Schéma TN - Principe
Principe
La coupure automatique de l'alimentation en schéma TN est réalisée par les dispositifs de protection contre les surintensités ou par les DDR.
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).
Comme indiqué à la page 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. La Figure F12 montre un schéma TN-C : le conducteur neutre est à la fois un conducteur de protection et un conducteur neutre (PEN).
Dans tous les types de schéma TN, un défaut d'isolement[1] est équivalent à un court-circuit phase neutre. Le niveau élevé des courants de défaut permet d'utiliser les dispositifs de 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 des réseaux de distribution publique, des mises à la terre du conducteur de protection (PE ou PEN) du réseau sont normalement réalisées à intervalle régulier tandis que l'utilisateur est souvent tenu de réaliser une mise à la terre au point d'entrée du bâtiment.
Pour des 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), tous les éléments conducteurs sont reliés au conducteur de protection à chaque étage.
Afin d'assurer une protection efficace, le courant de défaut à la terre
[math]\displaystyle{ {Id}=\frac{Uo}{Zs} }[/math] ou [math]\displaystyle{ 0,8\frac{Uo}{Zc} }[/math] doit être ≥ [math]\displaystyle{ Ia }[/math]
avec :
- Uo = tension nominale phase neutre.
- Id = intensité de défaut.
- Ia = courant assurant le fonctionnement du dispositif de protection dans le temps spécifié.
- Zs = 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).
- Zc = impédance de boucle du circuit en défaut (voir "méthode conventionnelle ").
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
(cf. Fig. F12)
La tension de défaut [math]\displaystyle{ U_c=\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 les impédances [math]\displaystyle{ Z_{BC} }[/math] et [math]\displaystyle{ Z_{DE} }[/math] sont prépondérantes, alors :
[math]\displaystyle{ Zs=2\rho\frac{L}{S}=64,3\ m\Omega }[/math] , d’où
[math]\displaystyle{ Id=\frac{230}{64,3\times{10^{-3}}}=3,576 A }[/math] (≈ 22 In en considérant un disjoncteur Compact NSX160).
Les seuils de déclenchement des protections Instantané et Court retard du disjoncteur Compact NSX160 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 (0,4s).
Le seuil de déclenchement instantané Ia du Compact NSX160 est bien inférieur à cette valeur ; il s'ouvrira dans le temps requis (0,4 s).
Note : la méthode conventionnelle décrite dans le guide 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}= 2,816 A (\approx 18 In) }[/math]
Temps maximal de coupure
La norme CEI 60364-4-41 § 411.3.2.3, spécifie le temps maximal de coupure des dispositifs de protection utilisés pour la protection des personnes contre les contacts indirects en schéma TN. Ce temps est fonction de la tension phase-terre égale presque toujours à la tension simple phase-neutre Uo soit :
- 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 Figure F13,
- pour les circuits de distribution et les autres circuits, le temps maximal de coupure est fixé à 5 s. Cette valeur limite rend possible la sélectivité entre les dispositifs de protection.
Note : 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.
| Uo[a] (V) | T (s) |
|---|---|
| 50 < Uo ≤ 120 | 0,8 |
| 120 < Uo ≤ 230 | 0,4 |
| 230 < Uo ≤ 400 | 0,2 |
| Uo > 400 | 0,1 |
[a] Uo est la tension nominale phase-neutre
Protection par disjoncteur
(cf. Fig. F14)
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 (Im).
Le déclencheur Instantané d'un disjoncteur assure l'élimination d'un courant de défaut en moins de 0,1 s.
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 : [math]\displaystyle{ {Ia} = {Im} }[/math]. 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 [math]\displaystyle{ \frac{Uo}{Zs} }[/math] ou [math]\displaystyle{ 0,8\frac{Uo}{Zc} }[/math] 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.
Protection par fusible
(cf. Fig. F15)
Une protection prévue par fusibles peut ne pas être assurée si l'impédance de boucle de défaut Zs ou Zc est supérieure à une certaine valeur.
Le courant Ia qui assure la fusion dans le temps maximal spécifié se détermine à partir de la caractéristique temps/courant.
Il faut alors s'assurer que le courant de défaut [math]\displaystyle{ \frac{Uo}{Zs} }[/math] ou [math]\displaystyle{ 0,8\ \frac{Uo}{Zc} }[/math] déterminé comme ci-dessus, lui est bien supérieur.
La condition est donc [math]\displaystyle{ Ia \lt \frac{Uo}{Zs} }[/math] ou [math]\displaystyle{ 0,8\ \frac{Uo}{Zc} }[/math] comme indiqué sur la Figure F15.
Exemple : La tension phase neutre du réseau est 230 V et le temps maximal de coupure indiqué dans le tableau de la Figure F13 est 0,4 s. La valeur correspondante de Ia à ce temps de 0,4 s peut-être lue sur la caractéristique temps/courant du fusible (cf. Fig. F15). L'impédance maximale de la boucle de défaut Zs ou de la boucle du circuit en défaut Zc est calculée en prenant les valeurs de la tension (230 V) et du courant Ia soit [math]\displaystyle{ Zs = \frac{230}{Ia} }[/math] ou [math]\displaystyle{ Zc= 0,8\ \frac{230}{Ia} }[/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[2].
Protection au moyen de DDR sur des circuits en schéma TN-S (ou sur la partie TN-S d'un schéma TN-C-S)
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 être précisément déterminée (difficulté pour estimer les longueurs de câble, éloignement du conducteur (PE) et/ou interposition d'éléments ferromagnétiques dans la boucle),
- le courant de défaut est trop faible pour que le temps de coupure des dispositifs de protection contre les surintensités respecte le temps maximal de coupure spécifié en schéma TN (cf. Fig. F13). Les sensibilités des DDR, de l'ordre de quelques milliampères à quelques ampères, sont très largement inférieures à l'intensité du courant de défaut. De ce fait, les DDR[3] sont toujours parfaitement adaptés à la protection des personnes en schéma TN.
En pratique, les DDR sont souvent installés sur des circuits de distribution et, dans beaucoup de pays, les DDR assurent la protection des personnes des circuits terminaux.
Notes
- ^ En fait s'il s'agit d'un défaut d'isolement dangereux c'est à dire phase-terre. Un défaut du conducteur neutre à la terre n'est pas dangereux (le conducteur neutre étant globalement au potentiel de la terre) donc les dispositifs de protections n'ont pas lieu de déclencher. Cependant, d'un point de vue fonctionnel, un schéma TN-S se transforme en schéma TN-C ce qui peut être préjudiciable pour des équipements sensibles, par exemple du fait de la circulation possible de courants harmoniques de neutre dans les conducteurs de terre (voir Courant de court-circuit triphasé en tout point d'une installation BTG.
- ^ La norme CEI 60269 fusible BT définit des balises temps/courant au § 5.6.3. Par exemple, pour un fusible de calibre 16 A, un temps de fusion de 0.1 s correspond à un courant de fusion minimum de 85 A et maximum de 150 A. De plus ces caractéristiques sont définies à 20°.
- ^ si certains DDR sont à déclenchement retardé, le réglage du temps de fonctionnement retardé de ces DDR doit respecter le temps maximal de coupure spécifié par la norme CEI 60364-4-41 (cf. Fig. F13).
