Cours 1

PROGRAMME DE LA FORMATION
- Rappel sur les réseaux électriques.
- Schéma de liaison à la terre.
- Protection des installations électriques.
RAPPEL SUR LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES
Chapitre 1
HISTOIRE
Alternative ou
continue?
Chapitre 1
HISTOIRE
Pourquoi un réseau
électrique?
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
Les niveaux de tensions des réseaux
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
✓ Les réseaux électriques sont hiérarchisés :
d'une façon générale, la plupart des pays mettent en œuvre :
•
•
•
•
Un réseau de transport THT
220 …….. 800 KV
Un réseau de répartition HTB
60 ……...170 KV
Un réseau de distribution HTA
5 ……... 36 KV
Un réseau de livraison de l'abonné BT 400/230 V
225 KV
60 KV
20 et 22 KV
380/220 V
✓ Cette hiérarchie c'est-à-dire, les niveaux de tensions utilisés varient
considérablement d'un pays à l'autre en fonction des paramètres liés à l'histoire
électrotechnique du pays, ses ressources énergétiques, sa surface et finalement
des critères technico-économiques.
Chapitre 1
HISTOIRE
C’est quoi un réseau
électrique?
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
✓ Ce sont des ouvrages et des matériels - lignes aériennes et souterraines, postes,
câbles, appareillage, transformateurs, parafoudres, etc. - qui, assemblés, forment le
réseau physique ; ouvrages et matériels dont la qualité conditionne très largement celle
du réseau, donc celle de la desserte en électricité de ses clients.
✓ C’est aussi tout un ensemble d’automatismes et de transmission d’informations et de
commandes, ensemble coordonné, donc système nerveux absolument indispensable à la
protection des ouvrages et des matériels, à la robustesse du réseau vis-à-vis des
défaillances internes et des agressions extérieures telles la foudre et les conditions
climatiques extrêmes ;
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
Exigences essentiels du réseau électrique
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
➢ Stabilité
➢ Economie
➢ Continuité du service.
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
TOPOLOGIES DES RESEAUX ELECTRIQUES
Chapitre 1
Topologie des réseaux
Généralité sur le transport et la distribution électrique
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
Schéma de principe de la distribution haute tension - HTA
1. Distribution en «Antenne» ou «Simple dérivation»
▪ Il est principalement utilisé dans les zones rurales, en réseau aérien.
▪ En cas de défaut sur un tronçon de câble ou dans un poste, les utilisateurs sont privés
d'alimentation le temps de la réparation.
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
Schéma de principe de la distribution haute tension - HTA
2. Distribution en «Coupure d'artère» ou en «Boucle»
▪ Il est utilisé en zone urbaine.
▪ En cas de défaut sur un tronçon de câble ou dans
un poste, on isole le tronçon en défaut par
l'ouverture des 2 appareils de protection ou de
sectionnement qui l'encadrent et on réalimente la
boucle en refermant le disjoncteur.
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
Schéma de principe de la distribution haute tension - HTA
3. Distribution en « Double dérivation »
▪ Il est utilisé pour assurer une continuité de
service optimale.
▪ En cas de défaut sur l'une des lignes,
l'alimentation de l'abonné est permutée sur la
seconde.
▪ Les deux arrivées sont différentes mais peuvent
être issues du même poste source.
On ne peut se connecter sur les deux arrivées en
même temps grâce au verrouillage mécanique
présents entre A1 & A2.
Généralité
sur le transport
et la distribution
Chapitre Exemple
1
Schéma de principe
de la distribution
haute tension
en boucle électrique
- HTA
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
Exemple d’exploitation du réseau à coupure d’artères
Chapitre 1
Généralité sur le transport et la distribution électrique
Exemple d’exploitation du réseau à coupure d’artères
LES CELLULES FONCTIONNELLES
- Cas d’etude -
Sectionneur ?
Interrupteur ?
Disjoncteur ?
CAS D’ÉTUDES
PRODUCTION
P.T
SCHÉMA DE LIAISON À LA TERRE
C’est quoi une masse ?
LES RISQUES LIÉS AU COURANT ÉLECTRIQUE
Contact direct
Contact indirect
Schéma de liaison à la terre
(SLT)
Schéma de liaison à la terre
Schéma TT
Dans ce type de schéma, dit de « neutre à la terre » :
Le neutre de la source est relié à une prise de terre distincte de celle des masses
toutes les masses doivent être reliées à un même système de mise à la terre dédié à
l’installation.
