Calcule de La Mise a La Terre

7/31/2019 Calcule de La Mise a La Terre

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Qualit de la prise de terre et scurit des

personnes

Michel BENSOAM Facult des Sciences et Techniques de St Jrme

case B21 13397 Marseille cedex 20

le 1er octobre 2003

Table des matires

1 Les dangers du courant lectrique 31.1 le corps humain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Les consquences dun court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 S.L.T. et protection des personnes 52.1 Domaines dutilisation des rgimes de neutre . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Mthodologie pour choisir le SLT . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2 Quelques solutions possibles . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 contacts directs et indirects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Importance de la qualit de la prise de terre . . . . . . . . . . . . 10

3 La qualit de la prise de terre 113.1 Nature du sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.2 Nature du contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3 Mesure de la rsistance de la prise de terre . . . . . . . . . . . . . 15

3.3.1 calcul de la rsistance de la prise de terre . . . . . . . . . . 153.3.2 Mesure de rsistivit des sols (4points) . . . . . . . . . . . 153.3.3 Mesure de rsistance de la prise de terre(3 points) . . . . . 153.3.4 Mesure avec appareil ddi(avec piquet auxiliaire) . . . . . 153.3.5 Mesure avec appareil ddi(mesure de boucle) . . . . . . . 15

4 Proposition de Travaux Pratiques 15

5 Les autres contraintes de linstallation 155.1 La foudre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.2 La compatibilit lectromagntique . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.3 La protection du matriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

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6 Conclusions 15

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1 Les dangers du courant lectrique

Le courant lectrique prsente un danger cause de son caractre invisible.En effet aucun sens humain ne peut dtecter le passage du courant dans unconducteur except le bruit ou lchauffement d un fort courant. Il est doncncessaire dans une optique de scurit dutiliser des dispositifs de protection des

personnes pour se prmunir de ces risques. Mais avant de dtailler ceux-ci, nousallons dcrire les risques lis la proximit du courant lectrique.

1.1 le courant lectrique dans le corps humain

La premire raison du risque li llectricit est le passage du courant dans lecorps humain. Lorsque le corps humain est soumis une diffrence de potentiel,il est parcouru par un courant. Les effets dpendent de lintensit qui circule etdu temps pendant lequel elle circule.Le tableau 1 dlimite les zones de risque enfonction du temps et de la valeur du courant.

Fig. 1 Caractristique t=f(Ic)

zone 1 Habituellement aucune ractionzone 2 Aucun effet pathophysiologique dangereuxzone 3 Aucun dommage organique mais contractions musculairesempchant la personne de lacher lappareil

Zone 4 Risque de fibrilation cardiaque. Les squelles peuvent tregraves et les accidents sont souvent mortels

Nous devrons donc rester dans les zones 1 et 2 pour quil ny ait pas de cons-quences graves. Ceci a donn lieu un graphique dans la norme NFC 15-100 quirgit les installations lectriques de lhabitat et du tertiaire. Il indique le temps

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de coupure maximum en fonction du niveau de tension de contact prsum Uc etde la tension limite de scurit Ul dfinie pour un type de local (Fig.2, page4),. Selon le type de local, la norme NFC 15100 prend en compte deux tensions

Fig. 2 Caractristique t=f(Uc)

limites conventionnelles de scurit : Ul=25V pour les locaux mouills Ul=50Vpour les locaux secs. Exemple : Pour un local sec, une masse est porte 90V en50Hz. En combien de temps le circuit doit il tre coup pour assurer la scuritdes personnes? (0.45s) Mme question avec un local humide et une tension de150V? (0.12s)

1.2 Les consquences dun court-circuit

En cas de court-circuit franc, certains matriels peuvent bruler et projeterdes particules en fusion. Ceci peut induire des brulures graves pour une personnese trouvant proximiter. De plus, les arcs lectriques, qui se produisent dansces moments l, sont riches en ultra-violets et peuvent provoquer des lsionsocculaires. Il est donc impratif, dans le cadre de la protection des personnes deprvoir des dispositifs capables de limiter les court-circuits.

