ABB CMC COMPONENTS€¦ · Effets du courant électrique sur les biens 2. Protections contre les dangers du courant électrique 2.1. ... En effet, presque tous les réseaux de distribution

ABB CMC COMPONENTS

Couplage de protectiondifférentielle

Fonctionnement et application

Information technique

20119/A

Ohne Namen-15 01.06.2001, 17:24 Uhr3

ABB CMC COMPONENTS 320119/A

4006

6

E221-6

Table des matières

1. Le potentiel de danger de l’énergie électrique1.1. Réseaux de distribution1.2. Situations dangereuses

1.1.1. Situations dangereuses pour les personnesa. Contact indirectb. Contact direct

1.2.2. Résistances du corps et valeurs du courant1.2.3. Effets physiologiques du courant électrique1.2.4. Effets du courant électrique sur les biens

2. Protections contre les dangers du courant électrique2.1. L’isolation2.2. La tension réduite2.3. La protection différentielle

2.3.1. Fonctionnement de la protection différentielle

3. Construction des dispositifs différentiels3.1. Généralités3.2. Tore magnétique3.3. Verrou3.4. Déclencheur magnétique3.5. Circuit de test3.6. Système de contacts

3.6.1. Coupure omnipolaire3.6.2. Propriétés électriques

3.7. Temps de coupure3.7.1. Interrupteur différentiel non retardé (type FI)3.7.2. Interrupteur différentiel légèrement retardé (type FIK)3.7.3. Interrupteur différentiel sélectif (type FIS)

4. Influences sur le fonctionnement des dispositifsdifférentiels4.1. Température4.2. Courants continus4.3. Courants de défaut continus pulsés4.4. Fréquence

5. Conditions de déclenchement

6. Inscriptions

7. Produits CMC pour la protection différentielle

Couplage de protectiondifférentielle Fonctionnement etapplication

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4 ABB CMC COMPONENTS20119/A

1. Le potentiel de danger de l’énergieélectrique

L’électricité peut aussi être dangereuse commed’ailleurs toutes les autres formes d’énergie. Deserreurs d’installation ou à l’intérieur des appareilspeuvent provoquer l’incendie de bâtiments, blesserdes personnes ou des animaux et même provoquerleur mort par électrocution. Les profanes, qui n’ontpas les connaissances techniques, ne sont pas lesseuls à être mis en danger; les professionnels le sontaussi, souvent par manque de temps, ou parce qu’ilsnégligent les prescriptions de sécurité.

1.1. Réseaux de distribution

On sait que le «courant électrique» est dangereuxlorsque l’on touche simultanément deux conducteursactifs. On ne s’expose donc pas volontairement à cedanger. Ce qui est moins connu, c’est qu’on courtaussi un danger en ne touchant qu’un seul conduc-teur. En effet, presque tous les réseaux de distributionsont mis à la terre de sorte qu’en touchant le conduc-teur d’une phase, le circuit se referme en passant àtravers le corps. Heureusement que les risques quiexistent par la mise à la terre des réseaux peuvent êtreen grande partie éliminés par la protection différentiel-le. Les figures 1 à 4 donnent des exemples de réseauxmis à la terre.

Les figures 1 à 3 représentent les enroulementssecondaires d’un transformateur pour le réseaualternatif 400/230 V qui est le plus répandu en Europe.L’extrémité des enroulements constitue le point neutrequi est mis à la terre pour des raisons de sécurité.

Le conducteur PEN du schéma TN et le conducteurneutre dans le schéma TT sont raccordés à la mêmeterre. L’autre extrémité des enroulements alimenterespectivement les conducteurs de phase L1, L2et L3, que l’on désigne aussi comme conducteursextérieurs ou phases. Leur tension par rapport à laterre est de 230 V. Le conducteur PEN est mis à laterre à l’introduction de l’immeuble aussi bien avec leschéma TN-C qu’avec le schéma TN-S. Dans leschéma TN-S, le conducteur PEN se divise à l’intro-duction de l’immeuble en conducteur PE et en neutre.Dans le schéma TT, contrairement au schéma TN,aucun conducteur de protection ne relie le trans-formateur de réseau à l’introduction de l’immeuble,on doit créer une mise à la terre séparée pour leconducteur PE.La figure 4 montre les enroulements secondaires dutransformateur d’un réseau triphasé de 3 x 500 V,toujours utilisé en milieu industriel. Là également, leconducteur de protection est relié au point neutre misà la terre. Le réseau triphasé 3 x 500 V n’a donc niPEN, ni conducteur de neutre. La tension par rapportà la terre est de:

UL-PE = 500V / = 290V

Le réseau industriel 3x690V qui est construit de lamême manière, ne pourrait pas s’imposer. Pour ceréseau la tension par rapport à la terre est de:

UL-PE = 690V / = 400V

Fig. 1: Schéma TN-C

Fig. 2: Schéma TN-S

Fig. 3: Schéma TT

Fig. 4: Réseau 3 x 500 V

Z20

026

Z20

027

Z20

028

Z20

029

L1

L2

L3

PEN

L1

L2

L3

N

PEPEN

L1

L2

L3

N

PE

L1

L2

L3

PE

Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:25 Uhr4


1.2. Situations dangereuses

Conformément aux normes internationales, aucundanger ne doit apparaître lors d’un premier défaut, parexemple lors d’une défaillance de l’isolation dans unappareil électrique. C’est la raison pour laquelle lesparties métalliques tangibles doivent être reliées auconducteur de protection, c’est-à-dire avec la terre.La figure 5 représente le schéma d’un récepteurunipolaire.

Lorsqu’un défaut d’isolement se produit à l’intérieurde l’appareil V, un courant de défaut IF s’écoule sur le

boîtier de cet appareil qui est mis à la terre. Le courantde service IB qui s’écoule dans le conducteurd’amenée au récepteur n’est pas important pourl’allure du courant de défaut IF. Le courant de défautIF se répartit au point de mise à la terre. Le courantpartiel IF’ retourne au transformateur par le conduc-teur PEN, et le courant partiel IF’’ par la terre.Lors d’un défaut faiblement résistif à la masse dansl’appareil V, le courant de défaut IF est si grand quele coupe-surintensité S placé en amont couperapidement l’appareil défectueux.

1.2.1. Situations dangereuses pour les personnesUne situation dangereuse se produit en principelorsqu’un être humain (ou un animal) reçoit la tensiond’un appareil, suite à une défectuosité dans un ap-pareil électrique, à un défaut d’isolement, à unenégligence ou une étourderie. Un courant s’écouleà travers son corps; la gravité du danger dépend del’intensité du courant et de sa durée. Les normes fontla différence entre un contact direct et un contactindirect.

a. Contact indirectLorsqu’une personne, en contact avec la terre, touchele boîtier métallique d’un appareil électrique mis à laterre (fig. 6), on parle de contact indirect.

Fig. 5: Schéma TN-S avec récepteur défectueux

Z20

030


I

I 'F

I "F ⇓

IF

S

IF

⇓

B

V

L1

L2

L3

PE

N

⇓

⇓

IF

IF

⇓

I +B

Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:25 Uhr5


L1

L2

L3

PE

N

IK

⇓

S

⇓

IF

VI 'F

IK

⇐

⇓

⇓

IF

I 'F

IB

I +B

Lors d’un défaut d’isolement dans l’appareil V, lecourant de défaut IF est relativement faible à cause del’impédance interne de l’appareil, par conséquent, lecoupe-surintensité S mentionné au paragraphe 1.2 nedéclenche pas ou seulement après un certain temps.Le courant de défaut IF se répartit comme suit: unepartie du courant IF’ passe par le conducteur deprotection PE, le conducteur PEN et le point neutre dutransformateur mis à la terre, tandis que l’autre partiedu courant IK s’écoule à la terre à travers le corps dela personne et retourne au transformateur. La réparti-tion de IF en IF’ et IK est inversement proportionnelleaux résistances traversées par les courants. Avec unappareil en parfait état mis à la terre, la résistance demise à la terre n’est que de quelques ohms. En revan-che, la résistance du corps atteint environ 1000 ohms.En conséquence, le courant IK qui s’écoule à traversle corps de la personne n’est que le 0,2% du courantde défaut IF. Si le courant de défaut IF est par exem-ple de 10A, le courant IK qui traverse le corps estd’environ 20 mA. Ce courant bien perceptible est trèsdésagréable; il n’est cependant pas dangereux et neprovoque pas de blessures. Une connexion de terrede faible résistance est donc la première mesure deprotection. Le risque de rupture du conducteur deprotection existe surtout avec les appareils électriques

