Sensibilité des différentiels (DDR) aux perturbations

Dans certains cas, les caractéristiques de l'environnement peuvent perturber le bon fonctionnement des DDR :

• déclenchement "intempestif" : coupure d'alimentation sans que la situation soit vraiment dangereuse. Ce type de déclenchement est souvent répétitif, ce qui occasionne des inconvénients majeurs et nuit à la qualité de l'alimentation électrique de l'utilisateur,
• non déclenchement en cas de danger. Moins perceptibles que les déclenchements intempestifs, ces dysfonctionnements doivent être examinés avec soin car ils affectent la sécurité des utilisateurs.

Selon la NF C 15-100-1 sous paragraphe 531.3.2.e, tout DDR installé doit avoir un niveau d'immunité minimal aux déclenchements indésirables.

Principaux types de perturbations électriques

Courants de fuite à la terre permanents

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

• soit aux déséquilibres des capacités de fuite 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.

Plus l'installation est étendue, plus sa capacité est élevée, et donc plus le courant de fuite augmente.

Le courant capacitif à la terre est parfois considérablement augmenté par le filtrage des condensateurs associés aux équipements électroniques (automates, technologies de l’information et informatiques, etc.).

En l'absence de données plus précises, le courant de fuite permanent dans une installation donnée peut être estimé à partir des valeurs suivantes, mesurées à 230 V 50 Hz :

• ligne monophasée ou triphasée : 1,5 mA/100 m
• plancher chauffant : 1 mA/kW
• fax, imprimante : 1 mA
• ordinateur, station de travail : 2 mA
• photocopieuse : 1,5 mA

Comme les DDR conformes à la CEI et à de nombreuses normes nationales peuvent déclencher entre 0,5 Ι_Δn et Ι_Δn, pour des courants résiduels supérieurs à 0,5 Ι_Δn, il est recommandé de diviser l'installation en plusieurs circuits pour éviter les déclenchements intempestifs.

Dans des cas très particuliers, comme l'extension ou la rénovation partielle d'installations étendues en IT, les fabricants doivent être consultés.

La NF C 15-100-10 sous-paragraphe 10.1.6.4 recommande d’utiliser un DDR « si » de 30 mA pour le circuit spécifique d’un congélateur.

Les composantes à haute fréquence (harmoniques, transitoires, etc.) sont générées par les alimentations d'équipements informatiques, convertisseurs de fréquences, moteurs avec variateur de vitesse, systèmes d'éclairage fluorescents et la proximité d'appareils de commutation moyenne tension et de batterie de condensateurs d'énergie réactive.

Une partie de ces courants à haute fréquence peut s'écouler vers la terre à travers des capacités de fuite des équipements. Bien qu'ils ne soient pas dangereux pour l'utilisateur, ces courants peuvent toujours causer des déclenchements intempestifs des dispositifs différentiels.

Les DDR de type SI ont une courbe de réponse en fréquence spécifique conçue pour éviter les déclenchements intempestifs lorsque des courants résiduels à haute fréquence non dangereux sont présents.

Mise sous tension

La mise sous tension des condensateurs citée ci-dessus donne lieu à des courants transitoires haute fréquence de très courte durée, similaires à celui représenté en Fig. F53.

L'apparition d'un premier défaut en schéma IT provoque également des courants de fuite à la terre transitoires haute fréquence, en raison de l'élévation soudaine de tension des deux phases saines par rapport à la terre.

Les DDR de type SI présentent un léger retard de déclenchement, permettant de laisser passer ce courant transitoire sans déclenchement intempestif.

Fig. F53 – Onde de courant normalisée 0,5 μs/100 KHz.

Surtensions en 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 HTA, 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 (voir Fig. F54).

Fig. F54 – Onde de courant 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 (voir Fig. F55).

Les DDR de type SI offrent une résistance aux surtensions élevées et peuvent supporter une impulsion de courant de 8/20 µs supérieure à 3 kA.

Fig. F55 – Onde de courant normalisée 8/20 μs.

