les protections différentielles en basse tension - schneider electric

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Cahier technique n° 114

Les protections différentielles enbasse tension

J. Schonek

Collection Technique

Building a New Electric World *

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titresédités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent uneinformation plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogueset notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvellestechniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permet-tent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans lesinstallations, les systèmes et les équipements.Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans lesdomaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et desautomatismes industriels.

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n° 114Les protections différentiellesen basse tension

CT 114 édition février 2006

Jacques Schonek

Ingénieur ENSEEIHT et Docteur-Ingénieur de l’Université deToulouse, il a participé de 1980 à 1995 à la conception des variateursde vitesse de la marque Telemecanique.Il a été ensuite gérant de l’activité Filtrage d’Harmoniques.Il est rattaché actuellement au groupe « Architectures et Systèmes »de Schneider Electric, en tant qu’expert en Applications deDistribution Electrique.

Cahier Technique Schneider Electric n° 114 / p.2

Lexique

Conducteurs actifs :Ensemble des conducteurs affectés à latransmission de l’énergie électrique y compris leneutre en alternatif et le compensateur encontinu, excepté le conducteur PEN dont lafonction « conducteur de protection » (PE) estprioritaire sur la fonction « neutre ».

Conducteur de protection (PE ou PEN) :Conducteur qui, selon les prescriptions, relie lesmasses des matériels électriques et certainséléments conducteurs à la prise de terre.

Contact direct :Contact d’une personne avec les parties activesdes matériels électriques (conducteurs et piècesnormalement sous tension).

Contact indirect :Contact d’une personne avec des masses misesaccidentellement sous tension (généralementsuite à un défaut d’isolement).

Courant de défaut Id :Courant résultant d’un défaut d’isolement.

Courant de fuite à la terre :Courant qui s’écoule des parties actives à laterre, en l’absence de tout défaut d’isolement.

Courant de fuite « naturel » :Courant qui, en l’absence de défaut, s’écoule àla terre à travers les isolants.

Courant de fuite « intentionnel » :Courant qui, en l’absence de défaut, s’écoule àla terre à travers des composants disposésintentionnellement (résistances oucondensateurs).

Courant différentiel résiduel :Somme algébrique des valeurs instantanées descourants parcourant les conducteurs actifs d’uncircuit en un point de l’installation électrique.

Courant différentiel résiduel defonctionnement : IfValeur du courant différentiel résiduelprovoquant le fonctionnement d’un dispositifdifférentiel.

Courant différentiel de fonctionnementassigné : I∆∆∆∆∆nValeur du courant différentiel de fonctionnement,attribué par le constructeur au dispositif, pourlequel celui-ci doit fonctionner dans desconditions spécifiées. D’après les normes deconstruction, à 20 °C, les dispositifs différentielsen basse tension doivent respecter :

II I

∆∆

nn

2< f <

Défaut d’isolement :Rupture d’isolement qui provoque un courant de

défaut à la terre ou un court-circuit via leconducteur de protection.

Dispositif différentiel résiduel (DDR) :Appareil dont la grandeur d’influence est lecourant différentiel résiduel, il est généralementassocié ou intégré à un appareil de coupure.

Electrisation :Application d’une tension entre deux parties ducorps d’un être vivant.

Electrocution :Electrisation qui provoque la mort.

Fibrillation ventriculaire :C’est un dysfonctionnement du cœur quicorrespond à la perte de synchronisme del’activité de ses parois (diastole et systole). Lepassage du courant alternatif dans le corps peuten être la cause par l’excitation périodique qu’ilprovoque. La conséquence ultime est l’arrêt dela circulation sanguine.

Isolement :Disposition qui empêche la transmission d’unetension (et le passage d’un courant) entre unélément normalement sous tension et unemasse ou la terre.

Masse :Partie conductrice susceptible d’être touchée etnormalement isolée des parties actives maispouvant être portée à une tension dangereusesuite à un défaut d’isolement.

Perturbation de mode commun :Tout phénomène électromagnétique permanentou transitoire s’appliquant entre une partie actived’un réseau et la terre. Ce phénomène peut êtreune surtension transitoire, une tensionpermanente, une surintensité, une déchargeélectrostatique.

Perturbation en mode différentiel :C’est un phénomène s’appliquant entredifférentes parties actives du réseau, comme parexemple une surtension.

Régime du neutre :Voir schéma des liaisons à la terre.

Schéma des liaisons à la terre (SLT) :Encore parfois appelé « régime de neutre ».La norme CEI 60364 officialise trois principauxschémas des liaisons à la terre qui définissentles raccordements possibles du neutre de lasource et des masses, à la terre ou au neutre.Les protections électriques sont ensuite définiespour chacun d’eux.

Tension limite de sécurité (UL) :Tension UL en dessous de laquelle il n’y a pasde risque d’électrocution.


Les protections différentiellesen basse tension

Sommaire

1 Introduction p. 4

2 Les risques liés aux courants électriques 2.1 Risques d’électrisation des personnes p. 4

2.2 Risques d’incendie p. 6

2.3 Destruction des récepteurs p. 7

3 Les protections contre les risques liés 3.1 Les règles d’installation p. 8aux courants électriques 3.2 Détection d’un défaut d’isolement p. 9

4 Les Dispositifs Différentiels Résiduels (DDR) 4.1 Principe p. 11

4.2 Applications p. 11

4.3 Caractéristiques principales p. 12

4.4 Technologie p. 13

4.5 Contraintes liées au capteur de courant p. 16

4.6 Applications particulières p. 17

5 Conclusion p. 23

Annexe 1 : calcul des tensions de contact en cas de défaut p. 24

Annexe 2 : types de convertisseurs et allure des courants de défaut p. 26

Annexe 3 : courants de fuite pour différents SLT p. 29

Annexe 4 : seuil des DDR en fonction de la tension réseau p. 31

Bibliographie p. 32

Les protections différentielles ou Dispositifs Différentiels Résiduels (DDR)sont aujourd’hui reconnus dans le monde entier comme le moyen le plusefficace pour assurer la protection des personnes et des biens contre lesrisques électriques en basse tension.

Leur choix et leur utilisation optimale nécessitent une bonne connaissancedes règles d’installation électrique, notamment des schémas des liaisons àla terre, des technologies existantes et de leurs performances.

Tous ces aspects sont abordés dans ce Cahier Technique, complétés denombreuses réponses apportées par les services techniques et demaintenance de Schneider-Electric aux interrogations qui leur sontrégulièrement adressées.


1 Introduction

Les nombreux avantages de l’énergie électriquene doivent pas faire oublier les risques qui y sontattachés. L’électricité est utilisée de manièrecourante par le grand public, et des accidentsencore trop nombreux se produisent aveccomme conséquences électrocutions, brûlures,incendies.

De strictes règles d’installation ont été établiespar des organismes internationaux (IEC,CENELEC) ou nationaux (NFPA aux USA, UTEen France, …).

Des dispositifs de protection sûrs ont étéconçus, grâce à l’analyse rigoureuse des risqueset des conséquences de défaillance de matériel

2 Les risques liés aux courants électriques

2.1 Risques d’électrisation des personnes

Une personne soumise à une tension électriqueest électrisée. Selon l’importance del’électrisation, cette personne peut subirdifférents effets physiopathologiques :c une sensation désagréable,c des contractures musculaires involontaires(tétanisation),c des brûlures,c un arrêt cardiaque (c’est l’électrocution).

Ces effets dépendent de différents facteurs : descaractéristiques physiologiques de l’être humainconcerné, de l’environnement (humide ou secpar exemple) et aussi des caractéristiques ducourant traversant le corps.

Une personne peut subir un choc électriquedans deux circonstances :

c soit par un contact direct : c’est le cas d’unepersonne qui touche un conducteur nu soustension,c soit par un contact indirect : c’est le cas d’unepersonne qui touche la carcasse métallique d’unrécepteur électrique ayant un défaut d’isolement.Le danger provient du courant électrique, envaleur et en durée, traversant le corps humain eten particulier la région du cœur.

Uc

Phases

3

Id Uc

Fig. 1 : contacts direct et indirect.

a) Contact direct

b) Contact indirect

ou de mauvaise utilisation. Parmi ces dispositifs,les protections différentielles ont été reconnuespar la normalisation internationale comme unmoyen efficace de protection des personnes etdes biens.

Ce document présente donc le sujet en 3 étapes :c un exposé des risques liés aux courantsélectriques,c un panorama des moyens de protection mis enœuvre pour limiter ces risques,c une description détaillée du fonctionnementdes dispositifs différentiels résiduels.


