Quelle est l’importance de la protection des circuits dans la conception du système de distribution électrique

Quelle est l’importance de la protection des circuits dans la conception du système de distribution électrique

10 mai 2022 0 Par Bruno

L’ingénieur electricien ivry sur seine est responsable de la conception des systèmes de distribution d’énergie pour les bâtiments. Comprendre toutes les exigences de protection des circuits permettra à l’ingénieur de concevoir les systèmes de distribution électrique les plus sûrs et les plus fiables pour les bâtiments.

Comprendre les différents types de stratégies de dispositifs de protection contre les surintensités à appliquer dans les systèmes électriques des bâtiments.

Reconnaître la différence entre la protection contre les défauts à la terre pour l’équipement (GFPE) et les disjoncteurs contre les défauts à la terre (GFCI ; protection du personnel).
Comprendre comment se protéger contre les différents types de défauts.

L’ingénieur électricien porte une grande responsabilité envers le public lors de la conception de systèmes de distribution d’énergie pour les bâtiments (voir plus) . La conception doit protéger contre les pannes et les surcharges tout en assurant une protection adéquate du personnel et en minimisant les perturbations. Malheureusement, il n’existe pas de « recette » claire et concise à suivre pour de telles conceptions.

Au contraire, cela nécessite une étude constante des codes et des normes en constante évolution qui peuvent être interprétés de différentes manières, puis de les appliquer correctement dans une conception exploitable.

Même les codes eux-mêmes renforcent le fait que, tout en fournissant un guide pratique pour la protection des personnes et des biens contre les risques électriques, ils ne sont « pas destinés à être une spécification de conception ou un manuel d’instructions pour des personnes non formées » ( NFPA 70 : National Electrical Code [NEC], article 90.1 ).

Par conséquent, il est extrêmement important pour l’ingénieur électricien de comprendre et d’appliquer correctement les stratégies de protection des circuits dans leurs conceptions afin de garantir la sécurité des systèmes d’exploitation. En matière de protection des circuits, le NEC est le principal livre de codes avec lequel les ingénieurs électriciens doivent se familiariser.

Le NEC contient des principes de sécurité fondamentaux qui englobent la protection contre les chocs électriques, les effets thermiques, les surintensités, les courants de défaut et les surtensions. Il est également essentiel de comprendre les stratégies de protection des circuits en ce qui concerne le NEC.

Presque tous les articles du NEC incluent une forme de protection de circuit, soulignant l’importance de la question. Les objectifs de base de la protection de circuit sont de localiser et isoler la condition ou le défaut et prévenir et minimiser toute perte de puissance inutile.

Il existe plusieurs types de conditions anormales qui peuvent survenir tout au long de la vie d’un bâtiment, dans lesquelles un système électrique doit être conçu pour corriger ou surmonter. Il s’agit notamment des surcharges, des courts-circuits, des sous/surtensions, des surtensions transitoires et d’autres problèmes d’alimentation, tels que le monophasage des systèmes triphasés et la rotation inverse des phases d’alimentation.

Une surcharge est causée par une demande excessive de l’équipement d’utilisation qui est supérieure à sa capacité nominale. Les surcharges du système peuvent être tolérées pendant une courte période avant que des mesures correctives ne soient prises.

Les défauts de court-circuit, en revanche, sont causés par des composants électriques défaillants. Les dommages pouvant être immédiats, la partie défectueuse du système doit être isolée le plus rapidement possible.

Il existe plusieurs types de défauts, notamment les défauts d’arc ligne à ligne, les défauts ligne à terre et les défauts boulonnés triphasés.

De nombreux défauts commencent comme des défauts d’arc intermittents avec une impédance variable et des courants d’intensité relativement faible, caractérisés par la libération incontrôlée d’énergie.

Un défaut boulonné triphasé, en revanche, crée d’immenses quantités de courant sur le système et maintiendra ce courant jusqu’à ce que le circuit soit ouvert ou isolé par un moyen quelconque. Bien qu’un concepteur doive tenir compte du scénario le plus défavorable, un défaut boulonné triphasé est assez rare.

