, la déconnexion automatique des circuits finaux doit être réalisée par des dispositifs à courant résiduel.