La figure 2 synthétise les résultats des travauxpubliés par la Commission ElectrotechniqueInternationale sur ce sujet (SpécificationTechnique CEI 60479-1, Ed.4, 2005 : Effets ducourant sur l’homme et les animaux domestiques– Partie 1 : Aspects généraux). Elle indique lesconséquences du passage d’un courantalternatif à travers le corps humain, de la maingauche aux pieds, en fonction de son intensité etde sa durée.Il faut surtout distinguer les zones 3 et 4 danslesquelles le danger est réel.

c Zone AC-3 (située entre les courbes B et C1)Pour des personnes placées dans cette situation,il n’y a généralement aucun dommage organique,mais il y a une probabilité de contractionsmusculaires et de difficultés de respiration, deperturbations réversibles de la formation desimpulsions dans le cœur et de leur propagation.

c Zone AC-4 (située à droite de la courbe C1)En plus des effets de la zone AC-3, la probabilité

de la fibrillation ventriculaire :v peut atteindre 5 %, entre les courbes C1 et C2,v est inférieure à 50 % entre les courbes C2 et C3,v dépasse 50 % au-delà de la courbe C3.Les effets physiopathologiques tels que : arrêtdu cœur, arrêt de la respiration et brûluresgraves augmentent avec la valeur de l’intensitéet le temps d’exposition.A noter qu’une personne en contact avec unetension de 230 V peut être parcourue par uncourant de l’ordre de 150 mA dans desconditions d’exposition défavorables.Compte tenu des valeurs de courantconsidérées comme dangereuses, une valeurmaximale admissible de 30 mA estconsidérée comme sûre.En BT, la composante prépondérante del’impédance du corps humain est la résistancede la peau, qui est essentiellement fonction del’environnement (locaux secs, humides,mouillés).

Zone AC-1 : PerceptionZone AC-2 : Contractions musculaires involontairesZone AC-3 : Difficultés de respirationZone AC-4 : Effets pathophysiologiques graves

AC-4.1 : risque de fibrillation ventriculaire jusqu’à 5 %AC-4.2 : risque de fibrillation ventriculaire jusqu’à 50 %AC-4.3 : risque de fibrillation ventriculaire supérieur à 50 %

Fig. 2 : zones temps/courant des effets des courants alternatifs (15 Hz à 100 Hz) sur des personnes.

Courant passantpar le corpsIs (mA) 10

20

50

100

200

500

1 000

5 000

10 000

2 000

C1 C2 C3

Durée du passage du courant I (ms)

A B

AC-2 AC-3 AC-4

0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20

Seuil = 30 mA

50 100 200 5001 000

2 0005 000

10 000

AC-1

AC-4.2

AC-4.3

AC-4.1


La CEI a défini la « tension limiteconventionnelle de contact », notée UL , commela valeur maximale de la tension de contactpouvant être maintenue indéfiniment dans lesconditions d’environnement spécifiées.La valeur retenue pour cette tension est de 50 Vefficace en courant alternatif.Cette valeur est en cohérence avec une valeurmoyenne d’impédance de 1700 Ω et un courantmaximal de 30 mA.Les effets en fonction de la tension et de lafréquenceLa CEI 60479-1 fournit les courbes de variationde l’impédance du corps en fonction de latension et de la fréquence.

La figure 3 montre que l’impédance du corpsdécroît de façon inverse de la fréquence.Toutefois, la CEI 60479-2 (Effets du courantpassant par le corps humain, aspectsparticuliers) qui traite des effets du courantalternatif de fréquence supérieure à 100 Hz,indique qu’à niveau de risque égal, un courant à1000 Hz est environ 14 fois plus élevé qu’uncourant à 50/60 Hz.

2.2 Risque d’incendie

Une étude réalisée dans les années 80-90 enAllemagne par une compagnie d’assurance surdes incendies en milieu industriel et de bureaux,a révélé que l’électricité était à l’origine de plusde 40 % des sinistres.

Bon nombre d’incendies d’origine électrique ontpour origine un échauffement important etponctuel ou un arc électrique provoqué par undéfaut d’isolement. Le risque est d’autant plusimportant que le courant de défaut est élevé.

Il est également fonction du degré de risqued’incendie ou d’explosion propre au local(stockage de matériau inflammable, présenced’hydrocarbures volatils, …).A l’origine de nombreux incendies d’origineélectrique, on trouve la combinaison de plusieursfacteurs :c une installation ancienne,c la dégradation des isolants,c une accumulation de poussière et d’humidité.

6 000

10 V CA

25 V

50 V

100 V

225 V

1 000 V

5 000

4 000

5 000

2 000

1 000

600

0

50 100 250 500 1 000 2 000

775 V

Fréquence (Hz)

Fig. 3 : valeurs de l’impédance totale du corps ZT en fonction de la fréquence et de la tension de contact.


L’augmentation progressive des courants decheminement à la surface des isolants pollués eten présence d’humidité produit des étincelagesà l’origine de dépôts de carbone en surface.L’évolution de ce phénomène lié à des cycles decondensation en surface et de séchage est trèslente. Lorsque le courant de cheminementdépasse 300mA un phénomène d’avalanche se

produit, capable d’enflammer les dépôts decarbone qui, à leur tour, pourront provoquerl’inflammation des isolants et des appareils.Il existe un risque réel d’inflammation pour uncourant de fuite de 300 mA.Le courant de fuite circule de la source vers lesarmatures métalliques et ne revient pas à lasource par le conducteur de retour.

2.3 Destruction des récepteurs

Certains récepteurs peuvent être détériorés oudétruits par la circulation d’un courant électriquede forte intensité. C’est le cas par exemple desmoteurs lors d’un fonctionnement prolongé audelà de la charge nominale, ou des câbles, encas de raccordement d’un nombre excessifd’équipements.

La surintensité va provoquer la surchauffe desconducteurs et peut conduire à la perforationdes isolants et à la circulation d’un courant dedéfaut. Celui-ci peut se maintenir à une valeurfaible, difficilement détectable, ou dégénérerrapidement en court-circuit et provoquer unedégradation importante.

Fig. 4 : origine des incendies dans les bâtiments.

Fig. 5 : processus pouvant conduire à un incendie.

Explosion 1 %

Foudre 1 %Flamme nue 37 %

Electricité 41 %

Autres 7 %

Accidents 7 %

Cigarettes 6 %

Courant de fuite

Petitesdécharges

Carbonisationisolantpoussières


3 Les protections contre les risques liés aux courants électriques

3.1 Les règles d’installation

La norme internationale de référence est laCEI 60364 : « Installations électriques desbâtiments », et en particulier la partie 4-41 :Protection pour assurer la sécurité – Protectioncontre les chocs électriques.Elle établit les règles d’installation pour que lesparties actives dangereuses ne soient pasaccessibles, et que les parties conductricesaccessibles ne présentent pas de danger enconditions normales et en cas de défaut.Cette norme internationale a été adoptée par de trèsnombreux pays, en l’état ou avec des adaptationslocales. En France, par exemple, les installationsdoivent être conformes à la NF C 15-100 :« Installations électriques à basse tension ».

Règles générales

Les installations doivent être conçues de manière àfournir une protection principale en fonctionnementnormal (protection contre les contacts directs) et uneprotection en cas de défaut (protection contre lescontacts indirects).

c La protection principale est assurée par l’isolationdes parties actives, la présence de barrières, oud’enveloppes.

La protection en cas de défaut est assurée par uneou plusieurs des mesures suivantes :v une coupure automatique de l’alimentation,v une isolation double ou renforcée,v une séparation électrique (utilisation d’untransformateur d’isolement),v l’utilisation d’une très basse tension.

La coupure automatique de l’alimentation est le plussouvent utilisée. Certaines exigences y sontassociées :v mise à la terre des masses métalliques et liaisonéquipotentielle de protection,v spécification d’un temps de coupure maximum encas de défaut (par exemple : 0,4 s en 230 V)

Un dispositif de protection doit séparerautomatiquement un circuit ou un matériel de sonalimentation de telle façon que, à la suite d’undéfaut entre une partie active et une masse dans lecircuit ou le matériel, une tension de contactsupérieure à la tension limite conventionnelle nepuisse pas se maintenir pendant un temps suffisantpour créer un danger pour une personne en contactavec des parties conductrices simultanémentaccessibles.

c Une protection complémentaire doit être miseen œuvre pour parer à toute défaillance desmesures de protection contre les contactsdirects.

En particulier, la norme CEI 60364-4-41 imposeen courant alternatif qu’un dispositif deprotection contre les contacts directs soit mis enœuvre pour les circuits de prises de courant pourun usage général jusqu’à 20 A, et pour lesappareils portatifs de courant jusqu’à 32 Adestinés à être utilisés à l’extérieur. Le seuil defonctionnement de ce dispositif doit être de 30 mA.

Schémas de Liaison à la Terre

La norme CEI 60364 définit notamment troisprincipaux schémas de raccordement du réseauélectrique à la terre : les schémas des liaisons àla terre ou SLT, encore parfois appelés« régimes de neutre » (cf. figure 6 ci-contre),diversement utilisés selon les pays. (cf. CahiersTechniques n° 172 et 173).

