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Protection des réseaux à basse tension de distribution publique par Alain CROGUENNOC Ingénieur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble Ingénieur au Département Réseaux du Service Technique Électricité de la Direction EDF GDF SERVICES

1. Stru Struct ctur ure e des des rése réseau aux x BT BT ...................................... ......................................................... ................................ ............. 1.1 Topolog opologie ie des réseau réseauxx ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 1.2 Consti Constitut tution ion des réseau réseauxx ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 1.2.1 Réseaux aériens ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 1.2.2 Réseaux souterrains ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 1.2.33 Remarque 1.2. Remarque ......... .............. .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... 1.3 1.3 Sché Schéma mass des des rése réseau auxx ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 1.3.1 Réseau de type souterrain souterrain (avec coupe-circuit à fusibles MT) ....... 1.3.2 Réseau de type aérien (sans (sans coupe-circuit à fusibles MT) ..............

D 4 815 - 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 3

2. Analys Analyse e des des défau défauts ts affe affecta ctant nt les les rése réseaux aux BT .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 2.1 Partic Particula ularit rités és des des défa défauts uts BT ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 2.1.11 Courts-cir 2.1. Courts-circuits cuits..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 2.1.2 Défauts à la terre... terre ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 2.1.3 Rupture du conducteur conducteur de neutre .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 2.2 Analyse Analyse des des défauts défauts BT sur les réseaux réseaux français français .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

— — — — — —

3 3 3 3 3 4

3. Plan Plan de de prot protec ecti tion on des des rése réseau aux x BT BT .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 3.1 Données Données de de base base du plan de protect protection ion franç français ais.. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 3.1.11 Réglementa 3.1. Réglementation tion... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 3.1.2 Technologie des réseaux... réseaux ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 3.1.33 Régime 3.1. Régime de neutre neutre ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 3.2 Éléments Éléments de prote protection ction des réseaux réseaux français français .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 3.3 Caractéri Caractéristiqu stiques es des protec protections tions des des réseaux réseaux franç français ais ... ...... ...... ...... ....... ...... ....... ....... ...... .. 3.3.1 Disjoncteur du client... client...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 3.3.2 Coupe-circuit à fusibles BT ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 3.3.3 Disjoncteur BT associé associé au transformateur transformateur MT/BT .... ......... ....... ...... ....... ....... ...... ...... 3.3.4 Coupe-circuit à fusibles MT ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...

— — — — — — — — — — —

4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5

4. Coor Coordin dinat atio ion nd des es prot protec ecti tion onss....... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 4.1 Géné Générrali alités tés ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 4.2 Protec Protectio tions ns des résea réseaux ux BT ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 4.2.1 Réseau ne comportant pas de fusible de de pied de colonne ............. 4.2.2 Réseau comportant des fusibles fusibles de pied de colonne ...................... 4.3 Protec Protectio tions ns des trans transfor format mateur eurss MT/BT .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 4.3.11 Protection 4.3. Protectionss MT.... MT ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 4.3.22 Protection 4.3. Protectionss BT..... BT .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 4.4 Méthod Méthodee de coordi coordinat nation ion... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... .....

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5 5 6 6 6 7 7 8 9

Pour en savoir plus ....................................... .......................................................... ....................................... ................................. .............

Doc. D 4 815

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploita tion du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

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PROTECTION DES RÉSEAUX À BASSE TENSION DE DISTRIBUTION PUBLIQUE ______________________________________________________________________

ans cet article nous allons traiter la structure des réseaux BT, l’analyse des

D défauts affectant les réseaux BT, le plan de protection des réseaux BT et la coordination des protections.

Le lecteur pourra se reporter aux autres articles de la rubrique Protection des réseaux : Généralités [D 4 800] ; Protection des réseaux de transport et de répartition [D 4 805] ; Protection des réseaux à moyenne tension de distribution publique [D 4 810] ; Protection des installations industrielles et tertiaires [D 4 820].

1. Structure des réseaux BT

1.3 Schémas des réseaux

1.1 Topologie des réseaux

Les schémas des réseaux BT sont très différents selon les exploitations et les habitudes des distributeurs. On décrit, ci-après, les principaux schémas utilisés par Électricité de France.

Les réseaux à basse tension (BT : < 1 kV) sont en grande majorité exploités en antenne et généralement en structure arborescente (article Protection des réseaux. Généralités [D 4 800]). Certains réseaux de grandes villes, comme Paris, sont exploités maillés pour assurer une meilleure qualité de service.