portables. L’appareil fonctionne probablement trèsbien et c’est la raison pour laquelle ce défaut estrarement constaté. Si, par contre, un défautd’isolement s’ajoute encore à celui-ci et qu’unepersonne touche le boîtier métallique de l’appareil quin’est plus mis à la terre, son corps est alors traversépar le courant de défaut total. Par la tétanisation desmuscles due au passage du courant, il ne lui est pluspossible de lâcher l’appareil ce qui cause un graveaccident ou même la mort. Cette situation peut, parconséquent, être évitée avec l’installation d’un inter-rupteur différentiel de 10 A, d’une sensibilité de30 mA.

b. Contact directOn parle de contact direct quand une personnetouche une partie conductrice non isolée. Le courantIK qui traverse son corps est déterminé par la tensionpar rapport à la terre et par la résistance dans laquellele courant circule jusqu’au point neutre du transforma-teur. Le courant qui traverse le corps est généralementélevé, de sorte que la victime est en danger de mort.Dans ce cas, l’installation d’un interrupteur différentield’une sensibilité de 10 ou 30 mA est la seule mesurefiable permettant d’éviter l’électrocution.

Fig. 6: Contact indirect dans le schéma TN-S


Z20

031

Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:25 Uhr6


10 50 100 500 10000,01

0,05

0,1

0,5

1

5

10

Seuil de sécurité

Courant en mA

Temps en s

Aucun risque de fibrillation

1.2.2. Résistances du corps et valeurs du courantLe courant IK qui traverse le corps, en cas de contactdirect ou de contact indirect, dépend de la tensionentre un conducteur de phase et la terre ainsi que del’impédance mesurée entre les conducteurs de phaseet le point neutre du transformateur. Le courant IKtraversant le corps est limité par les résistancessuivantes:– résistance du conducteur– résistance résiduelle de l’isolation défectueuse– résistance du corps– résistance de passage à la terre– résistance de terre

La plus grande des résistances est celle du corps desorte qu’on peut négliger les autres, sauf dans les casoù la résistance de passage à la terre est prise enconsidération. Il est difficile de donner des valeursexactes pour la résistance du corps, car elle estinfluencée par de nombreux paramètres. A part les

caractéristiques des conditions de situation, la gran-deur de la surface de contact, une peau sèche ouhumide, l’état de la peau et la tension de contact ontune influence. La résistance de la peau diminue avecl’augmentation de la tension. Pour le 50% de lapopulation, la résistance du corps, pour une surfacede contact de la main G à la main D et avec unetension de 25 V, ne dépasse pas 3250 Ω. Dans lesmêmes conditions, mais avec une tension de 230 V, larésistance du corps n’est plus que de 1350 Ω. Lesmesures effectuées montrent que la résistance ducorps ne descend guère au-dessous de 1000 Ω. Uneexception à cette règle existe cependant pour unepersonne qui se trouve dans un bain. Pour ce contactsur une grande surface, la résistance de la peau avecle milieu conducteur n’est que de quelques centainesd’ohms. Le tableau 7 donne les résistances du corpspour quelques contacts fortuits et une tension decontact de 230V.

1.2.3. Effets physiologiques du courant électriqueLe coeur est sollicité dans de nombreux accidents dusau courant électrique. (Contact main – main, contactmain – pied, électrocutions dans une baignoire).Un courant alternatif traversant le corps peut, dans laplupart des cas, déclencher une fibrillation ventriculai-re. De nombreuses recherches ont été effectuées surdes chiens, des moutons et des cochons pour déter-miner le seuil de fibrillation cardiaque; puis ces essaisont ensuite été extrapolés au coeur humain. C’est surcette base que la CEI a établi une courbe de sécuritépour les courants alternatifs de 50/60 Hz. La figure 8montre la courbe de sécurité des courants qui traver-sent le corps en fonction d’un temps donné.