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2.1.1 Mthodologie pour choisir le SLT

Tout dabord ne pas oublier que les trois SLT peuvent coexister dansune mme installation lectrique; ce qui est une garantie pour obtenir lameilleure rponse aux besoins de scurit et de disponibilit.

Ensuite sassurer que le choix nest pas recommand ou impos par les

normes ou la lgislation (dcrets, arrts ministriels). Puis dialoguer avec lutilisateur pour connatre ses exigences et ses moyens :

besoin de continuit de service,

service entretien ou non,

risque incendie.

2.1.2 Quelques solutions possibles

continuit de service et service entretien : la solution est lIT,

continuit de service et pas de service entretien : pas de solution totalement

satisfaisante ;prfrer le TT pour lequel la slectivit au dclenchement estplus facile mettre en oeuvre et qui minimise les dgts par rapport auTN. Les extensions sont simples raliser (pas de calcul).

continuit de service non imprative et service entretien comptent : prfrerle TN-S (rparation et extensions rapides et excutes selon les rgles),

continuit de service non imprative et pas de service entretien : prfrer leTT,

risque dincendie: IT si service entretien et emploi de DDR 0, 5 A ou TT.

tenir compte de la spcificit du rseau et des rcepteurs :

rseau trs tendu ou, fort courant de fuite : prfrer le TN-S,

utilisation dalimentations de remplacement ou de secours: prfrer le TT, rcepteurs sensibles aux forts courants de dfaut (moteurs): prfrer le TT

ou lIT,

rcepteurs faible isolement naturel (fours)ou avec filtre HF important(gros ordinateurs): prfrer le TN-S,

alimentation des systmes de contrle-commande : prfrer lIT (continuitde service) ou le TT (meilleure quipotentialit des appareils communi-cants).

2.2 Protection contre les contacts directs et indirectsContact direct et mesures de protection Il sagit du contact accidentel depersonnes avec un conducteur actif (phase ou neutre) ou une pice conductricehabituellement sous tension. Dans le cas o le risque est trs important, la so-lution triviale consiste distribuer llectricit sous une tension non dangereuse,

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cest--dire la tension de scurit, Cest lemploi de la trs basse tension de scu-rit (TBTS ou TBTP), En BT (230/400 V), les mesures de protection consistent mettre ces parties actives hors de porte ou les isoler par lutilisation diso-lants, denveloppes, de barrires, Une mesure complmentaire contre les contactsdirects consiste utiliser des Dispositifs Diffrentiels Rsiduels (DDR)instantans Haute Sensibilit 30 mA appels DDR-HS.

Contact indirect, mesures de protection et de prvention Le contactdune personne avec des masses mtalliques mises accidentellement sous tensionest appel contact indirect, Cette mise sous tension accidentelle rsulte dun d-faut disolement, Un courant de dfaut circule et provoque une lvation de poten-tiel entre la masse du rcepteur lectrique et la terre : il y a donc apparition dunetension de dfaut qui est dangereuse si elle est suprieure la tension U L, Vis--vis de ce risque, les normes dinstallation -CEI 60364 au niveau international, NFC 15-100 au niveau franais-(ces normes sont similaires dans le fond et la forme),ont officialis les trois Schmas des Liaisons la Terre prcdents et dfinissent les

rgles dinstallation et de protection correspondantes, Les mesures de protectioncontre les contacts indirects reposent sur trois principes fondamentaux :

la mise la terre des masses des rcepteurs et quipements lectriquespour viter quun dfaut disolement prsente un risque quivalent duncontact direct ;

lquipotentialit des masses simultanment accessibles Lintercon-nexion de ces masses contribue efficacement la rduction de la tensionde contact, Elle se fait par le conducteur de protection (PE) qui relie lesmasses des matriels lectriques pour lensemble dun btiment, ventuelle-ment complt de liaisons quipotentielles supplmentaires ;

la gestion du risque lectrique : cette gestion est optimise par la pr-vention , Par exemple, en mesurant lisolement dun quipement avant samise sous tension, ou par la prdiction de dfaut base sur le suivi soustension de lvolution de lisolement dune installation isole de la terre(schma IT). Si le dfaut disolement se produit et gnre une tension dedfaut dangereuse, il faut lliminer par dconnexion automatique de lapartie de linstallation o sest produit le dfaut, La faon de supprimer lerisque dpend alors du SLT.