Schéma de liaison à la terre
En présence d’un défaut d’isolement, apparition du courant de défaut Id:
Schéma de liaison à la terre
EXERCICE D’APPLICATION:
Calculer la limite supérieure de la résistance de la prise de terre des masses à ne pas
dépasser en fonction de la sensibilité des DDR et de la tension limite pour :
-
UL= 50V; IΔn= 30 mA.
UL= 50V; IΔn= 300 mA
UL= 50V; IΔn= 500 mA
UL= 25V; IΔn= 30 mA
UL= 25V; IΔn= 300 mA
UL= 25V; IΔn= 500 mA
Schéma de liaison à la terre
Schéma TN
Le principe de ce schéma dit de « mise au neutre » est de transformer tout défaut
d’isolement en court-circuit monophasé phase – neutre.
Dans ce type de schéma :
- Le point neutre BT de chaque source est relié directement à la terre.
- Toutes les masses de l’installation sont reliées à la terre et donc au neutre par le
conducteur de protection PE (avec conducteur de neutre distinct, TN-S) ou PEN
(conducteur de neutre commun, TN-C).
Schéma de liaison à la terre
En présence d’un défaut d’isolement, le courant de défaut Id n’est limité que par
l’impédance des câbles de la boucle de défaut :
Schéma de liaison à la terre
En présence d’un défaut d’isolement, le courant de défaut Id n’est limité que par
l’impédance des câbles de la boucle de défaut :
Pour les réseaux 230/400 V, cette tension de l’ordre de Uo/2 (si RPE = Rph) est
dangereuse car supérieure à la tension limite de sécurité
Schéma de liaison à la terre
Pour que la protection assure bien sa fonction, il faut Ia < Id, d’où l’expression de Lmax,
longueur maximale autorisée par la protection ayant pour seuil Ia :
Lmax =0,8Uo Sph/ρ (1+m) Ia. Avec:
- Lmax : longueur maximale en m ;
- Uo : tension simple 230 V pour un réseau triphasé 400 V ;
- ρ : résistivité à la température de fonctionnement normal ;
- Ia : courant de coupure automatique :
- m= Sph/SPE
IMPORTANT:
Si la ligne est d'une longueur supérieure à Lmax, il faut soit diminuer Ia, soit augmenter SPE,
soit mettre en œuvre un Dispositif Différentiel Résiduel (DDR). (seulement pour le TNS)
Schéma de liaison à la terre
Schéma de liaison à la terre
Schéma IT
Dans ce type de schéma dit « à neutre isolé », le neutre du transformateur est :
- Soit isolé de la terre (neutre isolé)
- Soit relié à la terre par une impédance élevée (neutre impédant), toutes les
masses de l’installation sont reliées à la terre.
Schéma de liaison à la terre
RL1
Id
Rd
L1
RPE
V
Liaisons entre
prise de terre
RB
N
CPI
 100 k
RA
UC
Schéma de liaison à la terre
Vue l’impédance importante du CPI, la tension V se retrouve à ses bornes laissant ainsi
une tension Uc très faible.
Dans le cas d’un 1er défaut, aucun danger n’est présent .
V
V
140

=
= 0,14mA
Id =
 R R CPI 100000
Schéma de liaison à la terre
Exemple de coexistence entre les divers
SLT.
PROTECTION DES
INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES
LEXIQUE
Introduction
Les buts visés par les dispositifs de protection sont multiples :
▪ Participer à la protection des personnes contre les dangers électriques,
▪ Éviter les détériorations de matériel (un court-circuit triphasé sur un jeu de barres moyenne tension peut
faire fondre jusqu’à 50 kg de cuivre en 1seconde ; la température de l’arc peut dépasser en son centre 10 000 °C),
▪ Limiter les contraintes thermiques, diélectriques et mécaniques auxquelles sont soumis ces
matériels,
▪ Préserver la stabilité et la continuité de service du réseau,
▪ Protéger les installations voisines (par exemple, réduire les tensions induites dans les circuits proches)
Introduction
▪ Un système de protection doit avoir des qualités de rapidité, sélectivité et fiabilité.
▪ Il faut être conscient des limites de la protection : les défauts doivent tout d’abord se produire
pour qu’elle agisse.