Fig. 8: Courbe de sécurité


Z20

032

Genre de contact Résistance du corps à 230V Valeur du courant pourune tension de 230V

Grande surface mouillée 400 Ω … 500 Ω 460 mA … 575 mA

Main – main 1500 Ω … 2000 Ω 115 mA … 155 mA

Main – pieds mouillés 1200 Ω … 1500 Ω 155 mA … 190 mA

Main – pieds avecchaussures de cuir séches 5000 Ω … 15000 Ω 15 mA … 46 mA

Tableau 7

Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:25 Uhr7


Z20

033

Z20

034

Z20

035

Z20

036

Heureusement que tous les contacts avec le courantélectrique ne provoquent pas une blessure ou uneélectrocution. Un objet sous tension qui n’est passaisi à pleine main, mais simplement touché, peut êtrelâché grâce à la réaction des muscles. Malgré cela, laplupart des contacts avec une tension supérieure à100 V sont très désagréables et même douloureux.Le tableau 9 représente les effets physiologiques ducourant électrique au-dessous de la courbe de sécuri-té de la fibrillation ventriculaire.

1.2.4. Effets du courant électrique sur les biensDans les communiqués de presse relatant des incen-dies provoqués par l’électricité, la plupart sont dus à

des courts-circuits. Cependant, ce ne sont générale-ment pas les courts-circuits qui ont allumé l’incendie,mais plutôt les courants de fuite superficiels.Lorsqu’un courant traverse un matériau inflammablehumide, du bois par exemple, ce matériau se carboni-se. Sa résistance baisse, le courant s’élève et aprèsun certain temps l’énergie transformée est capabled’allumer le matériau. Des essais ont montré qu’uncourant de 500 mA est suffisant pour enflammer dubois. Il existe par exemple un danger d’incendie latentdans une grange où de l’eau ruisselle, d’un toit quin’est plus étanche, sur un câble détérioré monté surune paroi de bois.

Courant qui traverse le corps Sensation Effet

0,5 mA Pas perceptible, exception: du bout des sans dangerdoigts, avec la langue, flux de courantpar des plaies.

3 mA Sensation de fourmillement sans danger

15 mA Limite d’autolibération: un objet saisi ne désagréable, maispeut plus être lâché sans danger

40 mA Tétanisation des muscles Danger d’asphyxie due à latétanisation des musclesrespiratoires lors d’un effetprolongé de quelquesminutes

Tableau 9


Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:25 Uhr8


2. Protections contre les dangers ducourant électrique

Il n’existe pas de protection absolue contre lesdangers du courant électrique. Les statistiquesd’accidents montrent que la technique maîtrise lesrisques qui émanent du courant électrique. Parmi lesmesures de protection, il y a d’abord l’isolation, puisl’utilisation de tensions réduites et enfin la protectiondifférentielle.

2.1. L’isolation

La principale mesure de protection est tout d’abordune bonne isolation. Les appareils électriques porta-bles sont aujourd’hui munis d’une isolation de protec-tion ou d’une double isolation (degré de protection II).Lorsqu’on travaille dans une installation électrique,les parties sous tension doivent être soigneusementrecouvertes. Le temps nécessaire pour ces mesuresde précaution est pleinement justifié, car il évitebeaucoup d’accidents dont l’issue est parfois fatale.Un emplacement isolant constitué par exemple pardes bottes de caoutchouc est également une bonneprotection. Naturellement que des bottes de caout-chouc n’apportent aucune protection, si l’on touched’une main une partie sous tension et qu’une autrepartie du corps entre en contact avec une pièce miseà la terre.

2.2. La tension réduite

Lors d’un contact fortuit avec des parties conductri-ces à différents potentiels, le courant qui traverse lecorps est donné par la tension appliquée et la résis-tance du corps. Pour une tension de 230 V, la résis-tance du corps est de 1000 Ω. Pour une tension de50 V, la résistance du corps est environ le double, soit2000 Ω. Le danger de mort par électrocution, existeau-delà de 40 mA. On en déduit une tension decontact admissible et inoffensive de 2000 Ω x 40 mA= 80 V. Les tensions alternatives inférieures à 50 Vsont considérées comme de très basses tensionset sont utilisées, par exemple, pour des éclairagesimmergés et pour de nombreux appareils électro-niques fonctionnant avec des transformateurs enficha-bles. Pour les tensions au-dessous de 25V, les partiessous tension ne doivent pas être recouvertes. Celaconcerne par exemple les trains électriques, les jouetset les lampes halogène.

