DOSSIER Ne es équipements de mise à la terre et de protection par

DOSSIER
Ne
es équipements de mise à la terre
et de protection
par Bernard LACROIX et Jean-François ROUDAIRE, Continentale d'équipements électriques (CEE),
et Jean-Francis FALTERMEIER, SN Transfix.
Mots clés :
MT, HTA, HTB,
Neutre.
Des technologies modernes
de réalisation des équipements
de puissance, et des automatismes
de protection, permettent désormais
d'adopter des régimes de neutre dans
lesquels le courant actif est limité
à de faibles valeurs.
RAPPELS SUR LE CHOIX DU RÉGIME
DE NEUTRE DES RÉSEAUX DE
DISTRIBUTION TRIPHASÉS
De manière générale, l'objectif poursuivi lors de la déter-
mination du régime de neutre d'un réseau de distribution
est d'assurer l'élimination rapide et sélective des défauts,
d'une part en limitant les contraintes thermiques et électro-
dynamiques des matériels, et d'autre part en respectant les
contraintes d'isolement et d'induction sur les supports de
télécommunication. Il est, de plus, important que le choix
effectué soit compatible avec une localisation des défauts
et une sensibilité suffisante aux défauts résistants.
Les critères d'étendue des réseaux, de densité des abon-
nés et de nature des terrains, ont pu conduire les exploitants
de par le monde aux solutions les plus variées, depuis le
neutre direct à la terre, où seule la réactance du transforma-
teur limite le courant homopolaire, jusqu'au neutre isolé,
où le courant de défaut ne circule qu'à travers les capacités
à la terre des conducteurs.
LES ÉQUIPEMENTS DE MISE À LA TERRE
DU NEUTRE
Exemples d'impédances de neutre
Entre les deux cas extrêmes évoqués précédemment, qui
sont le neutre directement mis à la terre et le neutre isolé,
se situent différents modes intermédiaires, faisant appel à
des équipements variés dont nous nous bornerons à présen-
ter des exemples courants :
Les résistances de point neutre (RPN), les bobines
de point neutre fixes (BPN), les montages mixtes
RPN et BPN et les bobines de Petersen sont parmi
les équipements les plus courants de mise à la
terre du neutre.
L'électronique a joué un rôle important dans l'évo-
lution de la réalisation des équipements de protec-
tion (à temps inverse, directionnels ou wattmé-
triques) et a contribué à la mise au point d'auto-
mates pour la gestion de l'impédance de compen-
sation.
This article discusses some of the most commonly
used neutral point earthing devices (neutral point
resistors, fixed neutral point earthing reactors,
combinations of these two systems, and Petersen
reactors).
It also examines recent developments in electronic
protection devices (reverse phase, directional,
watmeter) and automatic systems for controlling
compensation inductance.
Les résistances de point neutre (RPN)
Insérées entre le neutre de l'enroulement secondaire du
transformateur HT/MT et la terre du poste source, ces
résistances sont définies pour limiter le courant de défaut
phase-terre à une valeur acceptable du point de vue de la
sécurité, tout en permettant aux dispositifs de détection
ampèremétriques d'assurer leur fonction.
Les résistances de point neutre sont généralement utili-
sées dans le cas de réseaux peu capacitifs, c'est-à-dire
aériens ou de faible étendue.
Les bobines de point neutre fixes (BPN)
Destinées à compenser de façon forfaitaire le courant
capacitif résiduel du réseau qu'elles équipent, ces impé-
dances sont fréquemment réalisées au moyen d'un transfor-
mateur triphasé comportant un enroulement primaire cou-
REE

LE RÉGIME DU NEUTRE EN MOYENNE TENSION
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1. Résistance de point neutre utilisée sur les réseaux aériens
20 kvfraiiçciis - tension assigiiée : 20IV3 kV - courant
traversant 300 A sous pleine tension siiiiple (40 oliiiis) durant
5 secondes.
plé en zig-zag dont le neutre sorti est relié à la terre, et
accessoirement un enroulement secondaire basse tension
permettant l'alimentation d'auxiliaires de poste.