1.2 Constitution des réseaux Les réseaux BT sont généralement issus de sources triphasées, mais dans de nombreux pays, notamment d’Amérique du Nord, les réseaux BT sont monophasés. Les techniques utilisées sont celles des réseaux aériens et des réseaux souterrains.

1.2.1 Réseaux aériens

1.3.1 Réseau de type souterrain (avec coupe-circuit à fusibles MT) Un réseau BT de type souterrain (figure 1), utilisé en zone urbaine, comporte en série, depuis le client (C) jusqu’en amont du transformateur MT/BT (moyenne tension/basse tension), les protections suivantes : — le disjoncteur d du client ; — les coupe-circuit à fusibles AD d’accompagnement de ce disjoncteur ; — les coupe-circuit à fusibles sectionneurs FC de pied de colonnes montantes des immeubles ; — les coupe-circuit à fusibles sectionneurs FD des départs BT ; — les coupe-circuit à fusibles FMT du transformateur MT/BT. On trouve également, de part et d’autre du transformateur T, des interrupteurs sectionneurs pour la basse tension ( IBT) et la moyenne tension ( IMT).

Nota : le lecteur pourra se reporter, dans ce traité, à l’article Câbles aériens isolés

[D 4 500].

Ils existent généralement dans les zones rurales et sont constitués par : — des conducteurs isolés torsadés assemblés en faisceaux ; un faisceau comprend un neutre porteur, généralement en almelec, autour duquel sont torsadés les trois conducteurs de phase en cuivre ou aluminium et, éventuellement, le ou les conducteurs d’éclairage public ; — des conducteurs nus en cuivre ou en alliage d’aluminium (ce type de réseau n’est plus développé en France).

1.2.2 Réseaux souterrains Ils sont constitués de câbles isolés comprenant les conducteurs de phase et le conducteur de neutre.

1.2.3 Remarque En triphasé, le neutre est pratiquement toujours distribué et mis à la terre régulièrement, sur divers points des départs aériens et dans les boîtes de jonction ou de dérivation. Les réseaux monophasés distribuent deux fils avec mise à la terre régulière du neutre.

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Figure 1 – Réseau de type souterrain : schéma

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1.3.2 Réseau de type aérien (sans coupe-circuit à fusibles MT) Un réseau BT de type aérien, utilisé dans les zones rurales, comporte (figures 2 et 3), depuis le client (C) jusqu’en amont du poste T de transformation MT/BT, les protections suivantes : — le disjoncteur d du client ; — les coupe-circuit à fusibles AD d’accompagnement de ce disjoncteur ; — les coupe-circuit à fusibles sectionneurs FD des départs BT, s’il y a lieu ; — le disjoncteur D pour un poste sur poteau et l’interrupteur I ou le disjoncteur D, dans le cas de poste type cabine [poste bas simplifié (dans ce traité, article Postes à moyenne tension [D 4 600])], le choix étant fonction de la longueur, de la section des conducteurs et de la nature du réseau BT (§ 3.3.3.2). Sur ce type de réseau, on n’a pas installé de coupe-circuit à fusibles pour le transformateur MT/BT, mais leur mise en place est envisagée. En revanche, on trouve des éclateurs ou des parafoudres pour protéger le transformateur contre les perturbations atmosphériques.

PROTECTION DES RÉSEAUX À BASSE TENSION DE DISTRIBUTION PUBLIQUE

2. Analyse des défauts affectant les réseaux BT 2.1 Particularités des défauts BT Les réseaux BT, tant aériens que souterrains, et les transformateurs MT/BT sont le siège de défauts qui peuvent s’analyser comme suit.

2.1.1 Courts-circuits Ce sont les courts-circuits entre phases et entre phase et neutre dont les intensités de courant sont liées à la puissance de court-circuit du lieu de défaut considéré ; leur élimination doit être rapide pour éviter une détérioration des éléments du réseau par effets Joule ou électrodynamique.

2.1.2 Défauts à la terre

Figure 2 – Réseau de type aérien : schéma d’un poste sur poteau

Ce type de défaut, qui entraîne généralement un faible courant homopolaire, peut, dans certains cas, exister et ne pas être détecté, notamment en cas de résistance de terre élevée. Le courant de défaut est limité par la résistance de la mise à la terre du neutre du réseau BT et par les impédances directe et homopolaire du transformateur et du réseau. La fréquence de ces défauts est faible dans le cas des réseaux torsadés, où le neutre BT sert de porteur, et des câbles BT, où le neutre sert d’écran aux autres pha ses. Chez les clients BT, si les masses ne sont pas reliées au neutre BT (comme en France, par exemple), le court-circuit entre phase et masse fait circuler un courant dans la terre du client. Si le potentiel de cette terre monte à une valeur dangereuse, un dispositif de protection (disjoncteur différentiel) doit provoquer le déclenchement de l’installation. Une résistance de terre trop élevée pour l’installation du client peut avoir pour conséquence une montée en potentiel de la terre dépassant cette valeur et ne s’accompagnant pas toujours d’un déclenchement du disjoncteur différentiel.