Le type de défaut le plus courant est un défaut ligne-terre, généralement causé par un contact accidentel entre un conducteur sous tension et la masse ou le châssis de l’équipement, ce qui provoque un flux de courant involontaire à travers un chemin autre que l’équipement d’utilisation.

Cela peut provenir de problèmes tels qu’une rupture de l’isolation de l’équipement, de l’isolation des conducteurs ou d’une terminaison desserrée. Lorsque cela se produit, le chemin de retour, qui passerait normalement par le système de mise à la terre, traverse désormais n’importe quel cadre d’équipement, surface métallique,

Dispositifs de protection contre les surintensités pour les systèmes électriques

L’équipement d’entrée de service offre la première étape de la protection contre les surcharges thermiques et les défauts lorsque des dispositifs de protection de circuit sont introduits dans le système électrique.

Les dispositifs de protection contre les surintensités (OCPD) comprennent des relais, des disjoncteurs ou des fusibles et sont l’un des éléments de base des systèmes de distribution d’énergie et de leur protection.

Au niveau le plus élémentaire, ces dispositifs sont insérés dans le système de distribution d’alimentation pour « casser », isoler ou déconnecter le circuit en cas de surcharge ou de court-circuit.

Ces dispositifs sont utilisés depuis la fin du 19ème siècle et continuent d’être appliqués aujourd’hui. Cependant, la protection des circuits continue d’évoluer avec une technologie en constante évolution.

Aujourd’hui, les niveaux de protection de circuit les plus élémentaires comprennent les fusibles et les disjoncteurs de type thermomagnétique.

Les fusibles contiennent un élément fusible, qui réagit à la chaleur générée par le passage du courant à travers lui avec une courbe de fonctionnement typique.

Un disjoncteur thermomagnétique typique comprend une région de fonctionnement à déclenchement de longue durée ainsi qu’une zone instantanée.

Certains sont réglables dans la région instantanée, mais ceux-ci, ainsi que les fusibles, ne sont pas intrinsèquement des appareils intelligents et n’ont pas d’intelligence intégrée.

Ils offrent une protection de base des fils et de l’équipement. Ils sont conçus pour « couper le circuit » lorsqu’un défaut survient au-delà de leur plage de fonctionnement. Un système de distribution d’énergie doit être conçu lorsque l’OCPD isole un défaut à proximité de l’événement sans affecter les équipements inutiles en amont. C’est ce qu’on appelle la coordination sélective.

Avec un fusible standard ou un dispositif magnétothermique, vous disposez d’une protection de circuit de base, mais en raison d’une flexibilité limitée, ils n’offrent qu’une protection de base contre les dangers importants liés aux arcs électriques.

Une conception réfléchie garantit que le disjoncteur d’alimentation en aval dispose de suffisamment de temps pour « s’effacer » avant que la condition de défaut ne pousse le disjoncteur en amont dans sa courbe de déclenchement. C’est ce qu’on appelle la coordination sélective.

Dans la figure 3, le schéma de gauche montre un système dépourvu de coordination sélective. Les dispositifs en amont et en aval mis en surbrillance se sont ouverts, puisque l’OCPD le plus proche du défaut ne s’est pas déclenché en premier, ainsi tous les dispositifs rouges et leurs charges en aval associées verraient une perte de puissance inutile.

Un moyen de produire un système plus fiable et coordonné consiste à ajouter de l’intelligence à un disjoncteur sous la forme de déclencheurs intégrés et de relais de protection.

Un autre type de disjoncteur est un disjoncteur électronique à déclenchement réglable. Ce disjoncteur a une région de fonctionnement de longue durée, un retard de longue durée, un démarrage de courte durée, un retard de courte durée et enfin, un démarrage instantané. Ces paramètres sont réglables sur une plage donnée.