Ils diffèrent par la mise à la terre ou non du pointneutre de la source de tension et le mode deraccordement des masses. Le choix du régimede neutre dépend des caractéristiques del’installation et des conditions et impératifsd’exploitation (environnement, dispositifs desurveillance, continuité de service).

c Schéma TT

Dans ce type de schéma, dit de « neutre à laterre » :v le neutre de la source est relié à une prise deterre distincte de celle des masses,v toutes les masses doivent être reliées à unmême système de mise à la terre dédié àl’installation.

c Schéma TN

Le principe de ce schéma dit de « mise auneutre » est de transformer tout défautd’isolement en court-circuit monophaséphase – neutre. Dans ce type de schéma :v le point neutre BT de chaque source est reliédirectement à la terre,v toutes les masses de l’installation sont reliéesà la terre et donc au neutre par le conducteur deprotection PE (avec conducteur de neutredistinct, TN-S) ou PEN (conducteur de neutrecommun, TN-C).


Neutre à la terre (TT)123N

Mise au neutre (TN-C)123PEN

CPI : Contrôleur Permanent d'Isolement.

Mise au neutre (TN-S)123NPEPE

PE

Neutre isolé (IT)123N

RB RA

RB

RB

RB

CPI

Fig. 6 : les trois principaux schémas des liaisons à la terre ou SLT sont les schémas TT, TN et IT, définis par laCEI 60364-1. Le TN peut être soit TN-C (neutre et PE confondus) soit TN-S (neutre et PE distincts).

c Schéma IT

Dans ce type de schéma dit « à neutre isolé », leneutre du transformateur est :v soit isolé de la terre (neutre isolé),

v soit relié à la terre par une impédance élevée(neutre impédant), toutes les masses del’installation sont reliées à la terre.

3.2 Détection d’un défaut d’isolement

Un défaut d’isolement peut être la conséquencede la détérioration du matériau isolant :c entre deux conducteurs actifs,c entre un conducteur et la masse ou leconducteur de protection,c d’un seul conducteur actif, rendant leconducteur accessible au toucher.

Un défaut d’isolement entre les conducteursactifs devient un court-circuit.

Dans les autres cas, le défaut (de modecommun) occasionne un courant qui s’écoule àla terre. Ce courant qui ne se reboucle pas parles conducteurs actifs est appelé courant de« défaut à la terre ».

Il est la somme algébrique des courants circulantà tout instant dans les conducteurs actifs, d’oùl’appellation : « courant différentiel résiduel ».

Remarque : si les courants sont sinusoïdaux, onpeut utiliser la représentation vectorielle deFresnel et parler de « somme vectorielle » descourants.

Cette représentation n’est pas pertinente enprésence de courants harmoniques, etl’appellation « somme algébrique » est donc plusgénérale.

Ce courant peut provenir d’un défaut d’isolemententre un conducteur actif et la carcasse d’unappareil (présentant alors un risque de contactindirect) ou de la défaillance des mesuresd’isolement des parties actives (présentant alorsun risque de contact direct).Ces situations sont illustrées par la figure 7page suivante.


Fig. 7 : courant de défaut Id = « courant différentiel résiduel ».

a) Contact indirect b) Contact direct

La valeur du courant de défaut d’isolement entrephase et terre (en mode commun) dépend de lanature du défaut et aussi du schéma de liaison àla terre.Ce courant peut créer une tension de contactdangereuse, qui nécessite la déconnexion ducircuit en défaut.Voir en annexe 1 un résumé des calculs decourant de défaut et de tension de contact enfonction des SLT.Dans le cas d’un schéma TN, le courant dedéfaut s’apparente à un court-circuit. Sa valeurest donc élevée, et la déconnexion du circuit peutêtre effectuée grâce à un dispositif de protectioncontre les surintensités.

Par contre, en TT, sa valeur est trop faible pourqu’il soit détecté et éliminé par les protections desurintensités conventionnelles (protectionthermique ou magnétique d’un disjoncteur,fusible).De même, dans tous les cas de contact direct, lecourant de défaut est de faible valeur et ne peutpas être détecté et éliminé par les protections desurintensités conventionnelles. C’est égalementle cas d’un courant de fuite présentant un risqued’incendie.Dans ces conditions, le courant de défaut doitdonc être détecté et éliminé par un appareilspécifique : le Dispositif Différentiel Résiduel(DDR), qui fait l’objet du chapitre suivant.

Ud

N

PE

RB RA

Id

N

PE

RB RA

Id


4 Les Dispositifs Différentiels Résiduels (DDR)

4.1 Principe

Le principe du DDR est illustré sur la figure 8 .La détection de la somme algébrique descourants dans les conducteurs actifs (phases etneutre) est effectuée par un capteur constituéd’un tore qui entoure tous les conducteurs actifs.Un bobinage est réalisé autour du tore demanière à détecter les variations de flux induitespar le courant différentiel résiduel.En l’absence de défaut d’isolement, la sommealgébrique des courants dans les conducteursactifs est nulle et le tore n’est soumis à aucunflux.En cas de défaut d’isolement, cette somme n’estplus nulle et le courant de défaut induit dans letore un flux qui génère un courant dans sabobine.Ce courant est redressé, filtré et amplifié.Si le signal obtenu est supérieur à un certainseuil, une temporisation est lancée (elle peutêtre nulle pour une réaction instantanée).Si le défaut est toujours présent à la fin de latemporisation, l’ouverture d’un dispositif decommande est déclenchée.

L’utilisation de DDR est totalement inadaptée enTN-C car le conducteur neutre n’est pas séparédu conducteur de protection, ce qui ne permetpas de discriminer le courant différentiel ducourant dans le neutre.

Fig. 8 : principe du DDR.

4.2 Applications

Protection complémentaire contre lescontacts directs

Un DDR a la possibilité de détecter de faiblescourants de fuite, susceptibles de traverser lecorps d’une personne. Il permet donc d’assurerune protection complémentaire en cas dedéfaillance des moyens normaux de protection(par exemple : isolant vieilli ou blessé,imprudence, …). Cette protection est aussiparfois appelée protection ultime car elle permetd’interrompre le courant alors que les autresdispositions sont défaillantes.L’utilisation d’un DDR 30 mA sur tous les circuitsde prise de courant jusqu’à 20 A, est désormaisobligatoire, selon la CEI 60364-4-41 (Installationsélectriques à basse tension - Partie 4-41 :Protection pour assurer la sécurité - Protectioncontre les chocs électriques).Il faut garder en mémoire qu’un DDR ne limitepas le courant instantané qui traverse le corpsmais limite le temps pendant lequel le corps esttraversé par le courant.A noter également qu’en cas de contact directavec un conducteur de phase en 230 V, lecourant qui circulerait s’établirait au voisinage de150 mA. Un DDR de sensibilité 10 ou 30 mAlaisse passer le même courant.

Ces deux sensibilités apportent une protectionéquivalente. Le seuil de 30 mA permet debénéficier d’un bon compromis économiqueentre sécurité et continuité de service : il estpossible d’alimenter en aval d’un DDR plusieurscharges ou circuits tant que le courant de fuitene fait pas déclencher le DDR. Pour un mêmecourant de fuite, abaisser le seuil nécessited’augmenter le nombre d’appareils deprotection.

Protection contre les contacts indirects

L’utilisation d’un DDR est la seule solution pourassurer la protection contre les contacts indirectsen TT, car le courant de défaut dangereux esttrop faible pour être détecté par les dispositifs deprotections de surintensité.C’est également une solution de simplicité enTN-S ou IT. Par exemple, lorsque le câbled’alimentation est de grande longueur, la faiblevaleur du courant de défaut rend difficile leréglage des protections de surintensité.A fortiori, lorsque le câble est de longueurinconnue, le calcul du courant de défaut estimpossible et l’utilisation d’un DDR est la seulesolution envisageable.Dans ces conditions, le seuil de déclenchementdu DDR sera ajusté à un seuil pouvant atteindre

Mise en forme

Seuil

Temporisation

Actionneur

Σ I ≠ 0


quelques ampères ou dizaines d’ampères parexemple.

Protection contre les risques d’incendie

La norme CEI 60364-4-42 (Installationsélectriques des bâtiments –Partie 4-42 :Protection pour assurer la sécurité – Protectioncontre les effets thermiques) reconnaît

également l’efficacité des DDR pour assurer laprotection contre les risques d’incendie, enimposant l’utilisation de tels dispositifs avec unseuil de déclenchement au plus égal à 500 mA.Ce seuil devrait dans un avenir proche êtreramené à 300 mA, comme déjà préconisé parcertaines normes nationales telle la NF C 15-100en France.

4.3 Caractéristiques principales

Les DDR doivent être choisis en fonction du typede charge alimentée. Cette recommandationconcerne en particulier les dispositifs à semi-conducteurs, pour lesquels les courants dedéfauts ne sont pas toujours sinusoïdaux.Des exemples de convertisseurs à semi-conducteurs sont fournis en annexe 3, avec lesformes d’onde des courants de défaut et le typede DDR qui doit leur être associé.