Rgime TT En prsence dun dfaut disolement,le courant de dfaut Id est

essentiellement limit par les rsistances de terre (si la prise de terre des masseset la prise de terre du neutre ne sont pas confondues). Toujours avec lhypothseRd =0, le courant de dfaut est :

Id =Uo

Ra + Rb

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Ce courant de dfaut induit une tension de dfaut dans la rsistance de terre desutilisateurs :

Ud =Uo.Ra

Ra + Rb

Les rsistances de terre tant gnralement faibles et de mme ordre de grandeur(10 ), cette tension de l ordre de Uo/2 est dangereuse; il est donc obligatoire

de prvoir une dconnexion automatique de la partie de linstallation concernepar le dfaut.

Fig. 3 Courant et tension de dfaut en rgime TT

Rgime TN En prsence dun dfaut disolement,le courant de dfaut Id nestlimit que par limpdance des cbles de la boucle de dfaut.

Id =Uo

Rph + Rd + Rpe

Pour un dpart et ds que Rd 0:

Id =0,8.Uo

Rph + Rpe

En effet, lors dun court-circuit, il est admis que les impdances en amont dudpart considr provoquent une chute de tension de lordre de 20 la tensionsimple Uo, qui est la tension nominale entre phase et terre, do le coefficient de0,8. Id induit donc une tension de dfaut, par rapport la terre:

Ud = Rpe.Id

soit:

Ud =0,8.Uo.Rpe

Rph + Rpe

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Pour les rseaux 230/400 V, cette tension de lordre de Uo/2 (si Rpe =Rph)est dangereuse car suprieure la tension limite de scurit, mme en milieu sec(U L =50 V). Il est alors ncessaire dassurer une mise hors tension automatiqueet immdiate de linstallation ou de la partie de linstallation. Le dfaut diso-lement tant similaire un court- circuit phase-neutre, la coupure est ralisepar le Dispositif de Protection contre les Courts- Circuits -DPCC- avec un temps

maximal de coupure spcifi fonction de UL.Dans ce cas de figure la rsistancede la prise de terre na pas dinfluence sur la scurit des personnes.

Fig. 4 Courant et tension de dfaut en rgime TN

Rgime IT Le neutre est isol, non reli la terre. Les prises de terre desmasses sont normalement interconnectes (comme pour le SLT TN ou TT).

En fonctionnement normal (sans dfaut disolement) le rseau est mis la terre par limpdance de fuite du rseau. Pour bien fixer le potentiel dun

rseau en IT par rapport la terre, il est conseill surtout sil est court, deplacer une impdance (Zn =1500 . ) entre le neutre du transformateur etla terre. Cest le schma IT dit neutre impdant.

Comportement au premier dfaut La tension de dfaut est non dan-gereuse, donc linstallation peut tre maintenue en service. Continuer lex-ploitation, sans danger, est fort intressant, mais il faut :

savoir quil y a un dfaut,

-le rechercher rapidement, et lliminer, ceci avant quun deuximedfaut ne survienne.

Pour rpondre cette attente: linformation "dfaut prsent" est donne par un Contrleur Perma-

nent dIsolement (CPI) qui surveille tous les conducteurs actifs, y com-pris le neutre (il est obligatoire selon la norme NF C 15-100),

la recherche est ralise laide de localisateurs de dfaut.