2.1.3 Rupture du conducteur de neutre

Figure 3 – Réseau de type rural : schéma d’un poste bas simplifié

En cas de rupture du conducteur de neutre du réseau BT, le potentiel du neutre en aval du défaut n’est plus lié à celui du neutre du transformateur MT/BT que par les résistances de terre R N du neutre BT (figure 4). Tant que le réseau aval est équilibré, il n’y a pas de manifestations. Mais en cas de déséquilibre des charges, les tensions entre phase et neutre évoluent de la façon suivante : — pour la phase la moins chargée, la tension est supérieure à la tension assignée et, au fur et à mesure que la charge continue à diminuer (à cause de la destruction progressive des matériels), la contrainte augmente et cela jusqu’à épuisement du matériel raccordé sur cette phase ; — pour les autres phases, la tension décroît progressivement.


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3.1 Données de base du plan de protection français 3.1.1 Réglementation

Figure 4 – Rupture du conducteur de neutre

2.2 Analyse des défauts BT sur les réseaux français Les réseaux BT français sont constitués de 623 000 km de lignes dont 36 % en torsade aérienne isolée et 16 % en souterrain et de 653 000 postes MT/BT, dont 423 000 sur poteau. Le nombre total d’incidents en ligne, en 1989, a été de 74 947, soit 12,18 incidents par 100 km et par an. Les incidents se répartissent en incidents : — sans dégâts constatés ......................................................... 23 % — sur les postes MT/BT........................................................... 15 % — sur les réseaux BT ............................................................... 57 % — sur les branchements avec répercussion sur le réseau BT ......................................................................5 % Les taux d’incidents ayant entraîné des dégâts sur les canalisations BT varient beaucoup en fonction des technologies utilisées : • 10,37 incidents par 100 km et par an, pour les conducteurs nus ; • 1,5 incidents par 100 km et par an, pour les câbles torsadés aériens ; • 6,7 incidents par 100 km et par an, pour les câbles souterrains.

3. Plan de protection des réseaux BT Comme pour les réseaux à moyenne tension, le plan de protection est un compromis entre les objectifs de sensibilité, de rapidité et de fiabilité. Outre un bon fonctionnement en régime normal, il doit permettre la sécurité des personnes et des biens, n’éliminer que la partie en défaut et assurer la continuité de service de la partie en amont du dispositif de protection. Généralement, le plan de protection BT inclut, à la différence des protections MT, les protections de surcharge. En effet, il y a peu de capteurs sur les réseaux BT pour informer l’exploitant. Les plans de protection dépendent de la réglementation, de la technologie des réseaux et du régime de neutre. À titre d’exemple, on décrit ci-après le plan de protection des réseaux français.

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L’arrêté interministériel du 2 avril 1991 définit (article 45) les conditions de raccordement du neutre BT. Les distributions triphasées doivent comporter un conducteur neutre relié à un point neutre et mis directement à la terre. Le conducteur neutre des lignes aériennes doit être mis à la terre régulièrement le long de la ligne. Parmi les choix proposés par la norme NF C 15-100, EDF a opté pour la séparation des prises de terre du réseau BT et de celles des clients desservis par ce réseau. Cela implique, pour détecter les défauts d’isolement chez les clients, la mise en œuvre de disjoncteurs différentiels. Leurs seuils de fonctionnement sont choisis de telle sorte que, pour les défauts résistants entraînant des courants à la terre insuffisants pour provoquer le déclenchement, la tension appliquée alors en permanence sur les masses ne dépasse pas une valeur de 50 V.

3.1.2 Technologie des réseaux 84 % des réseaux BT français sont aériens ; la moitié de ces ouvrages est constituée par des câbles torsadés qui remplacent progressivement (2 % par an) les conducteurs nus. Les défauts à la terre sont difficiles à détecter (§ 2.1.2). Ces défauts sont dus principalement à la rupture de conducteurs nus et sont donc en régression.

3.1.3 Régime de neutre Du fait de la distribution du neutre BT et de sa mise à la terre tout le long des réseaux (§ 3.1.1), les incidents se traduisent généralement par des défauts entre phase et neutre. Les courants de défaut ne sont limités que par l’impédance directe et homopolaire du transformateur et par l’impédance de ligne. Ainsi, les technologies utilisées et le choix du régime de neutre ne nécessitent pas la mise en œuvre de dispositions particulières pour détecter les défauts résistants.

