Continuité de service : exploitation des installations électriques

Une installation électrique doit respecter les règles de protection des biens et des personnes.
Ces obligations de sécurité impliquent la présence de dispositifs de protection à déclenchements automatiques qui agissent en cas de risque (court-circuit, surcharge, défaut d’isolement…) et conduisent à une indisponibilité partielle de l’installation électrique.
Les conséquences de ces déclenchements peuvent être importantes par des arrêts partiels ou totales d’une exploitation donnant lieu à un dysfonctionnement des opérations en cours.

L’utilisation d’un schéma des liaisons à la terre (SLT) va conditionner la protection des personnes contre les risques de contacts indirects, et de par le choix de ce SLT engendrer des coupures au premier ou au deuxième défaut d’isolement.
Le schéma de liaison à la terre IT (neutre isolé de la terre) est le seul qui permet de concilier la sécurité et la continuité de service des installations électriques.
En présence d’un premier défaut d’isolement, l’installation peut continuer à fonctionner sans danger pour les personnes.

Les conditions d’un SLT IT

En schéma IT, l’installation doit être isolée de la terre (réseau triphasé de grande longueurs, au moins 1 km) ou reliée à la terre à travers une impédance de valeur suffisamment élevée (réseau court).
En cas d’un seul défaut à la masse ou à la terre, le courant de défaut est très faible et la coupure n’est pas nécessaire.
Comme le deuxième défaut provoque l’ouverture du disjoncteur, un contrôleur permanent d’isolement (CPI) doit être prévu pour indiquer l’apparition d’un premier défaut.
Ce dispositif doit informer les équipes de maintenance pour rechercher ce dernier.

Les différents SLT

Les schémas des liaisons à la terre (ou régime de neutre) sont définis par deux lettres :
– La première lettre définit la liaison à la terre du point neutre du transformateur.
– La deuxième lettre définit la liaison à la terre des enveloppe ou des masses.

Il existe 4 SLT :

- TT : Neutre relié à la terre, masses reliées à la terre.
La liaison à la terre est réalisée au niveau de chaque bâtiment.
En présence d’un défaut d’isolement la tension de contact dépend des résistances des liaisons à la terre et peut atteindre des valeurs dangereuses. Le défaut est détecté par un dispositif différentiel résiduel (DDR) qui associé à un disjoncteur ou un interrupteur permet la coupure automatique au premier défaut de l’alimentation électrique. C’est le schéma utilisé en France pour la distribution public. Ce schéma implique simplement un dimensionnement correct des sections des conducteurs avec des protections en adéquations et de respecter une sélectivité ampèremétrique et chronométrique au niveau du choix des DDR.

- TN-C : Neutre relié à la terre, les conducteurs de neutre (N) et de protection (PE) sont confondus pour créer un conducteur PEN, les masses sont reliées au PEN.
Principalement à but économique (économie un conducteur et d’un pôle sur les appareils de protection, pas de DDR), le défaut d’isolement est le résultat d’un court-circuit entre phase et neutre, éliminé par un DPCC au premier défaut (dispositif de protection contre les courts-circuits).
Il est donc impératif pour tous les départs de maîtriser les longueurs et les sections de câbles de manière à vérifier si le courant de court-circuit sera suffisamment important pour solliciter le magnétique de la protection.
Ce schéma est interdit dans les environnements à risques d’explosion, et génère également de forts champs électromagnétiques qui peuvent perturber les courants faibles. De plus pour éviter la montée en potentiel des masses le PEN doit être raccordé à chaque fois que cela est possible à la terre (entrées sorties des bâtiments) ce qui le rend plus facilement piégeable par les courants de foudre.
La section des conducteurs électriques doit rester au moins ≥ 10 mm² en cuivre et ≥ 16 mm² en aluminium pour des risques mécaniques de rupture du conducteur PEN qui ne doit jamais être coupé (la fonction prioritaire du conducteur PEN est la protection).

- TN-S : Neutre relié à la terre, les conducteurs de neutre (N) et de protection (PE) sont séparés, les masses sont reliées au PE.
Le principe de déclenchement est le même qu’en TN-C mais la section des conducteurs doit resté < 10 mm² en cuivre et 16 mm² en aluminium. Le neutre doit être coupé. L’intérêt de ce schéma est de ne pas utiliser de DDR qui peuvent être perturbés par des courants par sympathie (courant de fuites naturellement générés par certains récepteurs, par exemple des alimentations à découpage). Le premier défaut est éliminé par les DPCC et comme les sections de conducteurs sont faibles les intensités de courts-circuits sont faibles aussi. - IT : Neutre isolé ou impédant, les masses sont reliées à un conducteur de protection PE.
En régime IT le neutre du secondaire du transformateur n’est pas relié à la terre et les masses des récepteurs sont reliées à la terre (PE).
En présence d’un défaut d’isolement le courant ne peut pas se reboucler via le neutre du transformateur :
– Pas de tension de contact dangereuse sur les masses métalliques.
– Courants de défaut très faibles.

