Le schéma de mise a la terre TN

décembre 18, 2024 gordanmes

Introduction

Le régime TN est l’un des schémas de mise à la terre les plus couramment utilisés dans les installations électriques industrielles, tertiaires et certaines infrastructures résidentielles. Sa conception garantit une protection rapide en cas de défaut d’isolement grâce à des courants de défaut élevés, qui permettent le déclenchement des protections classiques.

Ce régime nécessite pour sa mise en œuvre qu’il y ait un transformateur de tête.
Il se décline en deux variantes principales : TN-S et TN-C. Ce régime est souvent préféré pour sa robustesse et son efficacité dans les environnements nécessitant une grande continuité de service.

Les principes fondamentaux du régime TN

Le régime TN repose sur les points suivants :

Neutre directement relié à la terre : Le neutre du transformateur est solidement connecté à une prise de terre.
Masses reliées au neutre : Les masses des équipements électriques sont reliées directement au neutre, soit via un conducteur dédié (TN-S), soit via un conducteur combiné neutre-protection (TN-C).

Schéma type de mise à la terre en régime TN

Le régime TN peut se décliner en deux variantes principales :

Schéma TN-C : Les fonctions neutre et protection sont combinées dans un seul conducteur appelé PEN. Cette variante est utilisée uniquement pour des sections de conducteur supérieures à 10 mm2 en cuivre ou 16mm2 en aluminium.

Schéma TN-S : Les fonctions neutre (N) et protection (PE) sont assurées par des conducteurs séparés.

Cohabitation entre les schémas TN-C et TN-S

Dans une même installation, il est possible de combiner TN-S et TN-C :

La partie amont (haute section) peut être en TN-C.
Les parties avals (plus petites sections) doivent être en TN-S.
Limitation : Il est interdit de revenir à TN-C après un passage en TN-S.

Schéma TN-C et TN-S

Règles à respecter pour la réalisation de la séparation du PEN

D’après la norme NFC 15-100:

Si, à partir de n’importe quel point de l’installation, le conducteur neutre et le conducteur de protection sont séparés, il n’est pas permis de les relier ensemble en aval de ce point.
Le conducteur PEN doit être relié à la borne ou à la barre prévue pour le conducteur de protection
Cette prescription n’interdit pas la mise en place d’une barre commune aux PEN, PE et neutre.

D’après la norme NF EN 60439-1:

La séparation du PEN en PE et neutre doit être réalisée au point d’entrée du câble d’alimentation dans l’armoire électrique BT.
à l’intérieur de l’ensemble, le conducteur PEN n’a pas besoin d’être isolé des masses (sauf local à risques d’incendie ou d’explosion).
la section du conducteur PEN doit être au moins égale à celle du neutre.
le passage du schéma TN-C à TN-S doit se réaliser en un seul point du tableau, au travers d’une barrette de déconnexion du neutre repérée, accessible et démontable pour faciliter la mesure d’impédance de la boucle de défaut.

Séparation du PEN en PE et Neutre

Étude type d’un défaut entre la phase et la masse dans le régime TN

Hypothèses simplificatrices

Plusieurs hypothèses simplificatrices peuvent être utilisées, mais leur pertinence doit être vérifiée pour chaque cas :

les réactances sont négligées en dessous de 150 mm², (Zs devient donc Rs)
La source chute de 20 % lors du défaut (Hypothèse admise dans le cadre de l’UTE C15-105).

Schéma du défaut

Lorsqu’un défaut d’isolement survient entre une phase et la masse d’un équipement, un courant de défaut (Id) circule directement via le conducteur de protection (PE ou PEN), créant une boucle rapide vers le neutre.

Défaut dans un circuit TN-C: Un défaut d’isolement sur la phase L3 induit un courant de défaut Id qui parcourt successivement les tronçons de câbles [AB], [BC],[DE] et [EA].