Cette capacité de réglage rend le disjoncteur à déclenchement électronique très flexible lors de la coordination avec d’autres appareils. Cependant, ces appareils ne sont toujours pas des appareils « intelligents ».

Les paramètres sont initialement définis, mais ils ne communiquent pas avec d’autres appareils pour fournir une protection optimale.

Les disjoncteurs électroniques permettent de mieux coordonner une conception, mais ils ont toujours tendance à augmenter la taille des disjoncteurs au fur et à mesure que vous montez en amont pour minimiser le chevauchement dans les régions de déclenchement.

Un ingénieur concepteur doit utiliser son expérience et son jugement pour optimiser le compromis inhérent entre fiabilité et sécurité. L’ingénieur doit être prudent; s’il conçoit un système électrique basé uniquement sur la sécurité en minimisant les arcs électriques, il sera difficile de coordonner tous les appareils.

Le système pourrait être en proie à des déclenchements intempestifs et des temps d’arrêt imprévus coûteux seraient imminents.

De même, la conception d’un système uniquement axé sur la disponibilité mettrait en danger les personnes ainsi que l’équipement de l’usine.

Heureusement, des avancées technologiques en matière de disjoncteurs sont disponibles qui permettent un meilleur équilibre entre la sécurité et la disponibilité afin qu’un compromis ne soit pas forcé. Un ingénieur concepteur doit utiliser son expérience et son jugement pour optimiser le compromis inhérent entre fiabilité et sécurité.

L’ingénieur doit être prudent; s’il conçoit un système électrique basé uniquement sur la sécurité en minimisant les arcs électriques, il sera difficile de coordonner tous les appareils.

Le système pourrait être en proie à des déclenchements intempestifs et des temps d’arrêt imprévus coûteux seraient imminents.

De même, la conception d’un système uniquement axé sur la disponibilité mettrait en danger les personnes ainsi que l’équipement de l’usine.

Heureusement, des avancées technologiques en matière de disjoncteurs sont disponibles qui permettent un meilleur équilibre entre la sécurité et la disponibilité afin qu’un compromis ne soit pas forcé.

Un ingénieur concepteur doit utiliser son expérience et son jugement pour optimiser le compromis inhérent entre fiabilité et sécurité.

L’ingénieur doit être prudent; s’il conçoit un système électrique basé uniquement sur la sécurité en minimisant les arcs électriques, il sera difficile de coordonner tous les appareils.

Le système pourrait être en proie à des déclenchements intempestifs et des temps d’arrêt imprévus coûteux seraient imminents.

De même, la conception d’un système uniquement axé sur la disponibilité mettrait en danger les personnes ainsi que l’équipement de l’usine.

Heureusement, des avancées technologiques en matière de disjoncteurs sont disponibles qui permettent un meilleur équilibre entre la sécurité et la disponibilité afin qu’un compromis ne soit pas forcé.

il sera difficile de coordonner tous les appareils. Le système pourrait être en proie à des déclenchements intempestifs et des temps d’arrêt imprévus coûteux seraient imminents.

De même, la conception d’un système uniquement axé sur la disponibilité mettrait en danger les personnes ainsi que l’équipement de l’usine.

Heureusement, des avancées technologiques en matière de disjoncteurs sont disponibles qui permettent un meilleur équilibre entre la sécurité et la disponibilité afin qu’un compromis ne soit pas forcé. il sera difficile de coordonner tous les appareils.

Le système pourrait être en proie à des déclenchements intempestifs et des temps d’arrêt imprévus coûteux seraient imminents.

De même, la conception d’un système uniquement axé sur la disponibilité mettrait en danger les personnes ainsi que l’équipement de l’usine.

Heureusement, des avancées technologiques en matière de disjoncteurs sont disponibles qui permettent un meilleur équilibre entre la sécurité et la disponibilité afin qu’un compromis ne soit pas forcé.