En présence d’un premier défaut d’isolement, l’installation peut fonctionner sans danger pour les personnes et les équipements.
Il n’y a donc pas de déclenchement des protections.
La détection du circuit défectueux et sa réparation doivent être effectuées avant l’apparition d’un deuxième défaut dans une phase différente du premier défaut car le deuxième défaut provoque un court-circuit entre les phases et donc conduit au déclenchement des protections (DPCC, ajout de différentiels à moyennes sensibilité si le PE est interrompu).
Le neutre doit être protégé en cas de double défaut avec des récepteurs de faible et forte puissance (risque de fusion des conducteurs de sections faibles).

Les avantages du régime IT

– Améliorer la disponibilité de l’énergie :
> Limiter le risque économique du fait de la perte de production.
> Limiter le risque pour les personnes (perte des éclairages, systèmes médicaux, informatiques…).

– Limiter le risque d’incendie :
Beaucoup d’incendies ont pour origine un échauffement important et ponctuel ou un arc électrique provoqué par un défaut d’isolement.
Le risque est d’autant plus important que le courant de défaut est élevé, (un contact ponctuel entre un conducteur et une pièce métallique peut provoquer un incendie lorsque le courant de défaut dépasse 500 mA). Idem pour les risques d’explosion.

– Faciliter la maintenance préventive :
Le régime IT impose la présence d’un CPI (contrôleur permanent d’isolement).
Cette contrainte est aussi le moyen d’avoir une bonne visibilité sur le réseau électrique.
Même en l’absence d’un défaut, le suivi de la résistance d’isolement permet d’identifier une dégradation de l’isolement d’un circuit ou d’un récepteur et donc d’intervenir avant une réelle défaillance.

– Limiter les dégâts du courant électrique :
Si le courant de défaut est élevé, les dégâts, dans l’installation ou dans les récepteurs, peuvent être importants et augmenter les coûts et les temps de réparation.
Les courants de défaut :
– En TT : 5 A < I défaut < 50 A. - En TN : 1 KA < I défaut < 100 KA. - En IT : 70 ma < I défaut < 2 A (circuit très capacitif). Les limites du régime IT

Chaque schéma des liaisons à la terre a ses avantages et ses inconvénients.
Le meilleur compromis est souvent une cohabitation des différents régimes de neutre.
Par exemple dans le milieu industriel les parties non critiques peuvent être en TN ou TT (bureautique, locaux d’usage…) et les parties
critiques en IT (process).
La limite est liée à la dimension du réseau et à sa complexité. Sur un réseau très étendu on va avoir une impédance faible, entre les phases et la terre, liée à la capacité de couplage des câbles et des charges par rapport à la terre (impédance de C, Id = U/Zc).
Au delà d’une certaine limite (plusieurs dizaines de Km) ce réseau devient équivalent à un réseau TT et présente une tension de contact dangereuse en présence d’un défaut d’isolement.
Des capacités trop importantes peuvent remettre en cause l’intérêt du schéma IT : si, au premier défaut, la valeur de l’impédance du réseau par rapport à la terre fait que la tension de contact dépasse 50 V la sécurité des personnes n’est pas assurée.

Un réseau IT devra donc présenter une capacité limitée par rapport à la terre et la présence de récepteurs équipés de filtres HF doit être prise en compte à la conception de l’installation.

La solution est d’afficher la valeur de C pour vérifier que l’on est en deçà de la limite et éviter d’avoir tout un site industriel sur un seul transformateur d’isolement : cohabitation des schémas de mise à la terre en fonction de l’application et/ou îlotage.

Synthèse

Les contrôleurs permanents d’isolement

Il est obligatoire en régime IT.
Les contrôleurs permanents d’isolement (CPI) injectent entre le réseau et la terre une tension continue ou alternative basse fréquence.
Ce courant traverse le CPI qui peut alors le mesurer.
La valeur de l’isolement est déterminée par le calcul à partir de ce courant basse fréquence.
Nota : en régime IT le courant de défaut 50 Hz est difficile à mesurer car il se reboucle par les capacités réparties du réseau.

Le CPI signale le défaut, localement sur sa face avant, en fonction d’un seuil ajustable sur l’appareil.
Il active aussi une sortie relais vers une signalisation visuelle ou sonore.

