Compréhension du régime de neutre ou schéma des liaisons à la terre

En France, le schéma des liaisons à la terre ou régime de neutre, adopté par les services de distribution Public (EDF), est le régime TT. Il existe d’autres régimes de neutre tels que TN ou IT. Sur certaines installations industrielles privées, il est possible d’établir un régime de neutre différent du TT, comme par exemple le TN-C ou le TN-S. Dans les chapitres suivants, nous allons en expliquer le principe, les avantages et les inconvénients de ces différents régimes de neutre. 

Régime de neutre ou schémas de liaisons à la terre

Les schémas de liaisons à la terre ont pour objectif d’assurer la protection des biens et des personnes contre les défauts d’isolement. Ils constituent une boucle appelée « boucle de défaut» permettant l’écoulement des courants de défaut et ainsi solliciter les dispositifs de protection par coupure automatique. Tout cela, en vue d’éviter les risques d’électrisation, voire d’électrocution.

Anciennement dénommé « régime de neutre », voici une brève présentation des 3 schémas de liaison à la terre utilisés en distribution basse tension.

Le conducteur neutre et les masses métalliques

Chaque schéma se différencie par le mode de connexion du neutre de la source d’alimentation par rapport à la terre, ainsi que la manière dont on met à la terre les masses métalliques de l’installation.

En résumé, le mode de liaison à la terre de ces deux éléments va conditionner des paramètres liés à la sécurité des personnes et du matériel.

On distingue 3 schémas de liaison à la terre :

  • TT
  • TN (et ses variantes TN-C et TN-S)
  • IT

On utilise des lettres pour dissocier chaque schéma :

  • La 1ère lettre indique le mode de connexion du neutre de la source par rapport à la terre.
  • La 2ème lettre indique le mode de connexion des masses métalliques de l’utilisation par rapport à la terre.

Ainsi, le T indique que l’élément en question se relie à la Terre.

Le N indique que l’élément en question est relié au Neutre.

Enfin, le I indique que l’élément en question n’est pas relié directement (Isolé ou Impédant) à la terre.

Il est à préciser que le N n’occupera jamais la première lettre du binôme ; par contre, le I n’occupera jamais la deuxième.

Les 3 types de schémas de liaison à la terre

  1. TT (mise à la terre du neutre, et mise à la terre des masses métalliques)
  2. TN (mise à la terre du neutre, mise au neutre des masses métalliques)
  3. IT (neutre impédant ou isolé de la terre, mise à la terre des masses métalliques)

Le potentiel du neutre peut être fixé par rapport à la terre par cinq méthodes différenciées par la nature, (capacité, résistance, inductance) et la valeur (zéro à l’infini) de l’impédance Zn de liaison que l’on connectera entre neutre et terre.

Dans ce cas Zn est :

  • neutre isolé, pas de liaison intentionnelle,
  • résistance de valeur plus ou moins élevée,
  • réactance de valeur faible, en général,
  • réactance destinée à compenser la capacité du réseau,
  • 0 – le neutre se relie directement à la terre.

Difficultés et critères de choix d’un régime de Neutre

Les critères de choix concernent de multiples aspects :

  •   techniques (fonction du réseau, surtensions, courant de défaut etc…),
  •   d’exploitation (continuité de service, maintenance),
  •   de sécurité,
  •   économiques, (coûts d’investissements, d’exploitation),
  •   habitudes locales ou nationales.

En particulier, deux considérations techniques importantes sont contradictoires :

Réduire le niveau des surtensions

Les surtensions ont plusieurs origines :

  •   atmosphérique liées à la foudre auxquelles sont exposés tous les réseaux aériens jusqu’au point de livraison aux usagers,
  •   internes au réseau engendrées par les manoeuvres et certaines situations critiques (résonances de certains réseaux),
  •   résultant du défaut à la terre lui-même et de son élimination par les protections habituelles (disjoncteurs).

Réduire le courant de défaut à la terre Id.

Un courant de défaut trop élevé, entraîne toute une série de conséquences :

  • dégâts par l’arc au point de défaut ; en particulier fusion des circuits magnétiques des machines tournantes,
  • tenue thermique des écrans de câble.
  • dimensions et coût de la résistance de mise à la terre,
  • induction dans les circuits de télécommunications voisins,
  • danger pour les personnes, par élévation du potentiel des masses.
  • Malheureusement l’optimisation de l’une de ces exigences entraîne automatiquement la dégradation de l’autre. 