▪ La protection ne peut donc empêcher les perturbations ; elle ne peut que limiter leurs effets
et leur durée.
▪ Le choix d’une protection est souvent un compromis technico-économique entre la sécurité
et la disponibilité de l’alimentation en énergie électrique.
Introduction
ETUDE DES PROTECTIONS D’UN RÉSEAU
L’étude des protections d’un réseau se décompose en 2 étapes distinctes :
▪ La définition du système de protection, encore appelée plan de protection,
▪ La détermination des réglages de chaque unité de protection, encore appelée coordination
des protections ou sélectivité.
Introduction
DÉFINITION DU SYSTÈME DE PROTECTION
C’est le choix des éléments de protection et de la structure globale de l’ensemble, de façon
cohérente et adaptée au réseau.
Le système de protection se compose d’une chaîne constituée des éléments suivants :
▪ Capteurs de mesure – courant et tension – fournissant les informations de mesure
nécessaires à la détection des défauts,
▪ Relais de protection, chargés de la surveillance permanente de l’état électrique du
réseau, jusqu’à l’élaboration des ordres d’élimination des parties défectueuses, et leur
commande par le circuit de déclenchement,
▪ Organes de coupure dans leur fonction d’élimination de défaut : disjoncteurs,
interrupteurs-fusibles, contacteurs-fusibles.
Introduction
LE PLAN DE PROTECTION
Le plan de protection définit les dispositifs de protection contre les principaux défauts
affectant les réseaux et les machines :
▪ Les court-circuit, entre phases et phase-Neutre,
▪ Les surcharges,
▪ Les défauts propres aux machines tournantes.
Pour établir un plan de protection, les paramètres suivants sont à prendre en compte :
▪ L’architecture et la taille du réseau et ses différents modes d’exploitation,
▪ Les schémas de liaison à la terre,
▪ Les caractéristiques des sources de courant et leurs contributions en cas de défaut,
▪ Les types de charges,
▪ Le besoin de continuité de service.
LES DISJONCTEURS
I- Les différents types des disjoncteurs
- Les disjoncteurs magnétiques, qui assure la protection contre les court-circuit,
- Les disjoncteurs thermiques, qui assure la protection contre les surcharges,
- Les disjoncteurs magnétothermiques, qui assure la protection contre les court-circuit
ainsi que les surcharges,
- Les disjoncteurs électroniques, qui réalisent les fonctions des déclencheurs thermiques
et / ou magnétiques, tout en disposant d’une large plage de réglage (du niveau de
déclenchement, du délai de déclenchement),
- Les interrupteurs et les disjoncteurs magnétothermiques différentiels, qui assurent la
protection contre les court-circuit, les surcharges et la protection des personnes contre les
contacts indirects.
Les disjoncteurs
LES COURBES DE DÉCLENCHEMENT
Courbe de déclenchement du relais thermique
Cette courbe montre que le déclenchement du relais thermique:
▪ Dépend énormément du temps,
▪ Et que le disjoncteur ne peut déclencher instantanément, il lui faut un certain laps de
temps pour s'ouvrir.
Les disjoncteurs
LES COURBES DE DÉCLENCHEMENT
Courbe de déclenchement du relais magnétique
Cette courbe montre que le déclenchement du relais magnétique:
▪ Ne dépend peu du temps, au delà d'une certaine intensité (Im) et quel que soit le
temps, on a le déclenchement,
▪ Et permet de ne pas laisser passer des pointes de courant (plusieurs fois In).
Les disjoncteurs
LES COURBES DE DÉCLENCHEMENT
Cette courbe regroupe les deux précédentes afin obtenir la courbe complète de
déclenchement du disjoncteur. Elle indique que si on se trouve à droite et /ou au
dessus de la courbe, on aura déclenchement.
Les disjoncteurs
LES COURBES DE DÉCLENCHEMENT
Les disjoncteurs
LES COURBES DE DÉCLENCHEMENT
Courbe B
Le disjoncteur a un déclenchement magnétique relativement bas et permet d’éliminer
les courts-circuits de très faible valeur.
Elle assure la protection des générateurs, des personnes et des câbles de grandes
longueurs de câbles en régime TN et IT.
Courbe C
Elle assure la protection des câbles alimentant des récepteurs classiques( Installations
domestiques).
Courbe D
Elle assure la protection des circuits et des câbles où il existe de très fortes pointes de
courant à la mise sous tension (ex: moteurs).