3.2 Éléments de protection des réseaux français Afin de protéger les installations d’un réseau BT contre les défauts susceptibles de les affecter, on met en place et on coordonne un système de protections s’étendant des branchements individuels à l’amont du transformateur MT/BT. Le système de protections comporte essentiellement, comme on l’a vu au paragraphe 1.3, des disjoncteurs et des coupe-circuit à fusibles (figures 1, 2 et 3) se répartissant comme suit : — chez le client : disjoncteur (d) et coupe-circuit à fusibles d’accompagnement (AD) ; — à l’origine des colonnes montantes d’immeubles : coupe-circuit à fusibles (FC) ; — à l’origine du ou des départs BT : coupe-circuit à fusibles (FD) ou disjoncteur (dans le cas de poste bas simplifié) ; — en amont des transformateurs MT/BT : coupe-circuit à fusibles (FMT) éventuellement.


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3.3 Caractéristiques des protections des réseaux français

Ces fusibles FC et FD doivent être coordonnés avec les fusibles AD (§ 4.2.1) et, de même, le coordination entre deux fusibles de ce type doit exister (§ 4.2.2).

3.3.1 Disjoncteur du client

3.3.3 Disjoncteur BT associé au transformateur MT/BT

Son rôle est de séparer du réseau BT les installations du client lorsqu’un défaut ou une surcharge les affecte : — le déclenchement est instantané en cas de court-circuit ou de défaut à la terre ; — le déclenchement est temporisé en cas de surcharge. Les courants assignés normalisés des disjoncteurs de clients sont : 30, 45, 60 et 90 A Ces valeurs représentent les limites supérieures du courant de réglage. La masse de l’installation du client n’étant pas reliée au neutre BT, un défaut d’isolement affectant une phase se traduit par un faible courant de fuites à la terre, mais cependant suffisamment important pour constituer un danger vis-à-vis des personnes. Pour détecter ces défauts, le disjoncteur du client doit être équipé d’un dispositif différentiel de sensibilité de 500 mA pour une valeur de résistance de terre des masses de 100 Ω, ce qui limite les surtensions à 50 V. Pour assurer la protection contre les contacts directs, il est préconisé (NF C 15-100) d’installer, en tête des circuits alimentant les prises de courant, un dispositif différentiel à haute sensibilité (30 mA). Les disjoncteurs de clients sont calibrés pour fonctionner sur une légère surcharge, par exemple entre 15 et 20 min pour une surcharge de 40 %.

Le disjoncteur BT associé au transformateur MT/BT est destiné à protéger ce dernier contre les courts-circuits et les surcharges.

3.3.3.1 Postes sur poteau Deux types de disjoncteurs [D (figure 2)] sont utilisés : — un appareil de courant assigné de 165 A (  100 kVA en 20 kV) ; — un appareil de courant assigné de 265 A (160 kVA en 20 kV). Ils sont équipés d’un indicateur de charge : il s’agit d’un dispositif qui permet de signaler que le disjoncteur a été traversé, pendant 24 h, par une charge de l’ordre de la puissance assignée du transformateur qu’il protège. Le disjoncteur de 165 A peut être équipé de différents déclencheurs en fonction de la puissance du transformateur. 3.3.3.2 Postes bas simplifiés Le disjoncteur a un courant assigné de 400 A. Les déclencheurs sont du type thermique et sont appropriés au courant assigné du transformateur à protéger. La nécessité de l’emploi ou non d’un disjoncteur est fonction de la longueur et du type de réseau BT, car certains défauts entre phase et neutre ne peuvent être éliminés par des fusibles dans des temps compatibles avec la tenue des transformateurs (§ 4.3.2).

3.3.2 Coupe-circuit à fusibles BT Ce sont soit les coupe-circuit à fusibles d’accompagnement du disjoncteur de client, soit ceux de pied de colonne ou ceux de départs BT. Coupe-circuit à fusibles d’accompagnement du disjoncteur du client : le courant de court-circuit du disjoncteur du client a été limité 

au-dessous de 2 500 A, pour diminuer les coûts de ces matériels. Cette caractéristique est inférieure au courant de court-circuit possible des réseaux BT. Il est donc nécessaire de mettre en œuvre des fusibles, dits d’accompagnement de disjoncteur (AD), destinés à interrompre les courts-circuits qui mettent en jeu les courants dépassant le pouvoir de coupure des disjoncteurs. Ces fusibles ont des caractéristiques dépendant, d’une part, des disjoncteurs eux-mêmes et, d’autre part, des fusibles disposés en amont (fusibles de pied de colonnes montantes des immeubles ou fusibles de départs BT de poste). Les valeurs normalisées de leur calibre, en France, sont : 45, 60 et 90 A