Types AC, A, BLa norme CEI 60755 (Règles générales pour lesdispositifs de protection à courant différentielrésiduel) définit 3 types de DDR, suivant lescaractéristiques des courants de défaut.c Type ACDispositifs différentiels pour lesquels ledéclenchement est assuré pour des courantsdifférentiels alternatifs sinusoïdaux.c Type ADispositif différentiel pour lequel lefonctionnement est assuré :v pour des courants différentiels alternatifssinusoïdaux,v pour des courants différentiels continus pulsés,v pour des courants différentiels continus pulsésavec une composante continue de 0,006 A avecou sans contrôle de l’angle de phase,indépendamment de la polarité.c Type BDispositif pour lequel le fonctionnement estassuré :v comme dans le cas du type A,v pour des courants différentiels sinusoïdauxjusqu’à 1000 Hz,v pour des courants différentiels sinusoïdauxsuperposés à un courant continu pur,v pour des courants continus pulsés superposésà un courant continu pur,v pour des courants différentiels qui peuventprovenir de circuits redresseurs c’est-à-dire :- redresseur triphasé simple alternance ou pontredresseur triphasé double alternance,

- pont redresseur double alternance entrephases, avec ou sans contrôle de l’angle dephase, indépendamment de la polarité.

Certains dispositifs électroniques peuventgénérer des courants de défaut dont la formen’est pas décrite par les définitions précédentes.

Des exemples sont fournis à l’annexe 2.

Des travaux ont été initiés à la CEI afin decouvrir également ces cas particuliers.

Sensibilité

La sensibilité d’un DDR s’exprime par son« courant différentiel de fonctionnementassigné », noté I∆n.Des valeurs préférentielles ont été définies par laCEI, ce qui permet de répartir les DDR en3 groupes suivant leur valeur de I∆n :c haute sensibilité (HS) : 6 – 10 – 30 mA,c moyenne sensibilité (MS) : 0,1 – 0,3 – 0,5 – 1 A,c basse sensibilité (BS) : 3 –10 – 30 A.Les DDR à usage domestique ou analogue sontuniquement à haute ou moyenne sensibilité.Il est évident que la Haute Sensibilité (HS) estutilisée le plus souvent en protection contre lescontacts directs et que la MS et en particulier lesvaleurs 300 et 500 mA sont indispensables pourla protection incendie. Les autres sensibilités(MS et BS) permettent de répondre à d’autresbesoins tels que la protection contre les contactsindirects (obligatoire en schéma TT), ou laprotection des machines.

Temps de déclenchementComme indiqué au chapitre 1, les effets descourants électriques sont fonctions de leuramplitude et de leur durée. Les temps deréaction des DDR ont donc été précisés dans lesnormes dites « de produits » :c CEI 61008 : « Interrupteurs automatiques àcourant différentiel résiduel pour usagesdomestiques et analogues sans dispositif deprotection contre les surintensités incorporé(ID) »,


c CEI 61009 « Interrupteurs automatiques àcourant différentiel résiduel avec protectioncontre les surintensités incorporée pourinstallations domestiques et analogues (DD) »,c CEI 60947-2, annexe B : « Appareillage àbasse tension – Disjoncteurs à protectionincorporée par courant différentiel résiduel »,c CEI 60947-2, annexe M : « Appareillage àbasse tension – Dispositifs modulaires à courantdifférentiel résiduel – MRCD (non intégrés à undispositif de coupure de courant) ».Les valeurs normalisées des temps defonctionnement sont indiquées dans le tableaude la figure 9 et sur les courbes de la figure 10,pour des appareils de type G et S :c G (général) pour les DDR instantanés,c pour les DDR dits « sélectifs » avec un niveaude temporisation le plus faible (par exempleemployé en France pour les disjoncteurs debranchement).

1

t (s)

S

G

0,1

0,04

0,15

0,3

0,010,1 1 2 5 10

Fig. 10 : courbes de temps de fonctionnement maximalpour disjoncteur ou interrupteur différentiel « S » etpour usage général instantané « G ».

Type In I∆∆∆∆∆n Valeurs normalisées du temps de fonctionnement (en s) et du tempsde non réponse (en s) pour un courant résiduel (I∆∆∆∆∆) égal à :

5 A, 10 AA A I∆∆∆∆∆n 2 I∆∆∆∆∆n 5 I∆∆∆∆∆n 20 A, 50 A

100 A, 200 A500 A

Général N’importe N’importe 0,3 0,15 0,04 0,04 Temps dequelle quelle fonctionnementvaleur valeur maximal

S u 25 > 0,030 0,5 0,2 0,15 0,15 Temps defonctionnementmaximal

0,13 0,06 0,05 0,04 Temps de non-réponse minimal

Fig. 9 : valeurs normalisées du temps de fonctionnement maximal et du temps de non fonctionnement selon laCEI 61008.

4.4 Technologie

Classification des DDR selon leur moded’alimentation :« A propre courant », ou : « fonctionnellementindépendant de la tension d’alimentation ».C’est un appareil dont l’énergie dedéclenchement est fournie par le courant dedéfaut.Ce mode d’alimentation très sûr est préconiséen secteur résidentiel ou pour des applicationssimilaires lorsque l’utilisateur du circuit n’est pasaverti ou conscient des dangers de l’électricité.

De nombreux pays, et notamment en Europe,reconnaissent l’efficacité de ces dispositifs pourles installations résidentielles et analogues(normes EN 61008 et 61009).« A source auxiliaire » ou : « fonctionnellementdépendant de la tension d’alimentation ».C’est un appareil dont l’énergie dedéclenchement nécessite un apport d’énergieindépendant du courant de défaut. La source estgénéralement le circuit contrôlé. Ainsi, lorsquece circuit est sous tension le DDR est alimenté.


En absence de tension, le DDR n’est pas actifmais il n’y a pas de danger.Les appareils sont conçus de manière àfonctionner malgré les baisses de tension tantque la tension de contact a la possibilité dedépasser 50 V (tension limite de sécurité).Cette condition est remplie si un appareilfonctionne toujours en étant seulement alimentépar 2 phases, avec une baisse de tensionjusqu’à 85 V entre phases. C’est le cas avec lesblocs Vigi, DDR associés aux disjoncteurs« Compact » de la marque Merlin Gerin.

Les DDR font l’objet d’une distinctioncomplémentaire vis-à-vis de leur alimentationselon que leur fonctionnement est, ou non« à sécurité positive ».

Sont considérés comme des appareils à sécuritépositive deux types d’appareils :c Ceux dont le déclenchement ne dépend quedu courant de défaut : tous les appareils« à propre courant » sont des appareils àsécurité positive,c Et ceux, plus rarement utilisés, qui se placentautomatiquement en position de déclenchement(position de sécurité) lorsque les conditions nesont plus réunies pour garantir le déclenchementen présence du courant de défaut (par exempleune baisse de tension jusqu’à 25 V).

Remarques :La CEI 60364, § 531-2-2-2 indique pour lesdispositifs avec source auxiliaire qui ne sont pasà sécurité positive : « Leur utilisation est permises’ils sont installés dans les installationsexploitées, essayées et vérifiées par despersonnes averties ou qualifiées ».

La norme NF C 15-100 § 531.2.2.2 préciseencore qu’ils ne doivent pas être utilisés dansles installations des locaux d’habitation ou dansdes utilisations analogues.

La technologie « à propre courant », dont lefonctionnement est indépendant des conditionsd’alimentation du circuit protégé, estparticulièrement adaptée et performante pour laconstruction des DDR à haute sensibilité enmilieu domestique ou pour les circuits terminauxpour lesquels le réarmement est destiné auxpersonnes non averties pour les raisonssuivantes :

c Les circuits terminaux sont exploités et parfoisinstallés par des personnes non averties (sansconnaissance de l’installation, sansconnaissance des risques encourus),

Fig. 12 : exemples de DDR « à propre courant » et « à source auxiliaire ».

Fig. 11 : le courant de défaut, par l’intermédiaire dutore, fournit l’énergie d’un signal transmis à un électro-aimant dont la partie mobile est maintenue « collée »par un aimant permanent. Lorsque le seuil defonctionnement est atteint l’électro-aimant annihilel’attraction de l’aimant permanent, la partie mobile tiréepar un ressort ouvre alors le circuit magnétique etcommande mécaniquement l’ouverture du disjoncteur.

IrIa

A


c Les circuits terminaux sont généralement descircuits monophasés phase + neutre (on trouveparfois des circuits biphasés),

c Cette technologie permet de continuerd’assurer la protection, même en cas de coupuredu neutre ou d’un conducteur de phase enamont du DDR,

c Les appareils fonctionnent même en cas debaisse de tension jusqu’à 0 V,

c Pour la protection complémentaire contre lescontacts directs, le DDR haute sensibilité estreconnu efficient en cas de défaillance du PE(PE inexistant, non relié ou rompu). Cettetechnologie offre un avantage supplémentaire encas d’élévation significative de la résistance deterre au-dessus de 500 Ω (installationvieillissante, période de sécheresse, corrosionau niveau de la prise de terre....) car certainsDDR « à source auxiliaire » alimentés entrephase et PE ne fonctionnent pas correctementdans ce cas,

c Cette technologie est particulièrement robustecar aucun composant électronique n’estconnecté en permanence sur le réseau. Il enrésulte une excellente insensibilité auxsurtensions et au vieillissement des composants.(Les composants électroniques quand il y en a,sont connectés au secondaire du capteur decourant homopolaire et ne sont donc sollicitésqu’en cas de défaut et sous très basse tension),c Cette robustesse s’avère bien adaptée auxinstallations non surveillées comme c’estgénéralement le cas en domestique.