Une technologie qui offre une réduction supplémentaire de l’énergie de passage pour un défaut dans la région entre deux disjoncteurs à déclenchement électronique.

Ils fonctionnent de telle sorte que si le disjoncteur en aval détecte un défaut, il envoie un signal de retenue au disjoncteur en amont. Le disjoncteur en amont continuera alors à temporiser comme spécifié sur sa courbe caractéristique, ne se déclenchant que si l’appareil en aval n’élimine pas le défaut.

L’objectif principal est de couper le courant de défaut dans les plus brefs délais tout en impactant le moins d’équipements connectés.

Des stratégies de protection de circuit supplémentaires incluent l’utilisation de relais de protection dans l’OCPD.

Des relais et des dispositifs de protection peuvent être appliqués à un système pour aider à protéger les circuits contre des conditions telles qu’un flux de puissance inverse, une phase unique ou des transitoires et des surtensions. Les relais de puissance directionnelle ou de puissance inverse surveillent la direction du courant et ont la capacité de réagir en déconnectant le circuit.

Les relais différentiels mesurent la différence entre deux valeurs de courant et réagissent en conséquence s’ils détectent une erreur.

Un dispositif de protection contre les surtensions est un appareil inséré dans le système électrique ; il est conçu pour protéger des pics de tension en limitant la tension fournie à un circuit électrique.

Les dispositifs de protection contre les surtensions aident à protéger l’équipement contre les effets néfastes des transitoires causés par la foudre, les anomalies des services publics, ou même la commutation de charge interne.

Il existe des centaines de types différents de relais de protection, et plus un système est complexe (comme avoir plusieurs sources d’alimentation et différents niveaux de tension), plus les systèmes de protection deviennent complexes. Ils doivent être analysés par l’ingénieur électricien.

Protection contre les défauts à la terre pour les systèmes électriques

Bien que la sélection correcte des OCPD et des relais fournisse une protection contre les défauts de surcharge thermique, ces stratégies ne peuvent à elles seules protéger contre les défauts à la terre de type arc.

Pour ces types de défauts, un autre niveau de défense doit être ajouté au système.

En raison de la résistance relativement plus élevée d’un défaut d’arc et de sa nature intermittente, les courants de défaut résultants sont beaucoup plus faibles que ceux des défauts boulonnés et sont donc plus difficiles à détecter.

Il existe deux types de protection contre les défauts à la terre : la protection contre les défauts à la terre de l’équipement (GFPE) et les disjoncteurs de fuite à la terre (GFCI), destinés à la protection du personnel.

Par définition, le GFPE est « un système destiné à assurer la protection des équipements contre les courants de défaut ligne-terre dommageables en provoquant l’ouverture par un moyen de déconnexion de tous les conducteurs non mis à la terre du circuit défectueux.

Cette protection est fournie à des niveaux de courant inférieurs à ceux requis pour protéger les conducteurs contre les dommages causés par le fonctionnement d’un dispositif de surintensité du circuit d’alimentation. (article 100 du CEN). Le GFPE détecte les défauts jusqu’à 30 mA et ne protège pas le personnel.

Pour la protection du personnel, un GFCI est requis, qui détecte les défauts jusqu’à 5 mA (ceci est discuté plus tard). Le GFPE est requis par le NEC pour les services électriques en étoile solidement mis à la terre compris entre 150 et 1 000 V à la terre et 1 000 ampères ou plus (NEC 230-95 ; des exceptions s’appliquent).

Et pour les systèmes électriques vitaux, tels que les hôpitaux, deux niveaux de GFPE sont requis (NEC 517-17). Cependant, les codes ne sont que des normes minimales ; C’est une bonne pratique d’ingénierie d’appliquer la détection de défaut à la terre de type GFPE encore plus en aval dans le système de distribution électrique où les défauts à la terre sont préoccupants et où l’on souhaite isoler le défaut plus près de la source.