Influences externes

Tenue au froid

Dans le cas de températures inférieure à -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 à fortes concentrations de produits chimiques ou de poussière

Les alliages spéciaux utilisés pour produire les DDR peuvent être notablement endommagés par la corrosion. La poussière peut également bloquer le mouvement des pièces mécaniques.

Reportez-vous aux mesures à prendre en fonction des niveaux de sévérité définis par les normes dans la section Fig. F56.

Les réglementations définissent le choix de la protection contre les fuites à la terre et sa mise en œuvre.

Le texte de référence principal est CEI 60364-5-51 :

• il fournit une classification (AFx) pour les influences externes en présence de substances corrosives ou polluantes,
• il définit le choix des matériaux à utiliser selon des influences extrêmes.

Correspondance : CEI 60364-5-51 § 512.2 et NF C 15-100-1 paragraphe 512.2.

Fig. F56 – Classification des influences externes selon la norme CEI 60364-5-51.

Présence de substances corrosives ou polluantes (CEI 60364-5-51)		Influence du réseau électrique		Caractéristiques des matériels à mettre en œuvre
		Réseau propre	Réseau perturbé
AF1	Présence négligeable	Protections standard Type AC :	Protections super-immunisées Type A SI :	Normal
AF2	Présence significative d'origine atmosphérique	Protections super-immunisées Type A SI :		Selon la nature des substances (par exemple, la conformité à l'essai de brouillard salin selon la norme CEI 60068-2-11)
AF3	Exposition intermittente ou accidentelle à des substances chimiques corrosives ou polluantes	Protections super-immunisées Type A SI : + protection supplémentaire appropriée (coffret, armoire ou unité fonctionnelle étanches)		Protection contre la corrosion selon les spécifications de l'équipement
AF4	Exposition continue à des substances chimiques corrosives ou polluantes	Protections super-immunisées Type A SI : + protection supplémentaire appropriée (coffret, armoire ou unité fonctionnelle étanches + surpression)		Equipement spécialement conçu en fonction de la nature des substances

Exemples de sites exposés	Influences externes
Métallurgie, aciérie	Présence de soufre, de vapeur de soufre, d'hydrogène sulfuré
Ports de plaisance, ports de commerce, bateaux, bords de mer, chantiers navals	Atmosphères salées, humidité extérieure, basses températures
Piscines, hôpitaux, agroalimentaire	Composés chlorés
Produits pétrochimiques	Hydrogène, gaz de combustion, oxydes d'azote
Elevage	Sulfure d'hydrogène

DDR type SI immunisés contre les déclenchements intempestifs

Les DDR de type SI ont été conçus pour éviter les déclenchements intempestifs en cas de réseau pollué, de coup de foudre, de courants haute fréquence, d'ondes RF, etc. La Fig. F57 ci-dessous indiquent les niveaux d'essais subies par ce type de DDR.

Fig. F57 – Essais d’immunité aux déclenchements intempestifs subis par les DDR de marque Schneider Electric.

Type de perturbation	Ondes d'essais normalisées	Niveau d'essai Acti 9 : iID, iDT40 Vigi, Vigi iC60, Vigi C120, Vigi NG125 type SI
Perturbations permanentes
Harmoniques	1 kHz	Courant de défaut = 8 x I∆n
Perturbations transitoires
Surtension foudre induite	impulsion 1,2/50 µs (CEI/EN 61000-4-5)	4,5 kV entre conducteurs 5,5 kV/terre
Courant foudre induit	impulsion 8/20 µs (CEI/EN 61008)	5 kA crête
Courant transitoire de manœuvre, foudre indirect	0,5 µs/100 kHz "onde circulaire" (CEI/EN 61008)	400 A crête
Fonctionnement du parafoudre en aval, charge de capacité	impulsion 10 ms	500 A
Compatibilité électromagnétique
Commutation de charges inductives, éclairages fluorescents, moteurs, etc.	Salves répétées (CEI 61000-4-4)	5 kV / 2,5 kHz 4 kV / 400 kHz
Éclairage fluorescent, circuits commandés par thyristors	Ondes RF conduites (niveau 4 CEI 61000-4-6) (niveau 4 CEI 61000-4-16)	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

Recommandations concernant l'installation de DDR à tores séparés

Le détecteur de courant résiduel est un circuit magnétique fermé (généralement circulaire) de très grande perméabilité magnétique, sur lequel est enroulée une bobine de fil, l'ensemble constituant un transformateur de courant toroïdal (ou de type circulaire).