Test de bon fonctionnement

Un DDR est un appareil de sécurité. Quelquesoit la technologie utilisée, il est donc importantqu’il dispose d’un dispositif de test.Si les dispositifs à propre courant apparaissentcomme les plus sûrs, la mise en œuvre de lasécurité positive avec les autres sourcesd’énergie à « source auxiliaire » confère auxDDR une sécurité accrue qui ne doit cependantpas faire oublier la pratique du test périodique.

c Pourquoi tester périodiquement des DDR ?

Dans les faits, la sécurité positive parfaite,notamment sur le plan du défaut interne n’existepas. C’est pourquoi, en France, les DDR utilisantune source auxiliaire sont réservés auxinstallations industrielles et grand tertiaire et lesDDR à propre courant aux installationsdomestiques et analogues, ce qui est bien enaccord avec leurs possibilités intrinsèquesévoquées ci-dessus.Dans tous les cas, le test périodique est àpréconiser pour mettre en évidence un éventueldéfaut interne.

c Principe

Il consiste à générer un courant qui ne vacirculer que dans un seul des conducteurs actifsentourés par le tore, comme illustré sur lafigure 13 . La résistance est déterminée demanière à faire circuler un courant suffisant pourfaire déclencher le DDR, en tenant compted’éventuels courants de fuite qui pourraient sesoustraire à ce courant. La valeur maximaleadmise est de 2,5 fois I∆n (pour un appareil àseuil réglable, I∆n est la plus petite valeurpossible).

Ce principe de test est très répandu, car ilpermet de vérifier l’ensemble de la chaîne : tore– relais – appareil de coupure. Le principe detest évoqué ci-dessus est utilisé sur les prises decourant différentielles, les interrupteurs etdisjoncteurs différentiels.

En ce qui concerne les relais différentiels à toreséparé le même principe est parfois retenu. Lesrelais Vigirex de la marque Merlin Gerin parexemple, ont la fonction test incorporée et, deplus, contrôlent en permanence la continuité ducircuit de détection (liaison tore – relais etbobinage du tore).

Test ItestR

Fig. 13 : schéma de principe du circuit de testpériodique.


4.5 Contraintes liées au capteur de courant

Le capteur est de type transformateur – tore.Il englobe la totalité des conducteurs actifs et dece fait il est excité par le champ magnétiquecorrespondant à la somme algébrique descourants circulant dans les phases et le neutre.L’induction dans le tore et le signal électriquedisponible aux bornes de l’enroulementsecondaire sont donc l’image du courantdifférentiel résiduel.Ce type de capteur permet de détecter descourants différentiels de quelques milliampères àquelques dizaines d’ampères.

Câble avec PE

Suivant le principe même d'un DDR, le capteurne doit englober que les conducteurs actifs.Le conducteur de protection PE doit donc êtreséparé des autres conducteurs, suivant lesdispositions présentées sur la figure 14.

Conducteurs de forte section

Il existe des cadres sommateurs de grandesdimensions permettant de mesurer le courantdifférentiel, même avec des conducteurs de fortesection. La sommation des courants à l’aide deplusieurs tores est à proscrire (cf. fig. 15 ).Si la difficulté est présente dans un tableaugénéral en aval du transformateur, on peutmettre en place un tore en tête d’installation, surla liaison à la terre du neutre BT dutransformateur (cf. fig. 16 ).En effet, selon la loi des nœuds de Kirchhoff, lecourant différentiel vu par (N) est strictement lemême que celui vu par (G) pour un défaut seproduisant dans la distribution BT.

Départs de forte intensité

Pour que la « réponse » du tore soit fidèle etlinéaire, il faut placer les conducteurs actifs dansle tore le plus près possible de son centre pourque leurs actions magnétiques se compensentparfaitement en l’absence de courant résiduel.En effet, le champ magnétique développé par unconducteur diminue proportionnellement à ladistance ; ainsi sur la figure 17 (ci-contre), laphase 3 provoque au point A une saturationmagnétique locale et n’a donc plus une actionproportionnelle. Il en est de même si le tore estplacé à proximité ou dans un coude des câblesqu’il entoure (cf. fig. 18 ci-contre). L’apparitiond’une induction résiduelle parasite va, pour lesintensités importantes, faire apparaître ausecondaire du tore un signal qui peut entraînerun déclenchement indésirable.Le risque est d’autant plus important que le seuildu DDR est faible par rapport au courant desphases, notamment lors d’un court-circuit. Dansles cas difficiles, (Iphase max. / I∆n) élevé, deuxsolutions permettent de faire face au risque de

déclenchement indésirable :c Utiliser un tore bien plus grand quenécessaire, par exemple d’un diamètre doublede celui qui convient juste pour le passage desconducteurs,c Placer un manchon dans le tore. Ce manchondoit être en matériau magnétique pourhomogénéiser le champ magnétique (fer doux,tôle magnétique), (cf. fig. 19 ).

Fig. 14 : agencement et passage des câbles avec PE.

Fig. 15 : cadres sommateurs pour câbles ou barres deforte section.

HT / BT

DDR

1

N

G

23

DDR

PE

Fig. 16 : le tore N délivre la même information que letore G.


Lorsque toutes ces précautions sont prises :c centrage des conducteurs,c tore de grande dimension,c et manchon magnétique,le rapport (Iphase max. / I∆n) peut atteindre50 000.Il faut souligner que les DDR à tore incorporéapportent une solution toute faite auxinstallateurs et exploitants puisque c’est leconstructeur qui étudie et met au point lesréponses techniques, car :c Il maîtrise le problème du centrage desconducteurs actifs, et pour les faibles intensitéspeut prévoir et bien répartir plusieurs spiresprimaires autour du tore,c Il peut faire « travailler » le tore à inductionplus élevée pour maximiser l’énergie captée etminimiser la sensibilité aux inductions parasitesdue aux forts courants.

Fig. 17 : un mauvais centrage des conducteurs dans letore est à l’origine de sa saturation magnétique localeau point A qui peut être la cause de déclenchementsindésirables.

Fig. 18 : le tore doit être suffisamment éloigné descoudes des câbles pour éviter les déclenchementsindésirables.

Fig. 19 : un manchon en matériau magnétique placéautour des conducteurs, dans le tore, réduit le risquede déclenchements dus aux effets magnétiques despointes de courant.

A3

1

2

4.6 Applications particulières

SélectivitéLe but de la sélectivité et de la coordination desprotections est de faire en sorte que seul ledépart concerné par un défaut soit mis horstension par le fonctionnement de sa protection.c Sélectivité « verticale »Ce type de sélectivité est celui qui concerne lefonctionnement de deux protections placées ensérie sur un circuit (cf. fig. 20). Compte tenu destolérances sur les seuils et les temps dedéclenchement des DDR, la sélectivité doit êtreampèremétrique et chronométrique :v Ampèremétrique, car selon les normes, unDDR doit fonctionner pour un courant de défautcompris entre I∆n / 2 et I∆n. En pratique, unrapport 3 est requis entre les seuils de deuxDDR pour éviter un déclenchement simultanédes 2 appareils : I∆n (amont) > 3 I∆n (aval),

DDR

DDR

Da

Db

Fig. 20 : sélectivité verticale.


v Chronométrique, dans le cas où le courant dedéfaut franchit brusquement les deux seuils dedéclenchement. En effet, il faut tenir compte dutemps de réaction, même minime, de toutmécanisme, auquel il faut parfois ajouter unetemporisation ou un retard volontaire.

La double condition de non déclenchement deDa pour un défaut en aval de Db est donc :

I∆n (Da) > 3 I∆n (Db) et tr (Da) > tr (Db) + tc (Db)

ou tr (Da) > tf (Db)avec :- tr = retard au déclenchement = temps de nonfonctionnement,- tc = temps séparant l’instant où l’ordre decoupure a été donné par le relais de mesure decelui de la coupure (temps d’arc compris),- tf = temps de fonctionnement, de la détectiondu défaut à l’interruption totale du courant dedéfaut ; tf = tr + tc.Les relais électroniques peuvent présenter unphénomène de « mémorisation » du défaut parleur circuit détecteur de seuil. Il faut alors tenircompte d’un « temps de mémoire », assimilable

Idéfaut

a) tr tc

tr tcb)

apparitiondu défaut

Sélectivité

Ouverture Db

Idéfaut

a) tr tc

tr tcb)

apparitiondu défaut

Non sélectivité

Ouverture Db

Fig. 21 : la temporisation d’un DDR (a) amont doit tenir compte du temps de retard et du temps de coupure duDDR (b) aval.

à un allongement virtuel du temps de passagedu courant, pour qu’ils ne déclenchent pas,même après l’ouverture de l’appareil aval.