Ainsi deux méthodes typiques de mise à la terre du neutre accentuent ce contraste :

  1. le neutre isolé, qui supprime la circulation dans le neutre du courant de défaut terre, mais génère le plus de surtensions du fait de l’absence de référence en tension,
  2. le neutre à la terre direct, qui réduit au minimum les surtensions, mais provoque un courant de défaut élevé du faible de la faible résistance du câble de mise à la terre.

 Le choix se portera souvent sur une solution intermédiaire de neutre relié à la terre par impédance.

Schéma du Neutre Isolé (IT)

Sur un tel schéma de liaison à la terre, à Neutre Isolé, un défaut phase – terre ne provoque qu’un faible courant (Id) par l’intermédiaire des capacités phase-terre des phases saines.

La Loi d’Ohms (U=RI ou U=ZI soit U=1/ Cω I) simplifiée montre que Id = 3CωV.

– V étant la tension simple,

– C la capacité d’une phase par rapport à la terre,

ω la pulsation du réseau (ω = 2πf avec f=50hz en France).

Le courant Id peut subsister longtemps en principe sans dommages car il ne dépasse pas quelques Ampères (2A par km environ pour un câble unipolaire 6kV de section 150mm2 isolé au PRC dont la capacité est 0,63μF/km).

Comme on le constate, le courant de défaut est suffisamment faible (de l’ordre des courants de fuite occasionnés par certains équipements eux-mêmes) pour maintenir en service l’installation.

Ce type de liaison entraine néanmoins les conséquences suivantes :

  • Le défaut d’isolement s’il n’est pas éliminé doit être obligatoirement signalé par un contrôleur permanent d’isolement, type Vigilohm IM9 ou IM400 de chez SCHNEIDER.
  • La recherche ultérieure du défaut exige d’une part un appareillage d’autant plus complexe qu’il est automatique, pour permettre une identification rapide du départ en défaut, d’autre part un service entretien qualifié pour l’exploiter.
  • Au cas où le premier défaut ne s’élimine pas, un deuxième défaut survenant sur une autre phase provoquera un véritable court-circuit biphasé par la terre. Celui-ci sera éliminé par les protections de phase (disjoncteurs de la gamme SCHNEIDER ou LEGRAND).

Avantage

L’avantage essentiel est la continuité de service parce que le courant de défaut Id, très faible, permet de ne pas déclencher automatiquement.

Inconvénients

La non élimination des surtensions par écoulement à la terre est un handicap majeur si elles sont élevées. De plus, en cas de mise à la terre d’une phase, les autres se trouvent portées à la tension composée par rapport à la terre ; ce qui renforce la probabilité d’un second défaut. Le coût d’isolement est plus élevé car la tension composée reste appliquée entre phase et terre pendant une durée qui peut être longue puisqu’il n’y a pas de déclenchement  automatique. Un service entretien équipé du matériel adéquat pour la recherche rapide du 1er défaut d’isolement est nécessaire.

Schéma du Neutre Résistant (résistance entre le point neutre et la terre) 

Dans ce type de schéma, une impédance résistive limite le courant de défaut à la terre Id, tout en permettant un bon écoulement des surtensions. Une protection à seuil généralement placée dans le circuit de neutre doit intervenir pour éliminer le premier défaut.

Dans les réseaux alimentant des machines tournantes la valeur de la résistance est déterminée pour obtenir un courant Id de l’ordre de 15 à 50A.

Dans les réseaux de distribution, on adopte des valeurs plus élevées (100 à 1000A) plus faciles à  détecter et permettant l’écoulement des surtensions de foudre.

Avantage

Ce schéma de liaison est un bon compromis entre un courant de défaut Id faible et des surtensions bien écoulées. Les protections sont simples, sélectives et le courant est limité.

Inconvénients

Le premier réside dans le fait qu’il n’y a pas de continuité de service ; en cas de défaut terre, celui-ci doit être éliminé aussitôt.

Le second point est que le coût de la résistance de mise à la terre croît avec la tension et le courant devant être limité car la puissance dissipée dans cette résistance est proportionnelle au carré du courant (I2).

Schéma du Neutre Impédant (réactance entre le point neutre et la terre) 

Pour les tensions de réseaux supérieures à 40kV, on préfère utiliser une réactance (bobine à inductance) plutôt qu’une résistance pour des raisons de difficulté de réalisation dues au dégagement de chaleur en cas de défaut.

Ce système permet de compenser le courant capacitif du réseau.