Le même appareil réalise ainsi les fonctions suivantes :
- création d'un point neutre artificiel, permettant de
s'affranchir des problèmes liés à l'utilisation du neutre du
transformateur de puissance HT/MT,
- limitation du courant de défaut phase-terre, grâce à une
compensation partielle du courant capacitif résiduel du
réseau,
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2. Bobiue de point neutre à enroulerneut zig-zag, immergée
dans l'huile minérale, courammertt utilisée sur les réseaux
urbains,frauçais - tension assigr2ée MT 20 kV - courant
dans le neutre sous défaut phase-terre franc 1 000 A -
facteur de qualité environ 5,5 - niasse globale 1200 kg.
3. Transformateur de point neutre réalisé pour l'Afrique -
tension assignée MT 33 kV - tension assignée de
l'eiii-ouleiiieiit secondaire BT 415 V - courant dans le
neutre MT sous défaiitfraizc phase-tet-i-e 525 A, 30 secondes
-,fàctelit- de tjiialité environ 12 - puissance disponible sur
l'eii-otileiiient secondaire 500 kVA ev pernaanence
(alimentation d'un réseau BT local) - iiasse globale
3 400 kg.
- maîtrise du courant actif dans le défaut, au travers du
facteur de qualité de l'impédance, en vue de sa détection
par des protections ampèremétriques.
Rappelons que l'intérêt du couplage zig-zag est de pré-
senter une impédance directe élevée (ce qui limite les cou-
rants absorbés en situation normale du réseau), et une
impédance homopolaire faible, dont dépend directement le
courant de neutre en cas de défaut phase-terre.
Les montages mixtes
L'association a posteriori d'une BPN à une RPN peut se
justifier par l'évolution d'un réseau. Ainsi, du fait de
l'enterrement des lignes, une part croissante des réseaux
ruraux 20 kV français présente aujourd'hui la mise en série
de :
- une BPN d'impédance de neutre de valeur (6 + j4O)
ohms,
- une RPN de résistance 40 ohms.
L'intensité de neutre sous défaut franc est d'environ
200 A, avec une compensation de 130 A du courant capaci-
tif (correspondant à env. 40 km de réseau câblé).
Les générateurs homopolaires
Ces impédances, de valeur généralement élevée, sont
constituées d'un transformateur triphasé dont le primaire
est couplé en étoile, avec un neutre sorti relié à la terre au
travers d'un tore de courant. Le secondaire présente un tri-
angle ouvert se refermant sur une résistance BT extérieure
à l'appareil. Parmi les applications courantes de ces maté-
riels, on peut citer le point neutre des sources de secours
des réseaux MT industriels pour lequel le générateur
homopolaire est branché en parallèle au transformateur élé-
vateur BT/MT du groupe électrogène.
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Les équipements de mise à la terre et de protection
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4. Générateur homopolaire - tension as.yigiiée 15 000 V -
courant dans le iielitre MT 4 A en periiatience, 10 A diii-ciiit
30 secondes - iiiasse 380 kg.
Les bobines de Petersen
Largement répandues dans les pays d'Europe du Nord et
du Nord-Est, les bobines de Petersen sont des inductances
variables accordées en permanence à la valeur effective de
la capacité homopolaire du réseau qu'elles équipent. Cet
accord est assuré soit manuellement (cas des réseaux peu
évolutifs), soit de manière automatique. Dans les deux cas,
le réglage de la bobine est considéré optimal quand la ten-
sion homopolaire résiduelle mesurée est maximale. La
technologie la plus couramment utilisée est celle d'une
bobine à bain d'huile, dont le circuit magnétique comporte
un entrefer variable (système à noyau plongeur). L'accord
peut être ainsi réalisé de manière parfaite, ce qui supprime
toute composante réactive du courant dans le défaut.
Associée ou non à une bobine zig-zag de création de
c
neutre, la bobine de Petersen comporte généralement une
c
résistance interne BT alimentée par un enroulement auxi-
liaire.