2.3. La protection différentielle

Environ 75% des accidents et des incendies dus àl’électricité sont provoqués par un flux de courant quiest dérivé à la terre. Les courants s’écoulant à la terresont décelés par la protection différentielle qui coupel’alimentation. Si la sensibilité de la protection diffé-rentielle est judicieusement choisie, ces accidents etces incendies peuvent être évités.Si aucun courant ne s’écoule à la terre, elle n’offreaucune protection. Il n’existe actuellement aucunappareil capable de détecter si une personne ou unebrosse à dents électrique est branchée entre unephase et le neutre. En cas de contact direct avec unetension alternative de plus de 500V par rapport à laterre, la protection différentielle ne protège pas nonplus, parce que le courant de défaut est si élevé, qu’ilpeut déclencher une fibrillation malgré une coupurerapide.

2.3.1. Fonctionnement de la protectiondifférentielleLe principe de la protection différentielle est basésur l’égalité de la somme des courants qui circulentdu réseau à un récepteur et retournent au réseau.La figure 10 représente cette situation au moyend’un récepteur unipolaire.

Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:25 Uhr9


IF

⇓IBNV

Tr

PE

W

NL

MA

IF

φNφL ⇓φ

F

⇓

⇓

⇓

⇓ IF

⇓

IBL

A

S

Z20

037

Dans un système triphasé avec ou sans neutre, lefonctionnement est en principe identique, mais pourplus de clarté, la source de courant qui est représen-tée est seulement unipolaire.Le ou les conducteurs de phase aussi bien que leconducteur neutre passent à travers le transformateurtotalisateur W formé d’un tore en matière magnétiquedouce. Le courant IBL s’écoule à partir de la source Tr,dans le conducteur L jusqu’au récepteur V et retourneà la source de courant en passant par le conducteurneutre N (courant IBN). Le courant IBL qui arrive, estidentique au courant IBN de sens opposé qui repart,par conséquent, les champs magnétiques ΦL et ΦNengendrés dans le tore W s’annulent réciproquement.

Fig. 10: Fonctionnement de la protection différentielle

Lorsqu’un défaut d’isolement survient à l’intérieur durécepteur V, un courant de défaut IF supplémentairecircule alors depuis le défaut du récepteur et retourneà la source de courant Tr en passant par le conducteurde protection PE. Si une personne en contact avec laterre touche le boîtier de l’appareil, le courant ou unepartie de celui-ci retourne à la source de courant àtravers son corps, puis par la terre. Le courant dedéfaut IF produit le flux magnétique ΦF dans letore W.Le transformateur toroïdal W comprend un enroule-ment secondaire A. Le flux magnétique alternatif ΦFinduit dans celui-ci une tension dont le très faiblecourant active le relais du déclencheur MA. Ce dernieragit sur le verrou S qui produit l’ouverture des con-tacts et coupe ainsi le récepteur défectueux.

2. Protections contre les dangers ducourant électrique

Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:25 Uhr10


3. Construction des dispositifsdifférentiels

3.1. Généralités

Les dispositifs différentiels se composent d’un trans-formateur toroïdal, d’un relais déclencheur et d’unverrou avec un système de contacts. Les normesexigent en plus que le dispositif soit doté d’un circuitde test qui n’a aucune influence sur le fonctionne-ment. Pour les interrupteurs différentiels, tous leséléments précités sont réunis dans un boîtier. Ils sontdisponibles pour des intensités nominales jusqu’à125 A. Ces interrupteurs sont prévus pour des sensi-bilités de 10 mA, 30 mA et 300 mA, c’est-à-dire descourants de défaut qui font déclencher l’appareil.

Au-dessus d’une intensité nominale de 125 A, lesdispositifs se composent généralement d’élémentsséparés tels que:– transformateur toroïdal– relais différentiel avec déclencheur, système de

contacts auxiliaires et circuit de test– interrupteur ayant un pouvoir de coupure suffisant

et équipé d’un déclencheur à manque de tension.Lors d’un courant de défaut, le relais différentielinterrompt un circuit de courant auxiliaire qui ouvrel’interrupteur par l’intermédiaire du déclencheur àmanque de tension. L’interrupteur peut être un dis-joncteur, un interrupteur de charge ou encore uncontacteur. Lorsqu’on utilise un contacteur, celui-cidoit être recouvert d’un capot évitant toute interven-tion dans son fonctionnement, comme le blocage dudéclenchement par exemple.