Schéma équivalent du défaut: Chaque tronçon de câble est symbolisé par son impédance. Les autres impédances du circuit sont négligées devant celles des câbles

Calcul du courant de défaut et de la tension de contact

En cas de défaut d’isolement , le courant de défaut Id n’est limité que par l’impédance de la boucle de défaut Zs (source et câbles).

Le courant de défaut phase/masse est proche du courant de court-circuit Ik1, calculer le courant de défaut est équivalent à trouver le courant de court circuit.

Pour rappel le courant de court circuit peut être déterminé selon 3 méthodes:

la méthode des impédances ;
la méthode de composition ;
la méthode conventionnelle

Nous utilisons dans cet article la méthode conventionnelle au sens du guide UTE C15-105 qui est une méthode simplifiée.

Le Courant Id est donné par la formule suivante:

0.8: L’approximation da la chute de tension dans le câble entre la source et la charge
U₀ : La tension nominale
Id: Le courant de défaut
Z_AB, Z_BC,Z_DE,Z_EA : les impédances des câbles situés sur le parcours de la boucle de défaut.

Chaque impédance est donnée par application de la formule suivante:

ρ : la résistivité du cuivre égale à 1.68⋅10⁻⁸Ωm,
L : La longueur totale du câble en mètres,
S : La Section du câble (en m²).

La tension de Contact U_d est donnée par application de la loi d’Ohm par la formule suivante:

Z_DE + Z_EA : impédance équivalente au bornes tronçon en défaut
Id: Le courant de défaut,

Remarque

Si la longueur du conducteur PE(N) et celle de la phase sont identiques on peut établir la relation suivante avec Z_éq l’impédance équivalente:

Z_AB +Z_BC = Z_DE +Z_EA = Z_éq

Exemple de calcul

Dans cet exemple, nous allons calculer la valeur du courant de défaut Id et de la tension de contact Ud.

Schéma : TN-C

Boucle de défaut : Phase 3 et PEN
Parcours de la boucle : A → B → C → D → E → A
Conditions normales (Non humides)
Impédances de câbles:
- Impédance ZAB : câble en cuivre de Longueur 60 m, Section 90 mm²,
- Impédance ZBC : câble en cuivre de Longueur 50 m, Section 35 mm²,
- Impédance ZDE : câble en cuivre de Longueur 50 m, Section 35 mm²,
- Impédance ZEA : câble en cuivre de Longueur 60 m, Section 90 mm².

Résistivité du cuivre (ρ) : 1.68⋅10⁻⁸Ω⋅m.

Tension nominale – Tension simple entre phase et neutre (U0) : 230 V.

1-Calcul des impédances des câbles

2-Calcul du courant de défaut

Le courant de défaut vaut : 1306.8A.

3-Tension de contact

La tension de contact vaut : 92V.

Détermination Dispositif de protection

Organes de protection contre les surintensités

Le courant de défaut est un court-circuit, la protection est effectué par les organes de protection contre les surintensités: les fusibles ou les disjoncteurs

Les temps conventionnels sont imposés par la norme NF C15-100

Tension de contact maximale (UL) :
- 50 V en conditions normales.
- 25 V en milieu humide.
Temps de coupure (tt) :
- Pour U0=230V, t≤0.4s.
- Pour U0=400V, t≤0.2s.

Cas du disjoncteur

Pour le disjoncteur la relation suivante doit être vérifiée : I_m<I_d<I_PdC

I_m : Courant de réglage magnétique du disjoncteur.
I_d : Courant de défaut.
I_PdC : Pouvoir de coupure du disjoncteur.
I_th : Courant de réglage thermique du disjoncteur.
t1 : Temps de déclenchement magnétique.

Le temps de déclenchement t₁ doit être inférieur au seuil de temps imposé par la norme NF C15-100. Ce critère est aisément remplis pour un disjoncteur magnétique car le temps t₁ est de l’ordre de 30ms au plus.