L’importance de la mise à la terre pour les systèmes de distribution d’énergie

Toute conception de système de distribution d’énergie doit inclure soit un système non mis à la terre, soit un système solidement mis à la terre.

Un système non mis à la terre n’est pas nécessairement aussi sûr qu’un système mis à la terre, et il n’y a que cinq circuits électriques différents notés dans l’article 250.22 du NEC où les dangers d’un système non mis à la terre peuvent l’emporter sur les avantages de la mise à la terre en matière de sécurité.

Pour éviter toute confusion, nous nous concentrerons sur des systèmes solidement ancrés.

Une bonne mise à la terre du système est un acteur majeur de la protection du personnel et des équipements. La mise à la terre est la connexion intentionnelle d’un conducteur sous tension à la terre.

Les deux principales raisons de la mise à la terre selon le NEC sont de 1) limiter les tensions causées par la foudre ou par un contact accidentel des conducteurs d’alimentation avec des conducteurs de tension plus élevée et 2) stabiliser la tension dans des conditions de fonctionnement normales.

Un équipement correctement mis à la terre fournit une référence de masse pour les parties exposées non conductrices de courant du système électrique et fournit un chemin pour que le courant de défaut à la terre revienne à la source. Le but est d’empêcher la circulation de courant indésirable.

La mise à la terre est un sujet souvent mal compris et le NEC consacre un article entier (article 250) aux exigences de mise à la terre. La figure 6 représente un résumé des exigences de l’article 250 du NEC.

La figure 6 montre le concept important d’un système d’électrodes entièrement mis à la terre.

Plutôt que de s’appuyer entièrement sur une électrode de mise à la terre pour remplir sa fonction, le NEC nécessite la formation d’un système d’électrodes dans lequel toutes les électrodes présentes dans un bâtiment ou une structure sont liées ensemble.

Cela comprend les éléments de structure en métal, les conduites d’eau en métal et même les barres d’armature dans les semelles en béton.

Stratégies de protection de circuit supplémentaires pour les systèmes électriques

Une fois la mise à la terre du système correctement conçue, des stratégies de protection supplémentaires peuvent être appliquées aux circuits d’alimentation et de dérivation.

Une autre forme de protection de circuit est le GFCI. Le GFCI fonctionne de la même manière que le GFPE ; cependant, il s’agit généralement d’un dispositif d’utilisation finale qui met hors tension une prise dans une période de temps établie lorsqu’un défaut à la terre est détecté.

Contrairement au GFPE, qui est appliqué à l’OCPD pour assurer principalement la protection de l’équipement, le GFCI est généralement appliqué au niveau de l’appareil d’utilisation finale pour assurer principalement la protection du personnel, comme mentionné précédemment.

Cette forme de protection peut également être appliquée à l’OCPD du circuit de dérivation, mais offre la même protection du personnel. Les exigences relatives au GFCI résident dans l’article 210.8 du NEC.

GFCI est requis pour les installations commerciales dans les salles de bains, les cuisines, les toits, à l’extérieur, à moins de 6 pieds d’un évier, les endroits humides, vestiaires, garages et baies de service.

D’autres articles du NEC énumèrent également les exigences GFCI pour les emplacements spécialisés, tels que les distributeurs automatiques, les unités d’habitation, les maisons mobiles, etc.

Un interrupteur de circuit de défaut d’arc (AFCI) est une autre forme de protection de circuit.

Un AFCI est « destiné à fournir une protection contre les effets des défauts d’arc en reconnaissant les caractéristiques propres à la formation d’arc et en fonctionnant pour désactiver le circuit lorsqu’un défaut d’arc est détecté. Ils sont nécessaires dans les logements et les dortoirs, mais pas dans beaucoup de constructions commerciales.

Une dernière forme de protection de circuit qui mérite d’être mentionnée est celle de la protection physique. Plusieurs articles du code exigent une protection physique ou mécanique des départs et même des circuits de dérivation pour des choses comme les services ou les circuits d’alimentation de secours dans les hôpitaux.