Les disjoncteurs
LES COURBES DE DÉCLENCHEMENT
Courbe MA
Elle assure la protection des démarreurs de moteurs.
Courbe K
Elle assure la protection des câbles alimentant des récepteurs à fort courant d’appel
Courbe Z
Elle assure la protection des circuits électroniques.
SÉLECTIVITÉ AVEC LES DISJONCTEURS
DE PUISSANCE BASSE TENSION
Qu'est ce que la sélectivité ?
C'est la coordination des dispositifs de coupure automatique pour qu'un défaut survenu
en un point quelconque du réseau soit éliminé par le disjoncteur placé en amont.
Immédiatement en amont du défaut et par lui seul !
Qu'est ce que la sélectivité ?
▪ La sélectivité entre deux disjoncteurs A et B est totale si B fonctionne seul pour toute
valeur du courant de court circuit au point où il est placé (IccB).
▪ La sélectivité est partielle si B fonctionne seul jusqu'à un courant de court circuit
présumé Icc inférieur à IccB. Au-delà de cette valeur, A et B fonctionnent
simultanément.
▪ La sélectivité concourt à la continuité de service, qui est une nécessité pour beaucoup
d'entreprises industrielles.
La sélectivité en fonction des types de défaut
Surcharges :
Elle est assurée si, pour toute valeur du courant de
surcharge, le temps de non-déclenchement du
disjoncteur amont D1 est supérieur au temps
maximal de coupure du disjoncteur aval D2 (y
compris le temps d’extinction d’arc). Cette condition
est réalisée en pratique si le rapport Ir1 / Ir2 est
supérieur à 1,6.
La sélectivité en fonction des types de défaut
Courts-circuits :
La sélectivité peut se traiter, en partie, en comparant
les courbes temps/courant, tant que le temps tc est
supérieur à quelques dizaines de millisecondes, ces
courbes sont un instrument insuffisamment précis
pour statuer avec certitude.
En outre, le temps et le courant ne sont alors plus les
seuls critères discriminants. Il faut, selon les cas, tenir
compte du courant crête, de la limitation, ou d’une
combinaison
du
temps
et
du
courant
(par exemple,∫ i²dt ). Il est alors nécessaire de se
reporter aux tableaux de sélectivité publiés par le
constructeur des disjoncteurs concernés.
Les techniques de sélectivité lors des
courts-circuits
▪
▪
▪
▪
▪
Sélectivité ampèremétrique.
Sélectivité chronométrique.
Sélectivité pseudo-chronométrique.
Sélectivité « SELLIM » et sélectivité énergétique.
Sélectivité logique.
SÉLECTIVITÉ AMPÈREMÉTRIQUE
Plusieurs cas peuvent être envisagés :
1- Le disjoncteur aval B n'a pas de pouvoir de limitation.
2- Le disjoncteur aval B possède un pouvoir de limitation.
3- Le disjoncteur amont A est sélectif.
1- Cas où le disjoncteur aval n'a pas de pouvoir de limitation :
Sur court circuit franc aux bornes aval de B, le disjoncteur A est traversé par IccB. La
sélectivité est totale entre A et B si ImA est supérieur à IccB.
Plusieurs cas peuvent être envisagés :
1- Le disjoncteur aval B n'a pas de pouvoir de limitation.
2- Le disjoncteur aval B possède un pouvoir de limitation.
3- Le disjoncteur amont A est sélectif.
1- Cas où le disjoncteur aval n'a pas de pouvoir de limitation :
La sélectivité totale est souvent impossible à réaliser car ImA est inférieur à IccB, dans ce
cas il y a sélectivité partielle
Plusieurs cas peuvent être envisagés :
1- Le disjoncteur aval B n'a pas de pouvoir de limitation.
2- Le disjoncteur aval B possède un pouvoir de limitation.
3- Le disjoncteur amont A est sélectif.
2- Cas où le disjoncteur aval possède un pouvoir de limitation
Pour améliorer la sélectivité, il est intéressant d'utiliser un appareil limiteur en aval. Sur
court circuit franc en aval de B, A n'est plus traversé que par un courant I'ccB inférieur à
IccB. Le courant I'ccB se déduit de IccB à l'aide de la courbe de limitation du disjoncteur B.
La sélectivité peut être totale si ImA > I'ccB.