En effet le courant de défaut Id est la somme des courants qui parcourent les circuits suivants :

  • la mise à la terre par la réactance,
  • les capacités des phases saines par rapport à la terre.

Ces courants se compensent puisque :

  • l’un est selfique  (dans la mise à la terre),
  • l’autre est capacitif (dans les capacités des phases saines).

Ils s’ajoutent en opposition de phase ; soit vectoriellement égale à zéro.

En pratique, la faible valeur de la résistance fait circuler un petit courant résistif Ik1 de quelques ampères.

Sur le réseau français, au niveau du poste source un système d’accord automatique (SAA) réalise périodiquement l’ajustement pour prendre en compte le changement de topologie du réseau, le désaccord maximum autorisé est de 40 A.

Avantage

  Ce système permet de diminuer les courants de défaut Id même si la capacité phase terre est grande.

  •   A l’endroit du défaut, les tensions de contact sont limitées.
  •   Le maintien en service de l’installation est assuré malgré un défaut permanent.
  •   Le signalement du premier défaut est donné par la détection du passage du courant dans la bobine de point neutre.

Inconvénients

  • Le coût de la réactance de mise à la terre peut être élevé en raison de la nécessité de modifier la valeur de la réactance pour adapter la compensation.
  • Pendant la durée du défaut, il faut s’assurer que le courant résiduel circulant ne présente pas de danger pour les personnes et les biens.
  • Les risques de surtension transitoire sur le réseau sont importants.
  • La mise en œuvre de protections sélectives au premier défaut est délicate.

Protection

La détection du défaut se base sur la composante active du courant résiduel. En effet, le défaut provoque la circulation de courants résiduels dans l’ensemble du réseau. Cependant, seul le circuit en défaut est parcouru par un courant résiduel résistif.

De plus les dispositifs de protection tiennent compte des défauts auto-extincteurs répétitifs (défauts récurrents).

Lorsque la réactance de la mise à la terre et la capacité du réseau sont accordées (3LNCω2=1)

  • le courant de défaut est minimum,
  • c’est un courant résistif,
  • le défaut est auto-extincteur.

La réactance de compensation s’appelle alors bobine d’extinction ou bobine de Petersen.

Schéma du Neutre raccordé à la terre

Le neutre se relie à la terre sans impédance ni résistance de liaison. Ainsi, le courant de défaut Id entre phase et terre est pratiquement un court-circuit phase neutre, donc de valeur élevée.

Ce schéma, idéal pour l’écoulement des surtensions, entraîne tous les inconvénients et dangers d’un fort courant de défaut terre.

Il n’y a pas de continuité de service. En revanche, pas de protections spécifiques, les protections normales de surintensités de phases agissent pour éliminer le défaut.

Le dimensionnement de la section du conducteur permet la mise à la terre du neutre du transformateur HT/BT. Il doit être réalisé en prenant en compte la contrainte thermique du conducteur (I2S) et la valeur maximale Ik1 du court-circuit susceptible d’être développé (court-circuit phase-neutre).

Il faut également garder présent à l’esprit le fait que des courants harmoniques à des fréquences multiples du 50hz peuvent également induire des échauffements. Dans ce cas, c’est la valeur du courant asymétrique qu’il faut prendre en compte pour déterminer la section du conducteur. Il ne faut pas prendre en compte le courant de court-circuit permanent.

Conclusion

Comme évoqué en début d’article, c’est surtout le régime de neutre TT qu’on rencontre et qu’on exploite en France. Selon les applications, il est possible d’établir un régime de neutre de type TN-C ou TN-S. Cela se fait à la condition que le poste de transformation HT/BT soit chez le client.

La particularité du régime de neutre TN-C réside dans le fait que le conducteur de neutre (N) et le conducteur de protection (PE) sont communs (PEN). Cela permet l’économie d’un conducteur ainsi que d’un pôle au niveau des protections par disjoncteurs. Le point important à noter est qu’il devient interdit de couper le conducteur de neutre. Il fait office de conducteur de protection. Toutefois, une attention particulière se porte sur le repérage de ces câbles ou conducteurs.

La particularité du régime de neutre TN-S réside dans le fait que le conducteur de neutre (N) se sépare du conducteur de protection (PE). Par conséquent, cela qui signifie qu’une distinction se faite au niveau des câbles ou conducteurs. (Neutre en bleu et PE en V/J). Les disjoncteurs habituels coupent le pôle correspondant au neutre. L’avantage principal est donc la résistance de boucle de défaut. Ce qui est difficile en régime TT compte-tenu de la variation de résistance des terres.

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