Interrupteur différentiel

3.2. Tore magnétique

Le noyau est constitué par un tore en feuillard d’unalliage magnétique doux de haute qualité. Les intensi-tés du champ magnétique disponible sont extrême-ment faibles, surtout pour les interrupteurs différen-tiels d’une sensibilité de 10 mA et 30 mA. Malgré cela,le flux magnétique engendré dans le tore, en cas d’uncourant de défaut, doit être suffisamment importantpour induire une énergie suffisante dans l’enroulementsecondaire. Pour élever le flux du courant magnétiqueet l’intensité du champ magnétique dans le noyau, lesconducteurs de phase et du neutre de ces interrup-teurs différentiels sont bobinés en plusieurs spires,dont le nombre est, cependant, limité pour des raisonsd’échauffement et d’encombrement.

Relais FI avec le tore magnétique

4027

2

4008

3

4008

4

Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:26 Uhr11


Tore magnétique avec la moitié inférieurede la capsule de protection

Tore magnétique bobiné.L’enroulement secondaire est constitué par

plusieurs spires de faible section

3.3. Verrou

Le verrou doit être pourvu d’un déclenchement libre.En cas d’enclenchement sur défaut, l’interrupteur doitaussi pouvoir déclencher, même si le levier de mani-pulation est maintenu en position enclenchée.

3.4. Déclencheur magnétique

L’énergie fournie par l’enroulement de déclenchementdu tore magnétique n’est pas suffisante pour attirerl’armature d’un relais et pour déclencher le verroud’un interrupteur différentiel. Le principe de l’aimantde maintien surmonte cette difficulté.Avec le déclencheur magnétique CMC, les énergiesaccumulées dans un ressort et un aimant permanentsont utilisées pour le déclenchement de l’interrupteurdifférentiel. La figure 11 illustre le principe dufonctionnement.

Déclencheur magnétique


4008

0

4008

140

115

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F

D

S

N

⇓

A W

MBM 2

M1

M P

⇓

φP

φFI

S

Z20

038

Le déclencheur magnétique MA se compose del’aimant permanent MP, des deux branches en matièremagnétique douce M1 et M2 et de l’armature MB.L’enroulement AW est placé sur la branche M1. Leressort antagoniste F exerce une force sur l’armatureMB. Au repos du système, la situation est la suivante:Le flux ΦP developpé par l’aimant permanent MPpasse par la branche M1, l’armature MB et revient àMP par la branche M2. La force d’attraction produitepar le flux ΦP sur l’armature MB est supérieure à laforce du ressort de rappel F, de sorte que l’armatureMB est attirée contre les branches M1 et M2.Lorsqu’un courant de défaut circule, il induit unetension alternative dans l’enroulement secondaire dutore magnétique. Un courant circule par l’enroulementde déclenchement AW qui produit le flux magnétiqueΦFI dans le déclencheur magnétique. Selon le sens dela tension induite (alternance positive ou négative), leflux magnétique ΦFI est opposé au flux magnétiqueΦP dans la première ou dans la deuxième alternancedu courant de défaut. Le flux magnétique est affaiblidans les surfaces polaires, de sorte que la force duressort de rappel F est capable de retirer l’armatureMB. L’énergie du ressort F libère l’encliquetage duverrou S et les contacts de l’interrupteur différentielpeuvent s’ouvrir. Mais pendant l’ouverture, le verrouappuie de nouveau l’armature MB contre les branchesM1 et M2; de sorte que l’interrupteur différentiel estprêt pour un enclenchement manuel.