Lors de l'apparition d'un défaut, la résistance génère une
composante active du courant de neutre qui permet le fonc-
tionnement d'une détection wattmétrique. Une résistance
MT externe de faible valeur peut également être briève-
ment enclenchée en parallèle à la bobine. dans le but de
provoquer le fonctionnement de détecteurs ampèremé-
triques en réseau.
Si l'exploitation est maintenue en situation de défaut, la
résistance interne est automatiquement déclenchée. Dans
ce cas, la bobine de point neutre doit être dimensionnée
pour supporter thermiquement le maintien sous tension,
ceci durant un laps qui peut atteindre plusieurs heures, qui
conduit souvent le concepteur à adopter un facteur de qua-
lité supérieur à 50.
Il est évident qu'une telle machine, immergée dans
c
l'huile minérale, réglable sur une plage comprise par
c b
exemple entre 50 et 300 A, atteint facilement une masse
supérieure à dix tonnes, et, de ce fait, est relativement oné-
reuse.
Contraintes d'exploitation et dimensionnements
L'efficacité des systèmes de protection du réseau, la
sécurité des personnes et des matériels, dépendent de la fia-
bilité des moyens de mise à la terre du neutre. Ceux-ci doi-
vent être parfaitement aptes à supporter des contraintes
d'exploitation sévères, résultant des dizaines de défauts
phase-terre pouvant apparaître annuellement sur un réseau.
Face aux risques de fatigue mécanique et thermique qui en
découlent, des dispositions constructives particulières doi-
vent être adoptées.
Tenue mécanique
La répétitivité des défauts phase-terre sollicite mécani-
quement les enroulements de bobines de point neutre à la
fatigue. Les efforts électrodynamiques sont d'autant plus
importants que le facteur de qualité de la bobine est élevé
(asymétrie de court-circuit). Il faut également mentionner
le cas de l'utilisation de disjoncteurs shunts dans les postes
sources (élimination de défauts fugitifs non auto-extinc-
teurs), dont chaque fonctionnement amène l'impédance à
voir son courant de défaut franc.
A titre d'exemple, la BPN 1 000 A présentée en figure 2
a subi à l'occasion de sa procédure de qualification, 1 000
essais sous pleine tension homopolaire à pleine asymétrie,
d'une durée 200 ms chacun. A l'issue de ces essais, aucune
variation mesurable des caractéristiques n'a été constatée.
Une telle performance a été obtenue grâce notamment à
l'utilisation d'isolants en feuille à haute tenue mécanique,
et à un collage des spires dans les enroulements.
Tenue thermique
La publication CEI 289 admet pour des matériels tels
que les transformateurs et les bobines de point neutre des
températures d'échauffement adiabatique au courant assi-
gné équivalentes à celles définies par la publication CEI
76-5 (par exemple 250 °C dans l'huile), ceci pour une
durée prescrite de tenue thermique pouvant atteindre 10 s.
Dans ces conditions, la consommation du potentiel de vie
de l'appareil peut être relativement rapide, notamment en
cas de défauts répétitifs qui représentent autant de chocs
thermiques pour les enroulements. Il est intéressant de
mentionner à ce sujet l'utilisation de conducteurs émaillés
et d'isolants entre couches d'indice de température élevé
(200 °C), lesquels ont permis de fiabiliser notablement la
tenue des matériels.
Une impédance de compensation adaptée au
futur régime de neutre en France
A l'occasion de la remise en cause du régime de neutre
de ses réseaux ruraux, EDF a consulté des constructeurs
pour l'étude d'une impédance de compensation adaptée à
ses besoins futurs.