Cas du fusible

Pour le fusible la relation suivante doit être vérifiée : I_a<I_d

I_a : Courant de fusion du fusible.
I_d : Courant de défaut.
t₁ : Temps de fusion pour le courant de déclenchement.
t₂ : Temps de fusion pour le fusible pour le courant de fusion.

Le temps t₂ doit être inférieur au temps de coupure spécifié par la NF C15-100 en fonction de la tension.

Exemple de calcul

En reprenant les résultats de l’exemple précèdent nous allons déterminer la protection adaptée pour réaliser la protection en cas de défaut.

La tension de contact présente un danger, elle est de 92V donc supérieure aux 50V maximum (milieu sec) imposés par la NF C15-100.

Le disjoncteur doit couper le circuit en moins de 400 ms (NF C15-100). Avec un courant de défaut élevé de 1306.8 A, le temps de déclenchement magnétique s’effectue largement sous ce seuil, respectant largement cette exigence.

Problématique lié aux faibles courants de défaut

Non respect de la condition I_m<I_d

La condition I_m<I_d peut ne pas être satisfaite, dans ce cas le courant de défaut va persister pendant un temps long (supérieur à celui imposé par la NF C 15-100) sans être coupé par le seuil magnétique du disjoncteur.

La valeur de I_d peut baisser jusqu’à devenir inférieur I_m . Comme évoqué précédemment, I_d est assimilable à un courant de court-circuit. Au fil de l’installation, en partant de la source vers les consommateur cette valeur de court-circuit réduit. En effet , si la section conducteur (S) est trop petite ou plus couramment, si la longueur du conducteur (L) est trop importante la valeur du courant de court-circuit va en être réduite.

Afin faire respecter la condition I_m<I_d il est possible d’appliquer les solutions suivantes :

Solution1 : Utiliser ou régler le déclencheur à réglage magnétique sur un seuil plus bas (si les courants de démarrage de l’appareil sont important, cette solution est à éviter car elle va entrainer des déclenchements intempestifs).
Solution2 : Augmenter la section des conducteurs: PE(N) et/ou ceux des phases.
Solution3 : Installer des DDR (uniquement possible en TN-S).

Ce problème se pose particulièrement dans le cas des circuits de prises où la longueur de la liaison entre la prise est l’équipement est rarement connu lors de la conception ou l’équipement branché est amené à être remplacé.

Longueur maximale du circuit

Afin d’éviter de se retrouver dans la situation où la longueur réelle du circuit dépasse une longueur critique et empêche de ce fait d’assurer le fonctionnement du dispositif de protection dans le délai impartis il est utile de calculer la valeur de L_max , la longueur maximale possible.

La longueur maximale en fonction du courant de déclenchement du dispositif de protection et des propriétés des circuits est données à partir de la formule suivante.

L_max : Longueur maximale du circuit (m)
U₀ : Tension (V)
S_ph : Section de la phase (mm²)
S_pe : Section du conducteur de protection (mm²)
m : rapport S_ph/S_pe
I_m : Courant de déclenchement magnétique du disjoncteur ou courant de fusion pour un fusible
ρ : résistivité du matériau (CU: 1.68⋅10⁻⁸Ω⋅m / AL : 3.10⋅10⁻⁸Ω⋅m)

Défaut entre la phase 3 et le PEN pour un circuit de prise monophasé

Conclusions sur le schéma TN

Le schéma TN est particulièrement adapté aux installations industrielles et tertiaires, notamment celles utilisant un poste privé HT/BT, ainsi qu’aux systèmes informatiques. Il combine efficacité et économie, tout en permettant l’utilisation de récepteurs avec des courants de fuite élevés. Cependant, il impose des contraintes en termes de gestion des défauts et de dimensionnement des protections.

Avantages

Courant de défaut faible
Schéma simple à l’étude
Schéma ne nécessitant pas de surveillance d’exploitation
Les modifications se font sans calcul

Inconvénients

Déclenchement dès le premier défaut.
Dimensionnement des protections en fonction des longueurs de câbles.