Nota :

Une attention particulière doit être apportée dansla mise en œuvre de la sélectivité lorsqu’il fautpanacher des disjoncteurs différentiels et desrelais différentiels (cf. fig. 22 ci contre). En effet :- le disjoncteur différentiel est défini en temps deretard -tr-,- le relais différentiel est défini en temps defonctionnement propre ou temporisé(correspondant au temps qui s’écoule entrel’apparition du défaut et la transmission del’ordre d’ouverture à l’organe de coupure),auquel il faut ajouter le temps de réaction del’organe de coupure. Il faut alors calculer lestemps tf et tr successifs (à 2 I∆n, niveau decourant conventionnel pour le test denon- fonctionnement des DDR temporisés),pour chaque DDR, en remontant de ladistribution terminale vers l’origine del’installation.


Vigirex RH

tr = 15 ms

tc = 30 ms

tf = 45 ms

Vigicompact

tr = 60 ms

DDR

DDR

Vigirex

tr = 60 ms

tf < 140 ms

Vigicompact

tr = 200 ms

DDR

DDR

Fig. 22 : deux exemples de sélectivité chronométrique, associant un disjoncteur différentiel de type Vigicompact etun relais Vigirex (Merlin Gerin). A noter que ces temps sont bien inférieurs aux temps de déclenchement autorisésde la figure 9.

c Sélectivité « horizontale »

Parfois appelée « sélection des circuits »,prévue par la norme NF C 15-100 § 535.4.2, ellepermet l’économie en tête d’installation d’undispositif différentiel placé dans une armoirelorsque tous les départs de cette armoire sontprotégés par des disjoncteurs différentiels.Seul le départ en défaut est mis hors tension, lesdispositifs différentiels placés sur les autresdéparts (parallèles au départ défectueux) nevoient pas le courant de défaut (cf. fig. 23 ).Les dispositifs différentiels peuvent être alors à tridentiques.

Fig. 23 : exemple d’une sélectivité horizontale.

DDRDDR


Dans la pratique, la sélectivité horizontale peutêtre prise en défaut. Ainsi il a été observé desdéclenchements indésirables appelés« déclenchements par sympathie » notammenten schéma IT, sur des réseaux comportant desdéparts de grande longueur (capacités parasitesdes câbles) ou des filtres capacitifs (ordinateur,dispositifs électroniques…). Le déclenchementpeut survenir sur un départ sain, comme illustrésur la figure 24.

Parafoudres

Selon les obligations locales des Distributeursd’énergie, les DDR sont raccordés en amont ouen aval des parafoudres. Si le DDR est placé enamont du parafoudre, il se trouve sur le chemind’écoulement du courant généré par la foudre etil y a risque de déclenchement.Un DDR à immunité renforcée ou temporisé estrecommandé. Si le DDR est placé en aval duparafoudre, l’utilisation d’un DDR standard estpossible.

Courants de fuite perturbateurs

Il existe plusieurs sortes de courants de fuite,susceptibles de perturber le fonctionnement desDDR :c Courants de fuite à la fréquence du réseau,c Courants de fuite transitoires,c Courants de fuite Haute Fréquence.Ces courants peuvent être « naturels », circulantà travers les capacités réparties des câbles dansl’installation, ou « intentionnels », circulant àtravers de composants disposésintentionnellement : filtres capacitifs installés sur

les circuits d’alimentation des appareilsélectroniques (ordinateurs, variateurs devitesse…).

Les filtres ont pour objet de rendre les appareilsconformes aux normes d’émission et d’immunité,rendues obligatoires par les directiveseuropéennes sur la CEM.

c Courants de fuite à la fréquence du réseau(50 ou 60 Hz) (cf. fig. 25 )

Ces courants sont générés par la sourced’alimentation et circulent à travers les capacitésnaturelles ou intentionnelles.

Db

Da

DDR

(A)

(B)

DDR

1

2

3

Réseau étendu

Cp

Fig. 24 : en présence d’un défaut en scéma IT, Da peut ouvrir à la place de Db.

Écoulement ducourant générépar la foudre

Parafoudre

A

DDR

B

DDR

Fig. 25 : dans une installation comportant unparafoudre, selon les obligations locales, le DDR peutêtre placé différemment : en A un DDR immunisé oude type « S », en B un DDR standard.


Pour un appareil monophasé, on mesure descourants de fuite permanents à 50 Hz de l’ordrede 0,5 à 1,5 mA. Les courants de fuites’additionnent si les appareils sont branchés surune même phase. Si les appareils sont branchéssur les trois phases, ces courants secompensent lorsqu’ils sont équilibrés (la sommealgébrique est nulle).Du fait de ces courants de fuite, le nombred’appareils pouvant être raccordés en aval d’unDDR doit donc être limité.On trouvera en annexe 3 une comparaison descourants de fuite suivant le SLT (TT/TN ou IT),qui justifie que le nombre possible d’appareilssoit plus faible en IT qu’en TT ou TN.Le seuil de fonctionnement d’un DDR pouvantêtre égal à 0,5 I∆n, il est recommandé, pour nepas craindre de déclenchements indésirables,de limiter le courant de fuite permanent à0,3 I∆n en schéma TT ou TN, et à 0,17 I∆n enschéma IT.L’utilisation de DDR avec un seuil defonctionnement dans une plage réduite (0,7 I∆nà I∆n) permet d’assouplir cette règle.Les DDR « si » ou Vigirex de la marqueMerlin Gerin sont dans ce cas.

c Courants de fuite transitoiresCes courants se manifestent à la mise soustension d’un circuit ayant un déséquilibrecapacitif ou lors d’une surtension de modecommun (cf. fig. 26 ).A titre indicatif, une mesure effectuée à la misesous tension d’une station de travail comportantun filtre antiparasite a révélé un courant de fuitetransitoire dont les caractéristiques sont lessuivantes :v Amplitude de la première crête : 40 A,v Fréquence d’oscillation : 11,5 kHz,v Durée d’amortissement (66 %) : 5 périodes.Les DDR ayant un certain temps de non-fonctionnement évitent les déclenchementsindésirables qui pourraient être causés par cetype d’onde.Par exemple : DDR de type « si » (I∆n = 30 mAet 300 mA), Vigirex ainsi que les DDR type S(I∆n u 300 mA).

c Courants de fuite Haute FréquenceLes courants de fuite Haute Fréquence(de quelques kHz à quelques MHz) ont pourorigine la technique de découpage utilisée dansles variateurs de vitesse ou les ballastsélectroniques pour éclairage fluorescent.Certains conducteurs sont soumis à de fortsgradients de tension (de l’ordre de 1 kV/µs),

ce qui génère des pointes de courantimportantes à travers les capacités parasites descircuits.Des courants de fuite de quelques dizaines oucentaines de mA peuvent circuler en modecommun et traverser le capteur de courant duDDR, comme illustré sur la figure 27 , dans lecas d’un variateur de vitesse.Contrairement aux courants de fuite à 50 Hz -60 Hz dont la somme algébrique est nulle, cescourants HF ne sont pas synchrones sur les troisphases et leur somme constitue un courant defuite non négligeable.Pour éviter les déclenchements indésirables, lesDDR doivent être insensibilisés à ces courantsHF (équipés de filtre passe-bas). C’est le casdes DDR industriels de la gamme Vigirex et desDDR de type « S », « A si » et « B » de lamarque Merlin Gerin.

Fig. 26 : courant de fuite parcourant les capacitésréparties des câbles ou les condensateurs d’entréedes équipements (en pointillés).

Fig. 27 : perturbation d’un DDR par les courants defuite Haute Fréquence.

N

Ma

a

N

Equipement avecfiltre capacitif


Variateurs de vitesse

L’association des protections différentielles etdes variateurs de vitesse de type « convertisseurde fréquence » requiert beaucoup d’attentionpour tenir compte simultanément de plusieurscontraintes :c courant de fuite à la mise sous tension,c courant de fuite permanent à 50/60 Hz,c courant de fuite permanent HF,c forme particulière du courant en cas de défauten sortie de variateur,c courant à composante continue en cas dedéfaut sur le bus DC.L’analyse des phénomènes et les solutions àces contraintes sont présentées en détail dans leCahier Technique n° 204 : Protections BT etvariateurs de vitesse.Voir également l’annexe 2 : Types deconvertisseurs et allure des courants de défaut.

Onduleurs

Dans les installations comportant des sourcesde remplacement comme des onduleurs, la miseen œuvre des protections doit tenir compte desdifférentes configurations possibles.En particulier : fonctionnement avec réseau ousur batteries, interrupteur de transfert (by-pass)enclenché ou non, …Dans l’exemple de la figure 29 , l’installation enschéma TT comporte une Alimentation SansInterruption. En cas d’absence de tensionréseau, une mise à la terre du neutre en aval del’ASI est nécessaire pour le bon fonctionnementdes DDR (fermeture du contacteur K).

Fig. 28 : DDR intégrant un filtrage des courants HF(Vigirex RH99M et RH99P - marque Merlin Gerin).

Toutefois, cette mise à la terre ne serait pasindispensable pour la protection des personnescar :c L’installation est alors en schéma IT et lepremier défaut n’est pas dangereux,c La probabilité d’avoir un deuxième défautd’isolement pendant la durée de fonctionnementlimitée par l’autonomie des batteries de l’ASI esttrès réduite.