Plusieurs cas peuvent être envisagés :
1- Le disjoncteur aval B n'a pas de pouvoir de limitation.
2- Le disjoncteur aval B possède un pouvoir de limitation.
3- Le disjoncteur amont A est sélectif.
2- Cas où le disjoncteur aval possède un pouvoir de limitation
Pour améliorer la sélectivité, il est intéressant d'utiliser un appareil limiteur en aval. Sur
court circuit franc en aval de B, A n'est plus traversé que par un courant I'ccB inférieur à
IccB. Le courant I'ccB se déduit de IccB à l'aide de la courbe de limitation du disjoncteur B.
La sélectivité peut être totale si ImA > I'ccB.
Courbe de limitation du disjoncteur B
Plusieurs cas peuvent être envisagés :
1- Le disjoncteur aval B n'a pas de pouvoir de limitation.
2- Le disjoncteur aval B possède un pouvoir de limitation.
3- Le disjoncteur amont A est sélectif.
2- Cas où le disjoncteur aval possède un pouvoir de limitation
Pour améliorer la sélectivité, il est intéressant d'utiliser un appareil limiteur en aval. Sur
court circuit franc en aval de B, A n'est plus traversé que par un courant I'ccB inférieur à
IccB. Le courant I'ccB se déduit de IccB à l'aide de la courbe de limitation du disjoncteur B.
La sélectivité peut être totale si ImA > I'ccB.
Courbe de limitation du disjoncteur B
SÉLECTIVITÉ CHRONOMÉTRIQUE
D1 : disjoncteur à crans de court-retard 0-1-2-3, sélectif aux crans 1, 2 et 3 avec D2.
D2 : disjoncteur instantané à seuil Iins2
SÉLECTIVITÉ LOGIQUE
Elle s'obtient par un système donnant l'ordre de déclenchement en fonction de la
localisation du défaut. A chaque niveau, le relais logique reçoit deux informations. Une
image de l'intensité passant dans le disjoncteur qu'il commande et un signal venant des
disjoncteurs situés immédiatement en aval, lui indiquant si l'un de ces disjoncteurs voit
passer la surintensité.
Le relais émet alors deux ordres, un ordre de déclenchement vers le disjoncteur qu'il
contrôle s'il l'estime nécessaire et une information indiquant ou non qu'il voit passer une
surintensité vers le disjoncteur situé en amont.
SÉLECTIVITÉ LOGIQUE
Dans l'exemple ci dessus, la surintensité sera vue par le relais de Q1 et le relais de Q2.
Dans un premier temps le relais de Q1 reçoit une information du relais de Q2 lui
indiquant qu'il donne l'ordre à Q2 de s'ouvrir pour éliminer la surintensité.
Si Q2 n'ouvre pas suite à une défaillance, le relais de Q1 donnera alors l'ordre à Q1 de
couper.
Ce système de sélectivité nécessite des fils pilotes entre étages et une source auxiliaire
d'alimentation ce qui rend son utilisation difficile en basse tension.
SÉLECTIVITÉ TYPE "SELLIM"
Cette technique (brevet MERLIN GERIN) permettant d'assurer une sélectivité totale met en
œuvre en amont, un disjoncteur limiteur Compact type L équipé d'un déclencheur sélectif
type SB sans aucun réglage de temporisation et en aval, un disjoncteur standard.
Sur court circuit en aval de B, l'onde de courant est très fortement réduite par le pouvoir de
limitation de A et traverse A sans provoquer de déclenchement, laissant au disjoncteur B le
temps de s'ouvrir.
Sur court circuit en aval de A, la première onde de courant est aussi très fortement limitée,
le déclenchement de A n'intervenant que lors de l'apparition de la deuxième onde de courant.
SÉLECTIVITÉ ÉNERGÉTIQUE
Ce nouveau type de sélectivité (1994) est mis en œuvre sur les disjoncteurs de la gamme
Compact NS de chez Merlin Gérin.
Ces appareils sont rapides et fortement limiteurs.
Principe :
L 'énergie que laisse passer le disjoncteur aval doit toujours être inférieure à l'énergie
nécessaire au fonctionnement du disjoncteur amont. Pour cela il faut réunir deux
conditions :
▪ Le rapport des courants assignés des disjoncteurs doit être au moins égal à 2,5.
▪ Le rapport des seuils de réglage de leurs déclencheurs doit être supérieur à 1,6