Autres coupe-circuit à fusibles : ils sont utilisés comme fusibles de pied de colonnes montantes des immeubles (FC) et de départs BT (FD) ou en amont des disjoncteurs de type industriel installés chez les clients. Sur les réseaux français, les calibres de ces fusibles BT sont limités à : 200, 250 et 400 A 

Les fusibles de pied de colonne sont destinés, le cas échéant, à éliminer une colonne de distribution en défaut, évitant ainsi la coupure du départ BT au poste MT/BT. Les fusibles de départs BT sont destinés à assurer l’élimination des défauts situés en amont des colonnes d’immeubles ou des branchements individuels.

3.3.4 Coupe-circuit à fusibles MT Les fusibles (FMT) des transformateurs MT/BT sont destinés à protéger le réseau MT contre les avaries affectant soit les transformateurs de distribution et de clients alimentés en MT, soit les circuits BT en amont des protections BT normales ou en cas de défaillance de celles-ci. Pour les réseaux de tension comprise entre 12 et 24 kV, on utilise des matériels de tension assignée 24 kV, dont les calibres sont : 6,3 ; 16 ; 43 et 63 A

4. Coordination des protections 4.1 Généralités Les ouvrages constitutifs des réseaux (lignes, câbles, transformateurs, etc.) peuvent supporter des surintensités pendant des durées d’autant plus courtes que ces surintensités sont d’amplitude élevée (caractéristiques de tenue à temps inverse ). Les organes de protection (coupe-circuit à fusibles, disjoncteurs) sont eux-mêmes conçus pour interrompre les courants d’autant plus rapidement qu’ils sont de forte amplitude (zones de fonctionnement à temps inverse). Un tel organe de protection doit être installé en amont des installations qui causent la surintensité, c’est-à-dire en général en amont de l’ouvrage protégé ; toutefois,


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d’autres possibilités existent, comme la protection des transformateurs contre les surcharges par un disjoncteur placé au secondaire. La protection est vérifiée par la position relative de la zone de fonctionnement de l’organe de protection et de la caractéristique de tenue de l’ouvrage. Lorsque plusieurs organes de protection se trouvent en série sur un réseau, il est souhaitable que seul fonctionne celui qui est situé le premier en amont de l’origine de la surintensité, afin de limiter les charges interrompues. Il faut pour cela que soit assurée la sélectivité des protections en série, se traduisant par un nonrecouvrement de leur zone de fonctionnement, la protection aval devant bien entendu être la plus rapide. Nota : le lecteur pourra se reporter, dans ce traité, à l’article Protections des installations

industrielles et tertiaires [D 5 030].

On parle de sélectivité partielle lorsqu’il y a recouvrement partiel des zones de fonctionnement. On appelle coordination des protections l’ensemble des choix faits pour les organes de protection d’un réseau donné de façon à permettre : — le bon fonctionnement en régime normal ; — la protection des ouvrages en cas de surcharge ou de défaut ; — la sélectivité. Ces deux dernières conditions peuvent être difficiles à remplir simultanément, et les choix doivent être faits pour chaque situation. À titre d’exemple, les graphiques de la figure 5 traduisent le principe de coordination des réseaux BT français entre un disjoncteur d de client et un fusible AD (accompagnement de disjoncteur), ainsi qu’entre un fusible de pied de colonne montante (FC) et un fusible de départ (FD).

La méthode de détermination des calibres nominaux des coupecircuit à fusibles BT admissibles consiste à vérifier que, pour un coupe-circuit à fusibles MT donné et un rapport de transformation de T fixé, la zone caractéristique, dans le plan temps-courant, des fusibles BT utilisables se trouve entièrement à gauche de la zone caractéristique du fusible MT considéré.

4.2 Protections des réseaux BT La coordination est définie à partir du calibre le plus élevé du disjoncteur de client rencontré sur le départ BT.

4.2.1 Réseau ne comportant pas de fusible de pied de colonne Ce réseau est représenté sur la figure 6. Le courant assigné d’un fusible FD de départ BT doit être environ quatre fois le courant assigné des fusibles AD.

4.2.2 Réseau comportant des fusibles de pied de colonne Ce réseau est représenté sur la figure 7. Le courant assigné d’un fusible FD de départ doit être le double du courant assigné d’un fusible FC de pied de colonne, et on doit, en principe, avoir un rapport 4 entre les courants des fusibles FC et AD.