En raison de sa perméabilité élevée, toute petite déviation par rapport à la symétrie parfaite des conducteurs entourés par le noyau, et la proximité du matériau ferreux (coffret en acier, châssis, etc.) peuvent affecter suffisamment l'équilibre des forces magnétiques, aux moments de courants d'appel importants (courant de démarrage de moteur, mise sous tension de transformateur, etc.) et provoquer un déclenchement indésirable du DDR.

A moins de mesures particulières, le rapport du courant de fonctionnement Ι_Δn par rapport au courant de phase maximal I_ph (max.) est généralement inférieur à 1/1000.

Cette limite peut être considérablement augmentée (c'est-à-dire que la réponse peut être désensibilisée) en adoptant les mesures indiquées dans la Fig. F58, et résumées dans la Fig. F59.

L = deux fois le diamètre du tore

Fig. F58 – Méthode de réduction du rapport Ι_Δn/I_ph (max.)

Fig. F59 – Moyens de réduction du rapport Ι_Δn/I_ph (max.)

Mesures	Diamètre (mm)	Facteur de diminution de la 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 en acier ou en fer doux	ø 50	4
d'épaisseur de paroi 0,5 mm	ø 80	3
de longueur 2 x diamètre intérieur du tore	ø 120	3
et entourer complètement les conducteurs et dépassant de manière égale le tore de chaque côté	ø 200	2

• Ces mesures peuvent être combinées. En centrant soigneusement les câbles dans un tore de 200 mm de diamètre (alors qu'un tore de 50 mm serait suffisant) et en utilisant un manchon magnétique, le rapport 1/1000 pourrait passer à 1/24000.

Choix des caractéristiques d'un interrupteur à courant résiduel (CEI 61008)

Courant nominal

Le courant nominal d'un interrupteur à courant résiduel (ou interrupteur différentiel) est déterminé en fonction du courant de charge maximal qu'il supportera.

• Si l'interrupteur différentiel est connecté en série avec et en aval d'un disjoncteur, le courant nominal des deux éléments sera le même, c'est-à-dire I_n ≥ I_n1 (voir (a) de Fig. F60.
• Si l'interrupteur différentiel est situé en amont d'un groupe de circuits, protégés par des disjoncteurs, comme indiqué dans (b) de Fig. F60, le courant nominal de l'interrupteur est donné par :

I_n ≥ K_u x K_s (I_n1 + I_n2 + I_n3 + I_n4)

Correspondance : CEI 60364-5-53 § 535.2.2 et NF C 15-100-1 sous-paragraphe 536.4.3.2.

Fig. F60 – Interrupteurs différentiels associés à des disjoncteurs.

Exigences en matière de tenue électrodynamique

La protection contre les courts-circuits doit être assurée par un dispositif en amont (Dispositif de Protection contre les Courts-Circuits DPCC). Il est nécessaire de coordonner les interrupteurs différentiels et les DPCC. Les fabricants fournissent des tableaux associant les interrupteurs différentiels avec des disjoncteurs ou des fusibles.

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 sur-vitesse, 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.

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.

Pour plus de détails voir Influences externes (CEI 60364-5-51 et NF C 15100-1 partie 5-51).

La norme NF C 15-100-1 sous-paragraphe 553.2.6.1, 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 Fig. F60b précise ce choix.

Fig. F60b – Choix du DDR en fonction du SLT et du type de variateur (d’après le tableau 55.1 de la NF C 15-100-1 sous-paragraphe 553.2.6.1).

	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