Version modulaire

Version tableau

Fig. 29 : dès la détection de l’absence du réseau sur l’alimentation de l’ASI, le contacteur K reconstitue le schéma TT en aval de l’ASI.

3L

3L

3LN

Interrupteur de transfert

3L

3L

N

3L

N

3L

N

Circuit by-pass

N

Équipementssecourus

Départs non secourus

NRelais de détection d'absence de tension

Interrupteur de transfert

(Maintenance) K

Défaut alimenté par l'ASI autonome

Défaut alimenté par le secteur


5 Conclusion

A l’heure où l’électricité, en tant que sourced’énergie, prend une part de plus en plusdominante, ceci dans le logement, le tertiaire etl’industrie, il était utile de rappeler le risqueélectrique, de le quantifier et de parfaire laconnaissance des Dispositifs DifférentielsRésiduels.Ceux-ci ont, comme tous les matériels, leursforces et leurs limites. Encore perfectibles, cesdispositifs jouent un rôle de plus en plusimportant dans la protection des personnes etdes biens.Tous les pays industrialisés utilisentmassivement les DDR, et ceci avec des SLTdifférents, dans l’industrie comme dans lelogement.Globalement, voici ce qu’il y a lieu de retenir desnormes et des pratiques d’installation.c Pour la protection des personnes contre lesrisques de contact direct, un DDR est nonseulement très utile mais souvent une mesurecomplémentaire imposée par les normes, quelque soit le SLT. C’est la protection ultime despersonnes.

c Pour la protection des personnes contre lesrisques de contact indirect, un DDR est :v obligatoire en schéma TT,v nécessaire en schéma IT s’il y a plusieursprises de terre,v à prévoir dans le cas de départs de grandelongueur en schéma TN et IT.c Les DDR participent aussi à la protectioncontre :v les risques d’incendie d’origine électrique; ilsconstituent la seule mesure efficace pour limiterle risque incendie ayant pour origine lescourants de cheminement quel que soit leschéma des liaisons à la terre,v les destructions de machines en schéma TN.Les DDR actuels continuent à progresser entermes de fiabilité et d’immunité auxphénomènes parasites qui ne correspondent pasà un défaut d’isolement.Ce document, en faisant mieux connaître lesprotections différentielles, doit contribuer à lasécurité de tous.


Annexe 1 : calcul des tensions de contact en cas de défaut

On résume ici le calcul des tensions de contacten cas de défaut d’isolement, suivant le type deSLT. Pour informations complémentaires, se

UdRd

N

A U0

BC

D

PE

Id

Schéma TN

Fig. 30 : tension de contact en cas de défaut d’isolement en schéma TN.

reporter au CT n°172 : Les schémas des liaisonsà la terre en BT (régimes de neutre).

Ud =0,8 U

2 si R R et Rd = 0o

PE ph= IdU

R Rd R0,8 U

R +Ro

AB CD

o

ph PE=

+ +⇒

Pour une alimentation 230/400 V, la tension de contact Ud vaut donc 92 V. Cette tension(supérieure à la tension limite conventionnelle de contact UL ) présente un danger, ce quiimpose l’ouverture du circuit.

En général, compte tenu de la valeur du courant de défaut Id, cette ouverture peut êtrecommandée par les dispositifs de détection de surintensité.

Lorsque les valeurs de résistance Rph et RPE sont élevées ou inconnues, la protection doitêtre assurée par un DDR.


Pour une alimentation 230/400 V, la tension de contact est de l’ordre de 115 V (si Ra=Rb).Cette tension (supérieure à la tension limite conventionnelle de contact UL ) présente undanger, ce qui impose l’ouverture du circuit.

Pour des résistances de terre de l’ordre de 10 Ω, le courant de défaut est voisin de 11 A.L’ouverture du circuit ne peut en général pas être commandée par les dispositifs de détectionde surintensité. L’utilisation d’un DDR est donc obligatoire.

IdU

R Ro

a≈

+ bUd

RR R

a

a b=

+Uo

Fig. 31 : tension de contact en cas de défaut d’isolement en schéma TT.

Même avec des capacités de fuite élevées de l’ordre de 1 µF, le courant de fuite If au premierdéfaut est inférieur à 0,1 A. Il en résulte une tension de contact non dangereuse, de l’ordre duvolt. La déconnexion n’est donc pas nécessaire au premier défaut.

Au deuxième défaut, on est ramené au cas TN.

N

If

If If

Rb

If

Ud ≈ Rb If

Contrôleurpermanentd'isolement(CPI)

Limiteurdesurtension

U0 321N

PE

Cf

Icn Ic1 Ic2

Cf Cf Cf

Fig. 32 : tension de contact en cas de défaut d’isolement en schéma IT.

Schéma IT

Schéma TT

Ud

N

PE

Rb Ra

IdU0


Annexe 2 : types de convertisseurs et allure des courants de défaut

Fig. 33 : courant de défaut correspondant aux différents montages à semi-conducteurs (suite p. 27).

La norme EN50178 (Équipement électroniqueutilisé dans les installations de puissance)précise les types de DDR à utiliser en

association avec différents montages à semi-conducteurs. Elle fournit également l’allure descourants de défaut correspondants.

L

1

2

3

4

5

Montage mono-alternance

ILIL

IdN tPE

L

Montage mono-alternance dontla charge comporte une f.e.m.

IL

IdNPE

L

Montage en pont double-alternance

IL

IdN

PE

L2L3

L1

Montage triphasé mono-alternance

IL

IdNPE

L

Montage en pont mixte double-alternance

IL

IdN

PE

Id

t

Id

t

IL

t

Id

t

IL

t

Id

t

IL

t

Id

t

IL

t

Type de montage Courant principal en fonctionnement normal Courant de défaut


Les circuits de type 8 et 9 doivent être protégéspar des DDR de type AC, A ou B.

Les circuits de type 1, 4 et 5 doivent êtreprotégés par des DDR de type A ou B.

Les circuits de type 2, 3, 6 et 7 doivent êtreprotégés par des DDR de type B.

Exemples de charges nécessitant le typeA ou B :

c Equipements avec redresseurs monophasés àdiodes (circuit de type 4) :v Equipements avec variateurs de vitessemonophasés (type convertisseurs de fréquence)Exemples : pompes, ventilateurs, climatiseurs,équipements de levage / manutention,ascenseurs, machines d’emballage, machinesspéciales (textile, usinage, …)

Puissance nominale : 0,37 à 2,2 kW en230 V/50 Hz (pour les puissances supérieures :l’alimentation est en général triphasée)Un défaut d’isolement est possible dans le casd’utilisation d’une résistance de freinageraccordée au circuit à tension continue (bus DC).Un défaut d’isolement interne est très peuprobable.v Alimentations pour circuits à courant continuExemples : équipements de soudure, chargeursde batteries, alimentations de systèmesélectroniques (automates, régulateurs, centrauxtéléphoniques, …), enroulement d’excitation demoteurs à courant continu, bobine d’électro-aimant.Puissance maximale : 3 kW (pour les puissancessupérieures, l’alimentation est en généraltriphasée).

7

8

9

Type de montage Courant principal en fonctionnement normal Courant de défaut

6

N

L1

Montage en pont monophasédouble-alternance entre phases

IL

IdL2

PE

Id

t

IL

t

L

Gradateur à contrôle de phase

IL

Id

NPE

N

L1

Montage en pont triphasé(redressement hexaphasé)

IL

IdL2

PE

L3

IL

t

Id

t

IL

IL

t

Id

t

Id

t

L

Gradateur à train d'ondes

IL

Id

NPE

Fig. 33 (suite de la page 26) : courant de défaut correspondant aux différents montages à semi-conducteurs.


Remarque : La plupart du temps, leséquipements intègrent un transformateurd’isolement en amont du redresseur. Un défautd’isolement entre le circuit à tension continue etla terre ne provoque alors aucun courant dedéfaut. Cette disposition permet en particulier defonctionner avec une polarité d’une batteriereliée à la terre par exemple.v Alimentation à découpageExemples : équipement informatique, Hifi, vidéo, …c Equipements avec redresseur monophasé àthyristors (circuit de type 5)v Variateurs de vitesse pour moteur à courantcontinuCette technologie est largement supplantée parles convertisseurs de fréquence, mais toujoursprésente.Puissance nominale : < 10 kWv Chargeurs de batteriesCe type de redresseur est utilisé pour certainschargeurs de batteries, mais en général, untransformateur d’isolement est placé en amontdu redresseur. Il n’y a donc pas de courantdifférentiel en cas de défaut en aval duredresseur.

Autres types d’équipements avec courantsde défaut non sinusoïdaux :

c Convertisseur de fréquence avec alimentationmonophaséeL’étage d’entrée est un circuit de type 4. Pour undéfaut sur le circuit à tension continue, un DDRtype A convient.Lors d’un défaut en sortie de variateur, l’allure ducourant est représentée sur la figure 34.Cette forme d’onde n’est pas décrite par lesnormes en vigueur. Des travaux ont été initiés àla CEI afin de couvrir également ces casparticuliers. Même si ce courant ne correspondpas à l’allure donnée dans la définition des DDRde type A, les DDR de type A de la marqueMerlin Gerin permettent d’assurer la protection.c Convertisseur de fréquence avec alimentationtriphaséeL’étage d’entrée est un circuit de type 7, etnécessite l’utilisation d’un DDR de type B.Lors d’un défaut en sortie de variateur, l’allure ducourant est représentée sur la figure 35.Un DDR de type B assure parfaitement laprotection.