Figure 5 – Base de coordination des protections

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4.3 Protections des transformateurs MT/BT 4.3.1 Protections MT Les transformateurs de 100 à 1 000 kVA peuvent être protégés par des fusibles MT (FMT, figure 1). Pour que la protection soit efficace, le calibre du fusible doit être tel qu’il réponde à quatre conditions. Il doit résister à l’appel de courant à l’enclenchement ; on admet généralement 8 I p (I p étant le courant assigné dans le circuit primaire du transformateur) pendant 0,04 s. Les fusibles, conformes à la norme NF C 64-210, remplissent tous c ette condition. 

Il doit fondre en moins de 2 s en cas de court-circuit franc aux bornes secondaires du transformateur ; cette valeur permet d’éviter la détérioration du transformateur. Le temps de fusion d’un fusible MT de courant de référence I r , conforme à la norme NF C 64-210, est au plus égal ou inférieur à 2 s dès que le courant atteint 6 I r . Si I cc p est le courant de court-circuit au primaire du transformateur, il faut : 

6 Ir < I cc p ou Figure 6 – Protection de réseau BT sans fusible de pied de colonne

Ir <

I cc p

6

------------

Les transformateurs ayant une puissance inférieure ou égale à 630 kVA ont une tension réduite de court-circuit égale à 4 % (5 % pour 1 000 kVA), ce qui correspond à un courant de court-circuit de 25 I p , d’où : 25 I p 6

Ir <

---------------

Ir <

---------------

et pour 1 000 kVA : 20 I p 6

Il doit supporter les surcharges temporaires que le transformateur est lui-même capable d’accepter, soit, en pratique, 30 % de son courant primaire : 

I r >

1,3 Ip

Il doit assurer la sélectivité avec les fusibles BT installés en aval ; cette coordination est assurée lorsque les zones de fonctionnement des fusibles MT et BT définies dans les normes ne présentent aucun recouvrement. La limite inférieure de I r est : 

Ir >

avec Figure 7 – Protection de réseau BT avec fusible de pied de colonne

Remarque importante : dans le cas où la colonne d’immeuble comporte des dérivations équipées de fusibles d’accompagnement de disjoncteur AD 60, les fusibles de pied de colonne devraient être calibrés à 250 A pour assurer la sélectivité des protections. Toutefois, lorsque le courant assigné des colonnes est limité à 200 A (cas général), il y a lieu, afin de se prémunir contre les risques d’incidents pouvant entraîner un incendie, d’installer des fusibles 200 A, la sûreté des installations primant, dans ce cas, la sélectivité.

I

BT k ---------K

calibre du fusible FD, K rapport de transformation MT/BT, k coefficient de coordination MT/ BT. Le coefficient de coordination MT/ BT est le rapport existant entre les courants assignés des fusibles pour que, en aucun cas, les deux courbes de fonctionnement n’aient une zone de recouvrement ; il doit tenir compte de la technique des fusibles et sa valeur est : I BT

k = 1,4 si I BT < 315 A k = 1,6 si I BT > 315 A

Les calibres des fusibles MT étant limités par la normalisation, EDF préconise la répartition du tableau 1 en fonction de la puissance nominale P n des transformateurs sous 20 kV. (0)


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Tableau 1 – Caractéristiques des fusibles MT en fonction de la puissance du transformateur et des fusibles BT coordonnés Puissance nominale du transformateur ................................................(kVA) Calibre des fusibles MT .............................................................................. (A) Calibre maximal des fusibles BT coordonnés avec des fusibles MT...... (A) Coefficient de coordination MT/BT................................................................

4.3.2 Protections BT Ces protections sont réalisées : — soit par des disjoncteurs BT ; — soit par des fusibles BT ; — soit par des fusibles BT associés à une protection de surcharge par disjoncteur. Elles ont pour rôle d’assurer l’élimination des défauts situés en amont des colonnes d’immeubles ou des branchements individuels en un temps compatible avec la tenue du matériel, notamment du transformateur MT/BT dont la durée de vie est sensible aux surcharges.

100 6,3 250 2,1

160 16 400 3,3

400 43 400 3,6

630 43 400 2,2

1 000 43 400 1,43

Tableau 2 – Longueur critique des canalisations au-dessus de laquelle les départs de réseau BT, de tension 230/400 V, doivent être protégés impérativement par un disjoncteur Transformateurs Canalisation

Nature du Section conducteur

100 kVA

160 kVA

250 kVA

Calibre des fusibles BT 200 A 250 A 250 A 400 A 400 A

Nota : le lecteur pourra se reporter, dans ce traité, aux articles Appareillage électrique à

basse tension [D 4 860] [D 4 862] [D 4 865] [D 4 867] [Doc. D 4 868].