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Comportement au deuxime dfaut Lorsquun deuxime dfaut appa-rat et que le premier dfaut na pas t limin, trois cas sont examiner :

le dfaut concerne le mme conducteur actif : rien ne se passe et lex-ploitation peut continuer,

le dfaut concerne deux conducteurs actifs diffrents: si toutes lesmasses sont interconnectes, le dfaut double est un court- circuit (viale PE). Le dfaut doit tre coup par un dispositif contre les court-circuits comme en rgime TN.

le dfaut concerne deux conducteurs actifs diffrents mais toutes lesmasses ne sont pas interconnectes. Pour des masses mises la terreindividuellement ou par groupe, chaque circuit ou chaque groupe decircuits doit tre protg par un DDR. En effet, en cas de dfaut diso-lement au niveau des groupes raccords deux prises de terre diff-rentes, le comportement du schma des liaisons la terre par rapportau dfaut disolement (I Ud)est analogue celui dun schma en TT(le courant de dfaut passe par la terre). La protection des personnes

contre les contacts indirects est alors assure de la mme manire.

Fig. 5 Courant et tension de dfaut en rgime IT

2.3 Importance de la qualit de la prise de terreNous avons vu prcdement que la tension de dfaut, pour certains rgime de

neutre, est lie la valeur de la rsistance de terre du cot utilisateur. Si nousnous attardons sur ce point, nous pouvons valuer cette tension en fonction dela valeur de la rsistance de la prise de terre Ra. Pour ce faire, il faut considrer

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Rsistance Ra Rsistance Rb Tension de dfaut1 1 115V10 1 209V100 1 227V1 5 38V10 5 153V

100 5 219V1 10 20.9V10 10 115V100 10 209V

Tab. 1 calcul de la tension de dfaut

que le raccordement la terre du cot du transformateur est de bonne qualit( 10). En applicant la formule :

Ud =

Uo.Ra

Ra + Rb

pour diffrentes valeurs de Ra, voici la tension de dfaut qui apparait (Tab.1) :On peut voir que la tension de dfaut ne reste infrieure la tension limite descurit Ul que si la valeur de la rsistance Ra est infrieure la rsistance Rb.En pratique il est difficile de tels rsultats mais nous constaons que la scuritsera dautant mieux assurer que la valeur de la prise de terre sera faible. Pourcela, nous devons nous attachs raliser de "bonnes" prise de terre et cest cestlobjectif de la suite de ce document.

3 La qualit de la prise de terreLa prise de terre est constitue dune lectrode en mtal bon conducteur et

non corrodable en bon contact avec le sol. Cette lectrode peut tre :1. Soit un cble enterr en cuivre nu de 25 mm2 de section au moins, ou en

acier galvanis dau moins 95 mm2 de section.2. Soit un feuillard en acier dau moins 100 mm2 de section et 3 mm dpais-

seur, dispos de prfrence sur chant, ou un cble en acier dau moins 95mm2 de section, noy dans le bton de propret des fondations du btiment,enrob sur tous ses cots dune paisseur de bton dau moins 3 cm.

3. Les conducteurs reliant cette prise de terre aux conducteurs de protection

doivent tre constitus de ronds lisses pour bton arm dau moins 50 mm2de section, enrobs dans le bton de construction. Ces conducteurs doiventtre souds aux feuillards constituant la prise de terre dcrite ci avant.

4. Les armatures des lments en bton arm doivent tre relies la prise deterre ou aux conducteurs de protection en autant de points que possible. Ces

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liaisons peuvent tre effectues par des ligatures. Par contre, il faut viterde relier au systme quipotentiel ainsi constitu les armatures actives deprcontraintes et leurs gaines ventuelles. Les connexions, entre les lmentsen acier et conducteurs en cuivre, ne doivent jamais tre noues dans lebton et doivent se faire laide de bornes appropries installes en montageapparent.

REMARQUE: - Lutilisation de canalisations de distribution publique deaucomme prise de terre nest pas admise par les distributeurs deau.

La rsistance de mise la terre doit tre la plus faible possible. La rsistancede la prise de terre dpend:

De sa forme,

De ses dimensions,

De la rsistivit du terrain dans lequel elle est tablie.

3.1 Nature du sol

La rsistivit du terrain varie dun point un autre, suivant :

La profondeur,

Le taux dhumidit,

La temprature.