Fig. 35 : courant de défaut en sortie de convertisseurde fréquence triphasé.

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,020,01 0,030 0,04

A

t

(s)

Fig. 34 : courant de défaut en sortie de convertisseurde fréquence monophasé.

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,010

A

t

(s)

0,02

En l’absence de risque de défaut sur le bus DC,un DDR de type A pourrait convenir, même si cecourant ne correspond pas à l’allure donnéedans la définition des DDR de type A.


Annexe 3 : courants de fuite pour différents SLT

Différence de courant homopolaire entreschémas TT/TN et IT

Considérons le schéma simplifié d’un appareilalimenté entre phase et neutre, en schéma TN.Les capacités C sont raccordées entre lesconducteurs actifs et la terre pour assurerl’immunité de l’appareil aux perturbations duréseau.

N C

CPE

i1V1

a

N C

CPE

i1

i2

V1

V2

a

a

Fig. 36 : appareil raccordé en schéma TN.

Fig. 37 : appareil raccordé en schéma IT.

Le courant mesuré par le DDR est égal à :i1 = V1.C.ωDans le cas d’un schéma IT, en supposant unpremier défaut sur la phase 2, le schémasimplifié est le suivant :

Le courant mesuré par le DDR est égal à :iT = i1 - i2

avec i1 = (V1 - V2).C.ω

i2 = V2.C.ω

Par ailleurs, nous avons :

V1 = V.sin ωt

V2 = V.sin (ωt - 2π3

)

Calculons iT :

iT = i1 - i2 = (V1 - 2V2).C.ω

i V.C. sin t - 2sin t -23T = ⎛

⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ω ω ω

π

i V.C. sin t - 2 sin t.cos23

- sin23

.cos tT = ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ω ω ω

π πω

i V.C. .2 sin t +3

2.cos tT =

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ω ω ω

Cette expression s’écrit aussi :

iT = V.C.ω.2.a.(cosα.sinωt + sinα.cosωt)

iT = V.C.ω.2.a.sin(ωt + α)

avec par identification :

a.cosα = 1

a.sinα =3

2

d’où : a2 cos sin 134

2 2α α+( ) = +

On obtient : a =72

i V.C. . 7sin( t )T = +ω ω α

En module, le courant de fuite est 7 ≈ 2,6 foisplus élevé au premier défaut en IT qu’en TN.


Il y a donc un risque de déclenchementindésirable au premier défaut en IT, ce quiconduit à réduire le nombre d’appareilsraccordés par DDR par rapport au nombreautorisé en TN. (Voir tableau récapitulatif ci-dessous).

Limitation du nombre d’appareils raccordéspar DDR :Alimentations de postes informatiques :

Nb. max de charges TT TN-S ITpar DDR 30mA siPoste bureautique * 6 4 2Station de travail ** 3 2 1

* : comprend une unité centrale, un écran et uneimprimante laser.

** : comprend une unité centrale avec extensions, unécran de grandes dimensions, et une imprimante laser.

Nb. max de ballasts TT TN-S ITpar DDR si300 mA 300 220 10030 mA 30 22 10

Pour des configurations réduites, le nombre depostes peut être augmenté.

Alimentation de lampes à ballasts électroniques :


Annexe 4 : seuil des DDR en fonction de la tension réseau

Aux USA, certains circuits de prises de courant,sur lesquels le PE n’est pas distribué, sontprotégés par un GFCI : « Ground fault circuitinterrupter », qui est un dispositif différentiel.Ceci est imposé par l’article 210-8 du NEC,680-10, 511-10. Si la protection différentielle estutilisée, elle est intégrée dans les prises, lasensibilité retenue est de 5 mA.

La (ou les) raison(s) du choix de cette sensibilitéde 5 mA (± 1 mA) n’est pas décrite de manièreexplicite dans un document, néanmoinsplusieurs facteurs convergents expliquent cechoix.

Il faut tout d’abord remarquer que la distributionbasse tension sous 120 V en schéma TN-Slimite sensiblement les risques. En effet en casde défaut d’isolement franc dans un appareil, sila résistance des conducteurs de phase (section,longueur) est équivalente à la résistance desconducteurs de retour (PE ou conduitmétallique), la tension de contact sur la massedes appareils défectueux sera égale à environ lamoitié de la tension phase soit 60 V.

Cette tension de 60 V est proche de la tensionde 50 V reconnue comme non dangereuse(tension limite conventionnelle de contact).En conséquence le normalisateur aux USA aconsidéré qu’en raison des caractéristiques de ladistribution BT en Amérique du Nord, laprotection complémentaire contre les contactsdirects n’est pas aussi nécessaire que sur lesréseaux triphasés 230/400 V pour lesquels latension de contact sur la masse d’un appareil endéfaut est double. Ceci explique pourquoi, auxUSA, la protection contre les contacts directs nes’est pas imposée au niveau des tableaux mais

au niveau des prises de certains circuitsseulement.

En cas de contact direct avec un conducteur, parexemple dans le cas d’une rallongeendommagée, la tension de contact aux USA estde 120 V. L’impédance du corps humain à 120 Vest plus élevée qu’à 230 V et se situe auxenvirons de 2200 Ω (valeur médiane). Lecourant qui s’écoulerait dans le corps de lapersonne serait en conséquence aux environsde 120 V/2200 Ω = 54,5 mA.

Un DDR de sensibilité 30 mA déclencherait en300 ms pour un courant de 54,5 mA (< 2 I∆n)selon les tables de déclenchement des normesCEI. Ce temps est relativement long et lapersonne serait fortement « secouée » par uncourant qui circulerait aussi longtemps dans soncorps.

Pour un réseau 120 V entre phase et neutre, lechoix d’un DDR 5 mA semble donc plusapproprié car le temps de déclenchement pourle même courant de 54,5 mA (> 5 I∆n) est de40 ms seulement. Le déclenchement est alorsaussi rapide que pour un DDR 30 mA utilisé surun réseau 230 V.

La sensibilité de 5 mA utilisée aux USA pour laprotection contre les contacts directs au niveaudes prises de courant semble donc appropriéepour le réseau TN-S biphasé 240 V entrephases utilisé aux USA.

Pour un réseau triphasé 230 V entre phase etneutre, la sensibilité 30 mA est plus adaptéepour assurer la protection contre les contactsdirects au niveau des tableaux électriques ouéventuellement des prises de courant.


Annexe 5 : Bibliographie

Documents de référence :

c CEI 60364 : « Installations électriques desbâtiments ».

c CEI 60479-1 : « Effets du courant sur l’hommeet les animaux domestiques – Partie 1 : Aspectsgénéraux ».

c CEI 60479-2 : « Effets du courant passant parle corps humain – Partie 2 : Aspectsparticuliers »

c CEI 60755 : « Règles générales pour lesdispositifs de protection à courant différentielrésiduel ».

c CEI 60947-2 : « Appareillage à basse tension– Partie 2 : Disjoncteurs ».

c CEI 61008 : « Interrupteurs automatiques àcourant différentiel résiduel pour usagesdomestiques et analogues sans dispositif deprotection contre les surintensités incorporé (ID) ».

c CEI 61009 : « Interrupteurs automatiques àcourant différentiel résiduel avec protectioncontre les surintensités incorporée pourinstallations domestiques et analogues (DD) ».

c CEI 61200-413 : « Guide pour les installationsélectriques – Partie 413 : Protection cotre lescontacts indirects – Coupure automatique del’alimentation ».

c EN 50178 : Équipement électronique utilisédans les installations de puissance.

Cahiers Techniques Schneider-Electric

c Protection des personnes et alimentationsstatiques sans coupure.Cahier Technique n° 129 - J-N. FIORINA

c Evolution des disjoncteurs BT avec la normeIEC 60947-2.Cahier Technique n° 150 - E. BLANC

c Les schémas de liaisons à la terre en BT(régimes de neutre).Cahier Technique n° 172B. LACROIX et R. CALVAS

c Les schémas de liaisons à la terre dans lemonde et leurs évolutions.Cahier Technique n° 173B. LACROIX et R. CALVAS

c Perturbations des systèmes électroniques etschémas de liaisons à la terre.Cahier Technique n°177 - R. CALVAS

c Le schéma IT (à neutre isolé) des liaisons à laterre en BT.Cahier Technique n°178F. JULLIEN et I. HERITIER

c Coexistence courants forts - courants faibles.Cahier Technique n° 187R. CALVAS et J. DELABALLE

c Protection BT et variateurs de vitesse(convertisseurs de fréquence).Cahier Technique n° 204J. SCHONEK et Y. NEBON

Autres publications

c Guide de l’installation électrique.Schneider-Electric CITEF

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