4.3.2.1 Rôle des protections de départs Les fusibles protègent mal contre les surcharges [non-fusion à 1,3 I n , fusion entre 6 s et 10 min pour 2 I n ( I n étant le calibre du fusible)]. Ainsi deux cas se présentent en fonction du calibre des fusibles des départs BT : — il est inférieur au courant I p assigné du transformateur ; dans ce cas, la protection contre les surcharges est assurée correctement ; seules les surcharges simultanées sur plusieurs départs BT ne sont pas décelées mais, étant donné leur fréquence réduite, elles ne justifient pas une protection particulière ; — il est supérieur au courant assigné du transformateur ; dans ce cas, le fusible doit détecter les défauts lointains ; en effet, le courant peut être tel qu’il ne puisse être éliminé par le fusible BT du départ dans un temps compatible avec la tenue du transformateur ; cette absence de protection du transformateur se manifeste en deçà de ce que l’on appelle le courant de défaut critique et la protection contre les surcharges doit être assurée par un disjoncteur. Les calibres des fusibles BT sur les réseaux français sont limités à 200, 250 et 400 A (§ 3.3.2). Sous une tension de 20 kV, la protection de surcharge des transformateurs est assurée par un fusible de calibre : • 200 A pour P n  160 kVA ; • 250 A pour P n  250 kVA ; • 400 A pour P n  400 kVA . Pour les puissances nominales P n inférieures, on devra vérifier que le calibre du fusible est inférieur au courant de défaut critique.

250 16 400 2,1

Câbles aériens torsadés

Aluminium

Câbles souterrains Aluminium

(mm2)

(m)

25 35 50 70 95 150 240

270 355 420 495 575 845 1 220

(m)

(m)

195 300 260 390 305 465 360 545 420 630 615 930 890 1 350

(m)

(m)

100 135 160 190 220 325 400

200 265 310 365 425 625 905

4.3.2.2 Calcul du courant de défaut critique Il se fait selon la démarche ci-après. Définition du courant critique : c’est le courant au-dessous duquel le temps de fusion du fusible est supérieur à la tenue aux surcharges du transformateur (figure 8). 

Longueur critique de réseau : c’est la longueur au-delà de laquelle le courant de défaut monophasé (entre phase et neutre) est inférieur au courant critique. Le tableau 2 donne quelques longueurs critiques en fonction du type de transformateur et des calibres de fusibles. 

Figure 8 – Définition du courant critique d’un transformateur protégé par un fusible BT

Compte tenu de ces contraintes, EDF a retenu le mode d’emploi des protections BT des transformateurs MT/BT indiqué dans le tableau 3. 

(0)

D 4 815 − 8


_____________________________________________________________________


4.3.2.3 Choix des disjoncteurs Les disjoncteurs doivent protéger les transformateurs contre les surcharges quand le calibre du fusible BT est supérieur au courant critique et contre les courts-circuits quand il n’y a pas de fusible BT. Cas des réseaux ruraux aériens alimentés par un poste sur poteau : ces réseaux (figure 2) sont protégés par un disjoncteur ; 

celui-ci doit être coordonné avec les disjoncteurs et fusibles d’accompagnement de disjoncteur de client car il n’y a pas de fusible de pied de colonne. Compte tenu des matériels utilisés à EDF (tension réduite de courtcircuit ≈ 4 %), il existe deux disjoncteurs différents de 165 et 265 A (§ 3.3.3.1), avec plusieurs calibres de déclencheur thermique adaptés au courant assigné du transformateur protégé. Le pouvoir de coupure doit correspondre au courant de court-circuit maximal, soit 4 000 A pour l’appareil de courant assigné de 165 A et 6 000 A pour l’appareil de 265 A.

Cas des réseaux alimentés par un poste MT/BT équipé de fusibles BT sur les départs : dans ce cas (figures 1 et 3), l’instal