En fonction de l’appareil il permet aussi :
– D’afficher localement la valeur de la résistance d’isolement.
– D’afficher la valeur de la capacité de fuite du réseau surveillé.
– La mémorisation des alarmes horodatées.
– La communication vers un superviseur.

Schneider Electric propose des solutions efficaces pour la recherche de défauts avec une gamme de CPI adaptée à des applications.
Sur des réseaux avec de nombreux départs, le CPI peut être associé à un localisateur (XD301 – XD312) qui permet d’identifier le départ en défaut.
Ce ou ces localisateurs exploitent le signal 2,5 Hz injecté par le CPI pour déterminer sur quel départ circule le courant de défaut. Il n’y a donc pas de lien entre les localisateurs et le CPI.
Les solutions CPI de Schneider Electric permettent de connaitre la mesure de R et C par départ (XL & XML).

Ces localisateurs peuvent être fixes et raccordés à des tores, qui mesurent le courant injecté, ou mobiles. Ils peuvent prendre en compte 12 départs ou un départ indépendant.
Une version évoluée de ces localisateurs (XL et XML) permet de donner la valeur de l’isolement départ par départ. Cela permet une maintenance plus simple des réseaux étendus.

Les solutions Schneider Electric

Petits réseaux ou îlots : IM10

Un transformateur, pour créer l’îlot IT.
Son neutre n’est pas relié à la terre.
Un CPI pour détecter le premier défaut :
– Il est en général alimenté par le réseau qu’il surveille.
– Il est relié au neutre (ou à une phase) et la terre.
– Un seul réglage : le niveau du seuil de défaut.
– Une seule sortie par un relais (Voyant, klaxon…).

En fonction du modèle, affichage de la valeur de R pour faciliter la maintenance préventive, affichage de la valeur C du réseau, Modbus liaison série, journal des alarmes.

Réseau avec de nombreux départs : IM400

Localisation du défaut et surveillance avancée.
La mise en œuvre de cette architecture est simple car il n’y a pas de liaison entre les différents modules.
Le CPI injecte un courant 2,5 Hz et mesure R et C via ce courant.
Quand le IM400 signale le défaut il faut que le service de maintenance le localise et l’élimine.
Sur un process continu, cette recherche ne peut pas se faire par ouverture des disjoncteurs.
Les modules XD312 mesurent le courant 2,5 Hz dans chaque départ et le comparent à un seuil.
Cela permet ainsi la localisation du défaut sans intervention sur le réseau.

Mesure par départ pour les réseaux à haute criticité

Réseaux étendus et/ou plusieurs bâtiments : Quand le réseau est étendu, l’idéal est d’avoir des îlots IT plus faciles à gérer.
Quand ce n’est pas possible il est intéressant d’avoir les mesures de R et C par bâtiment ou par départ important.

Amélioration de la maintenance préventive : La mesure par départ permet une surveillance permanente de l’évolution de l’isolement par groupe de départs critiques.
Cela permet au service de maintenance d’avoir une meilleure vision de l’ensemble du réseau et d’anticiper.

Mesure par départ
Dans cette architecture, les produits XML assurent à la fois la fonction CPI et la mesure par départ.
L’ensemble des mesures et les alarmes horodatées sont disponibles sur le superviseur.
Le XLI300 assure à la fois l’interface de communication et l’exclusion d’un CPI quand le second disjoncteur est fermé (Dans un réseau avec plusieurs arrivées, il faut s’assurer que, en fonction de la position du disjoncteur, un seul CPI injecte sur le réseau).
Il est possible de coupler cette solution avec la localisation par XD et donc de localiser le défaut plus bas dans l’arborescence de l’installation électrique.

Logiciel Power Monitoring Expert

L’interface XLI 300 permet la communication en Modbus Liaison Série vers un superviseur.
Ce superviseur peut être dédié au contrôle d’isolement ou bien être commun avec le process ou d’autres servitudes. On peut exploiter ces données en local, sur le superviseur, ou à distance via le réseau Ethernet. L’intégration à un système existant est simple car le nombre d’informations à transmettre est limité.

Exemple avec une passerelle Ethernet

Choisir la bonne architecture

Critères de choix
En dehors des cas simples le choix peut être influencé par des particularités du réseau à superviser.
Sur un réseau étendu il est préférable de mesurer la capacité de fuite à la terre.
Besoin d’un seuil de prévention signalant le passage de l’isolement en dessous d’une valeur non critique fixée par l’utilisateur.
Présence de couplage.
Perturbations électriques générées par des récepteurs tels que variateurs de vitesse, onduleurs…

1. Définir le besoin : affichage, localisation du défaut, …
2. Sélectionner les CPI compatibles avec la localisation ou la mesure locale.
3 Sélectionner les localisateurs correspondants (Recherche manuelle, localisateurs XD, mesure locale XML ou XL).
4. Vérifier la nécessité d’une interface.