Bien que cette impédance ait une fonction identique à
celle des bobines de Petersen décrites précédemment, la

LE RÉGIME DU NEUTRE EN MOYENNE TENSION
particularité de ces besoins justifiait un développement
spécifique, notamment pour les raisons suivantes :
a) 1 000 postes sources sont susceptibles d'être concernés
par le futur régime de neutre compensé ; ces postes sont le
plus couramment équipés de deux transformateurs HT/MT,
d'où un besoin global de 2 000 impédances pour les années
à venir, ce qui représente un investissement considérable ;
b) chaque demi-rame de poste source regroupe typique-
ment 8 départs de longueur développée moyenne comprise
entre 30 et 50 km ; la part souterraine évoluant de façon
croissante, le courant capacitif résiduel tend vers des
valeurs comprises entre 250 et 500 A et peut doubler en cas
de schéma dc reprise de la charge globale par un des deux
transformateurs HT/MT du poste. La puissance d'une
impédance de compensation dépasse alors largement celle
correspondant aux pratiques habituelles en Europe.
A u regard de ces contraintes, Transfix a été amené à
comparer différentes solutions possibles, qui sont : la tech-
nique à noyau plongeur, les bobines à prises et à régleur en
charge, les transformateurs de point neutre, la technique
des bobines à gradins. C est cette dernière option qui a été
retenue pour ses avantages technico-économiques et son
adéquation aux besoins.
La figure 5 présente un prototype développé selon ce
principe, en expérimentation depuis plus d'un an dans la
région de Bayonne.
Cette impédance intègre dans un bain d'huile une bobine
zig-zag de création de neutre et quatre impédances mono-
phasées, dont les valeurs sont en progression géométrique
(40, 80, 160, 320 A). Celles-ci sont couplées en parallèle et
mises en ou hors circuit par l'intermédiaire d'interrupteurs
MT sous vide, sous l'action d'une interface de pilotage qui
exploite l'ensemble des combinaisons possibles pour cou-
vrir la plage de réglage souhaitée.
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21400 V (isoleiiieiit 24 kV) - de neiiire i-égltible de
80 ii 560 A, lai- pas de 40 A eiivii-oiî - teitte theriiiiqtie soiis
pleirre reiisioii siiiple siil) éi-ieure a 30 secoiides (,7lécfïcatioii
5 sec-.) - (@ottrant actij conipt-is eiitre 20 et 30 A - Iiiiiitatioii
de courant de défaut à moins de 40 A - encornbrement
global de 1 800 x 1 200 x 2 050 1111 ? 1 (L X 1 x li) - iii (isse/oa//00 x/200 x 2 030 mm ('L X/X/ - ma.
d'eii,iroji 4 300 kg
Comme on peut le constater, l'encombrement et la masse
ont été particulièrement limités ceci grâce à une optimisa-
tion poussée et des choix technologiques adéquats dans la
réalisation des composants inductifs.
LES PROTECTIONS
ET LES AUTOMATISMES
Il est utile de rappeler quel a été l'apport de l'électro-
nique dans la réalisation des protections.
La technologie électromagnétique, gourmande en éner-
c CI
gie, permettait difficilement la détection sélective de
défauts autres que francs ou très peu résistants, par des
relais à Max de I raccordés en connexion résiduelle sur les
transformateurs de courants des départs. Ceci a conduit à
privilégier les régimes de neutre à fort courant à la terre.
c
La recherche du départ en défaut impose alors générale-
ment l'exécution d'un cycle ouverture/fermeture manuel
successif de chaque départ, jusqu'à disparition du défaut,
signalé par un relais I, disposé sur la liaison de mise à la
terre. Certaines réalisations associant ce relais I. aux auto-
matismes de réenclenchement des départs permettent de
déterminer le départ en défaut automatiquement.
Les technologies électroniques, en améliorant la sensibi-
lité de détection et en permettant le recours à un critère
directionnel le cas échéant, ont permis de réaliser des pro-
tections efficaces pour les réseaux à neutre isolé ou à cou-
rant de neutre fortement limité.
Les protections à temps inverse
Il s'agit de protections de courant sensibles à temps de
c
réponse inverse long.
C'est ainsi que CEE a développé le relais PATR 71 Il
alimenté sur tore, dont la sensibilité est de 0,7 A primaire,
avec une courbe de fonctionnement spécifiée par EDF et
présentée en figure 6.
Il est utilisé en France sur les départs aériens des réseaux
20 kV dont le courant de neutre est limité à 300 ou 150 A.