Le gel et la scheresse augmentent la rsistivit des terrains et leur effet peutse faire sentir jusqu plus de 2 m de profondeur. En consquence, on doit tablirles prises de terre de prfrence dans les fonds de fouilles des btiments ou dansles caves et de toute faon en des endroits abrits de la scheresse et du gel. Lesprises de terre doivent tre tenues distance des dpts ou infiltrations pouvant

les corroder ( fumier, purin, produits chimiques,... ) Elles ne doivent jamais treconstitues de pices mtalliques plonges dans leau ni tablies dans des picesdeau ou des rivires ( mdiocre conductivit de leau, risque dasschement, dan-ger pour les personnes entrant en contact avec leau au moment dun dfaut).

3.2 Nature du contact

Voici quelques exemples de ralisation :

1. Conducteurs enfouis: Le ceinturage fond de fouilles intressant le pri-mtre du btiment apporte une solution efficace dans le cas de construction

dun btiment;2. Boucle fond de fouilles Conducteur en tranches

3. Dans le cas des btiments existants, la prise de terre des masses peut treconstitue par :

Conducteurs verticaux ( piquet ) ;

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Constitution de laprise de terre

Calcul Dfinitions desgrandeurs

Conducteurs enfouishorizontalement

R =2.

L

L : Longueur de latranche : Rsistivitdu terrain

Piquets verticaux

R =

L

L: Partie enterre dupiquet : Rsistivitdu terrain

Pilier mtallique en-terr.

R = (0,37.

L). log(

3.L

d)

L: Partie enterre dupilier : Rsistivit duterrain. d : Diamtredu cylindre circonscritau pilier

Plaque mince

R =0,8.

L

: Rsistivit du ter-rain L: Primtre de laplaque

Tab. 2 CALCUL DE LA RESISTANCE DE PRISE DE TERRE

Plaques minces enterres : En pratique, on utilise des plaques rectan-gulaires de 0, 5 m *1 ou des plaques carres de 1m de cot, enfouiesverticalement pour un meilleur contact des deux faces avec le sol, desorte que le centre de la plaque se trouve une profondeur de 1 m.;

Piliers mtalliques enterrs : Lorsque le btiment comporte une ossa-ture mtallique dont les poteaux des murs extrieurs constituent desprises de terre de fait, il suffit de vrifier la continuit lectrique entreces prises de terre de fait ; lensemble constitue la prise de terre quilconvient dincorporer la liaison quipotentielle principale.

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Nature du terrain rsistivit en /mTerrains marcageux de quelques units 30Limon 20 100Humus 10 150Tourbe Humide 5 10Argile plastique 50Marnes et Argiles compactes 100 200Marnes du jurassique 30 40

Sables argileux 50 100Sables siliceux 200 3000Sols pierreux nus 1500 3000Sols pierreux recouvert de gazon 300 500Calcaires tendres 100 300calcaires compacts 1000 5000Calcaires fissurs 500 1000Schistes 5 300Micaschistes 800Granits et grs suivant altration 1500 10000

Granits et grs trs altrs 100 600Terrains arrables gras remblais compact hu-mide

50

Terrains arrables maigres remblais grossier 500Sols pierreux nus, sable sec, roches imper-mables

3000

Tab. 3 Rsistivit des terrains

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3.3 Mesure de la rsistance de la prise de terre

3.3.1 calcul de la rsistance de la prise de terre

3.3.2 Mesure de rsistivit des sols (4points)

3.3.3 Mesure de rsistance de la prise de terre(3 points)

3.3.4 Mesure avec appareil ddi(avec piquet auxiliaire)

3.3.5 Mesure avec appareil ddi(mesure de boucle)

4 Proposition de Travaux Pratiques

5 Les autres contraintes de linstallation

5.1 La foudre

5.2 La compatibilit lectromagntique

5.3 La protection du matriel

6 Conclusions

Table des figures

1 Caractristique t=f(Ic) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Caractristique t=f(Uc) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Courant et tension de dfaut en rgime TT . . . . . . . . . . . . . 8

4 Courant et tension de dfaut en rgime TN . . . . . . . . . . . . . 95 Courant et tension de dfaut en rgime IT . . . . . . . . . . . . . 10

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