lation du disjoncteur est nécessaire lorsque le fusible BT élimine les défauts lointains dans un temps incompatible avec la tenue du transformateur. Le disjoncteur BT aura les caractéristiques suivantes : — l’appareil destiné à l’interruption des surcharges n’a pas besoin de posséder un pouvoir de coupure important ; — les déclencheurs à utiliser doivent être du type thermique, puisque c’est le maintien pendant un temps assez long d’un courant quelque peu supérieur au courant assigné du transformateur MT/BT qui crée l’anomalie. Ces disjoncteurs sont équipés de déclencheurs adaptés aux puissances des transformateurs qu’ils protègent. Les courbes de fonctionnement D des déclencheurs doivent répondre aux conditions suivantes (figure 9) : — la courbe limite supérieure D S doit se situer au-dessous de la courbe S de surcharge des transformateurs de distribution tant que la courbe limite supérieure F S du fusible BT de départ est au-dessus de cette courbe S ; — la courbe limite inférieure D I doit rencontrer (point P) la courbe F S du fusible BT du départ pour un multiple α du courant assigné du transformateur aussi faible que possible (environ 5 à 10) afin de réduire le pouvoir de coupure demandé au disjoncteur. Ce disjoncteur devant être le même pour tous les transformateurs susceptibles de recevoir une protection de surcharge, son calibre doit correspondre au courant assigné le plus élevé, soit 400 A. Le calcul montre que le pouvoir de coupure de ce disjoncteur doit être supérieur à 2 000 A.

4.4 Méthode de coordination Les fusibles MT à associer à un transformateur MT/BT donné sont parfaitement déterminés dès que l’on connaît la puissance et la tension assignée primaire de ce transformateur (tableau 1).

Figure 9 – Courbes de fonctionnement des disjoncteurs et fusibles BT

Les fusibles BT à placer sur les départs BT des postes MT/BT sont fonction des calibres des disjoncteurs de client et, le cas échéant, de la présence de fusibles de pied de colonne (§ 4.2). Dans ces conditions, la coordination des fusibles MT et BT encadrant un transformateur donné n’est réalisable que si l’on observe certaines précautions. À cet effet, désignons par : • I M le calibre maximal des fusibles BT susceptibles d’être coordonnés aux fusibles MT associés à un transformateur donné (tableau 1) ; • I m le calibre des fusibles BT à placer sur un départ BT pour assurer sa protection (§ 4.2). Si I M > I m , la coordination est assurée et le tableau 4 la résume. Si I m > I M , la coordination ne peut être réalisée selon le processus indiqué. En pratique, on relève, pour une puissance chez le client de 18 kVA, deux cas : — le raccordement en monophasé de cette puissance sur une colonne montante est interdit ; il doit se faire obligatoirement en triphasé ; — le raccordement en monophasé de cette puissance sur un réseau BT doit comporter des fusibles de courant assigné inférieur à 400 A. La présence d’un branchement monophasé pour un courant de 90 A nécessite la mise en place de fusibles de 400 A sur le tableau à basse tension du poste. Cela implique, si l’on veut assurer la coordination des protections, que le transformateur ait, au minimum, une puissance de 160 kVA en 20 kV ; dans le cas contraire, on prend le risque de détériorer le transformateur. (0)


D 4 815 − 9


Tableau 3 – Domaine d’emploi des protections BT Puissance nominale du transformateur

(kVA)

P n < 160

160 et 250 400  P n  1 000

Type de poste

Protection

Poste sur poteau Poste bas simplifié Poste urbain Poste bas simplifié Poste urbain Poste urbain

Disjoncteur Fusibles ou fusibles et disjoncteur Fusibles Fusibles ou fusibles et disjoncteur Fusibles Fusibles

(0) Tableau 4 – Coordination des fusibles MT (tension : 20 kV) et BT (tension 230/400 V) encadrant un transformateur si IM > I m

D 4 815 − 10

Calibre du fusible MT

6,3 A

16 A

Puissance assignée du transformateur.............(kVA)

63 100

160 250

Calibre du fusible BT ................(A)

250

400

43 A

400 630 1 000 400


Protection des réseaux à basse tension de distribution publique par Alain CROGUENNOC Ingénieur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble Ingénieur au Département Réseaux du Service Technique Électricité de la Direction EDF GDF SERVICES

Bibliographie FAVRAUD (J.). – Fonctionnement et protection des réseaux de distribution. EDF Centre de formation des Mureaux. Guide technique de la distribution EDF. Réseaux BT et transformateurs MT/BT. Chapitre B 61.3, Direction EGS.

Guide de l’ingénierie électrique des réseaux internes d’usines. Technique et Documentation Lavoisier

P O U R E N S A V O I R

(1986).

P L U S

Normalisation Association Française de Normalisation AFNOR. Union Technique de l’Électricité UTE NF C 15-100 5-91

Installations électriques à basse tension : Règles.

NF C 64-210 6-74

Coupe-circuit à fusibles pour postes de transformation publics ou privés du type intérieur.

Réglementation Arrêté interministériel du 2 avril 1991. Conditions techniques auxquelles doivent satisfaire les distributions d’énergie électrique.

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Doc. D 4 815 − 1

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