Son principe de sélectivité implique que le courant capaci-
tif de chaque départ reste inférieur à la moitié du courant
de neutre.
Ce type de protection convient aux mises à la terre du
neutre par résistance limitant le courant à quelques cen-
taines d'ampères.
Les protections directionnelles
Destinées aux réseaux à neutre isolé ou fortement impé-
dant ces protections directionnelles fonctionnent selon un
principe basé sur la mesure du courant homopolaire du
départ et de la phase de ce courant par rapport à celle de la
tension homopolaire générée par le défaut. (Dans un réseau
à neutre isolé, la phase du courant dans le départ en défaut
est à 180'de celle de la somme vectorielle des courants des
départs sains).
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N'2
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Les équipements de mise à la terre et de protection
PROTECTION DE
TERRE RESISTANTE
IPATR OlA5
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1000 (A)
6. Courbe de répor2se de la PATR.
Il existe deux types de réalisation, celle où la grandeur
caractéristique est de type Io - cos (P et celle en I,, avec auto-
risation de fonctionnement par <p.
Il est présenté en figure 7 le schéma et la courbe de fonc-
c
tionnement d'un relais de ce type, l'ITDI développé par
CEE.
Raccordé sur tore la sensibilité de ce relais est de 0,5 A
primaire.
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7. Schérna de i-accorcleiiient du i-eléiis ITDI 7173.
Le Neutre compensé - Protections
wattmétriques
L'évolution des réseaux, le passage en souterrain et
l'extension de certains tronçons en augmentant la capacité
des conducteurs par rapport à la terre, n'a plus permis de
fixer la valeur du courant de défaut par la seule caractéris-
tique du dispositif de mise à la terre, le courant capacitif
pouvant devenir prépondérant dans certains cas et à lui seul
supérieur à des valeurs jugées dangereuses pour la sécurité
des biens et des personnes.
La seule manière de limiter le courant de défaut est alors
d'opposer à ces courants capacitifs un courant de nature
selfique. La mise à la terre du neutre du réseau se fait alors
au moyen d'une bobine dite de Petersen. Si l'accord est
réalisé. le courant de défaut est indépendant de la capacité
du réseau et pratiquement limité à une composante active
définie par la valeur de la résistance parallèle équivalente
de la bobine.
Les principaux avantages de cette solution sont de per-
mettre :
- la maîtrise des surtensions,
- les limitations des phénomènes d'induction,
- la possibilité de maintenir la fourniture,
- l'extinction automatique de l'arc de défaut.
Toutefois, en ce qui concerne ce dernier point, il apparaît
qu'en pratique l'extinction rapide de l'arc ne permet géné-
ralement pas de « brûler » le défaut et il s'en suit des amor-
çages récurrents.c
La protection homopolaire sélective des réseaux com-
pensés impose des performances particulières aux relais de
protection, lesquels doivent être capables de fonctionner
aussi bien sur des défauts permanents résistants que sur des
défauts peu résistants réamorçants, dont le spectre devient
fort éloigné de la fréquence fondamentale du réseau [1] [2].
Le relais What
Basé sur le principe d'un multiplicateur de signaux ins-
tantanés [3], il permet d'obtenir la valeur de la puissance
active homopolaire avec un spectre de réponse allant de
25 Hz à plus de 1 kHz. Satisfaisant au projet de spécifica-
tion fonctionnelle établie par Electricité de France, il offre
une sensibilité de 0,4 W (ce qui correspond à une puissance
de 8 kW sur un réseau 20 kV), c'est-à-dire un seuil de cou-
rant d'environ 2 A pour un réseau avec limitation du cou-
rant homopolaire actif de 20 A. Sa stabilité est assurée par
une compensation en énergie réactive mesurée sur le même
c
principe et permet une mesure correcte de la puissance
active homopolaire avec un courant réactif allant de
- 600 A à + 600 A.
Il dispose également d'une unité de sortie de détection de
défaut « amont » qui fonctionne lors d'un défaut sur un
autre départ, sous réserve d'une capacité suffisante en aval
(quelques km de câbles).
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1 19) (1 85