Le Cardew : Limiteur de surtension

Placé au secondaire du transformateur HTA/BT sur le réseau neutre isolé ou impédant, il préserve les installations BT contre les risques de surtensions.
Il écoule à la terre l’énergie importante issue d’un claquage interne du transformateur ou d’un phénomène atmosphérique de foudre.
Il peut supporter le courant de court-circuit du transformateur.

Si le contrôleur permanent d’isolement signale un défaut franc en permanence, le Cardew est hors service, il faut remplacer la
cartouche dans les plus brefs délais.

Le cardew est raccordé par câble ou barre dont la section est calculée en fonction de la puissance S (apparente) du transformateur.
Sections :

Comment déterminer l’état du limiteur de surtension Cardew ?

La mesure de la tension aux bornes du limiteur de surtension Cardew peut présenter 2 cas de figure.

En cas de différence de potentiel, le limiteur n’est pas hors service.
Cette différence de potentiel résulte de capacités équivalentes et de résistances d’isolement du réseau qui ne sont pas équilibrées.

En cas d’une tension voisine de 0 V, trois cas sont possibles:

– Le Cardew est en court-circuit, il a amorcé suite à une surtension. Il faut rapidement le remplacer, l’installation se retrouve en schéma TT sans DDR.
– Le réseau est parfaitement équilibré, les capacités équivalentes et les résistances d’isolement du réseau sont équilibrées sur les trois phases et créent un point neutre artificiel, ce point neutre est alors au potentiel de la terre, ce cas reste rare.
– Le conducteur actif sur lequel est raccordé le Cardew est en défaut par rapport à la terre.

Pour déterminer avec certitude l’état du Cardew, il suffit de mesurer sa résistance interne.
Lorsque le Cardew est neuf sa résistance est supérieure à 1010 Ohms.

Exemples d’applications des CPI

Le contrôle d’isolement hors tension
Pour tous les schémas de mise à terre : IT, TN, TT.
Le non démarrage de certains moteurs peut avoir des conséquences graves.
Ces moteurs sont utilisés dans :
– Les équipements de sécurité (pompes pour les incendies ou le relevage, désenfumage…).
– Certains processus industriels.

Ce risque de non démarrage est souvent du à des problèmes d’isolement provenant de l’apparition d’humidité dans les microfissures de l’isolant pendant les périodes de non fonctionnement du moteur.
En cas de défaut franc la mise sous tension du moteur va conduire à la circulation d’un courant de défaut important susceptible de détruire le moteur (si le moteur est en TN).
Le CPI surveille en permanence l’isolement des moteurs dits stratégiques pendant les périodes de non fonctionnement.
En fonction de la valeur de l’isolement :
– Il ne fait que signaler le défaut (seuil de pré-alarme),
– Il interdit le démarrage (seuil d’alarme).

Le photovoltaïque : application particulière
Dans le photovoltaïque, le régime IT permet de limiter le courant de défaut. La sécurité des personnes contre le risque électrique est assurée par une réalisation du circuit DC en classe II (double isolement) et avec des modules PV de classe II.
Sur une installation photovoltaïque reliée à la terre, un défaut d’isolement va permettre la circulation d’un courant qui peut provoquer un incendie et/ou la destruction de matériel. En régime IT le courant de premier défaut sera très faible mais il faudra intervenir après une alarme indiquant le premier défaut car le courant de deuxième défaut peut être très élevé.

Du fait de la surface importante des modules PV constituant le champ photovoltaïque on peut avoir une valeur de C plus élevée que celle rencontrée dans l’industrie.
Il faudra donc que le contrôleur d’isolement soit compatible avec la valeur C max du champ surveillé.

Le régime IT dans les hôpitaux
Le régime IT est particulièrement bien adapté aux blocs opératoires.
Dans les locaux à usage médical du groupe 2, le régime IT médical doit être utilisé pour les circuits qui alimentent les équipements électriques médicaux et les systèmes destinés aux applications chirurgicales et de survie, ainsi que les autres équipements situés dans l’environnement du patient.

La communication Modbus permet de fournir au personnel de la salle d’opération ou au personnel de maintenance :
– La valeur de l’isolement.
– Le niveau de charge du transformateur.
– Les alarmes.
– L’horodatage des événements.

Process continu

Le site comprend plusieurs îlots IT qui alimentent surtout des moteurs.
Le choix de l’IT est lié au besoin de disponibilité car c’est un process continu.

Les CPI sont essentiellement des TR22. Sur quelques départs “pollués” (variateurs de vitesse) des XM200.