L’entrefer D situé entre les branches M1 et M2 guidele champ magnétique ΦP; car sans lui, tout le fluxmagnétique ΦP de l’aimant permanent se refermeraitpar les branches M1 et M2 et l’armature MB nepourrait pas être attirée. Le flux magnétique ΦFIcircule dans le circuit formé par l’entrefer D, lesbranches M1 et M2 et l’armature MB. Il ne passecependant pas par l’aimant permanent MP, car cedernier offre une trop grande résistance magnétique.Le défi à surmonter pour la construction du déclen-cheur magnétique est le bon choix du matériau ma-gnétique et le dimensionnement des parties décrites.La fabrication requiert de très grandes exigences.Le montage se fait en «salle blanche». La finition dessurfaces d’appui de l’armature et des branches doitêtre d’une excellente qualité. CMC jouit d’une expéri-ence de plus de 35 ans dans le développement et lafabrication de robustes déclencheurs magnétiques àfaible puissance de déclenchement. Les déclencheursmagnétiques de CMC sont utilisés dans beaucoupd’interrupteurs différentiels du groupe ABB, ainsi quedans ceux d’autres fabricants.

Fig. 11: Fonctionnement du déclencheur magnétique


Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:26 Uhr13


L1 L2 L3 N

P2

P1

RP

SK

φ⇓P⇓

PIW

T

S

Z20

039

3.5. Circuit de test

L’appareillage de protection différentielle doit, confor-mément aux normes, avoir un dispositif de test. Celui-ci permet à un profane de tester le fonctionnement dela protection différentielle. Le circuit en question estreprésenté par la figure 12.

Le circuit de test contient le contact SK qui est couplémécaniquement avec le verrou S, la touche de test Tet la résistance d’essai RP. Lorsque l’interrupteurdifférentiel est enclenché, le contact SK est aussifermé.Lorsqu’on appuie sur la touche T, le courant d’essai IPcircule à partir d’une phase (prise avant le tore magné-tique W), par la résistance RP et revient au réseau parle conducteur neutre (passant par le tore W).Le courant d’essai IP engendre dans le tore W, le fluxmagnétique ΦP. Ce flux a le même effet qu’un courantde défaut, ce qui fait déclencher l’interrupteur différen-tiel.La résistance d’essai RP est calculée de façon quele courant d’essai IP soit suffisamment élevé pourproduire un déclenchement, même en cas d’unediminution de la tension. La valeur de la tension duréseau n’a pas d’influence sur le fonctionnement del’interrupteur différentiel, sauf si lors d’une trop fortebaisse de la tension, on ne peut plus provoquer ledéclenchement en appuyant sur la touche de test.

Fig. 12: Circuit de test du dispositif différentiel

Si l’interrupteur différentiel est alimenté par le bas,le contact SK empêche une surcharge thermique ducircuit de test. Cela pourrait se produire, si l’onappuyait trop longtemps sur la touche T.

3.6. Système de contacts

3.6.1. Coupure omnipolaireLes interrupteurs différentiels qui sont installés dansles réseaux avec un conducteur neutre doivent avoirune coupure omnipolaire. Cela empêche qu’en casde rupture du neutre du côté réseau, le conducteurneutre soit mis sous tension à travers un récepteurbranché. Cette situation est représentée par lafigure 13.


Ohne Namen-16 01.06.2001, 17:26 Uhr14


N

L3

L2

U

L1

IK

⇓

V

FI

IK ⇓

IK

⇓

IK⇓

IK

⇓

IK

⇓

Z20

040

Si une rupture du conducteur neutre se produit en U,le neutre est mis sous tension au moment où lerécepteur V est enclenché. Si par exemple une per-sonne qui se tient à cet endroit est en contact avec laterre et qu’elle saisit le conducteur neutre, elle estalors parcourue par le courant IK. Si le contact a lieu àla sortie de l’interrupteur différentiel, comme représen-té sur le schéma, le FI déclenche. Cette personne necourt donc aucun danger, si la sensibilité du FI est aumaximum de 30 mA. L’interrupteur différentiel assurela protection à condition que le conducteur neutrepasse par l’appareil. L’exigence du conducteur neutrecoupé doit surtout être observée avec une protectiondifférentielle composée d’éléments séparés, c’est-à-dire d’un tore, d’un relais différentiel et d’un dis-joncteur. Ce dernier doit aussi couper le conducteurde neutre, pour autant que la ligne raccordée compor-te un neutre.

3.6.2. Propriétés électriquesUn interrupteur différentiel doit pouvoir supporter soncourant nominal en permanence. A part cela, il doitsupporter les surcharges dues par exemple auxcourants de démarrage des moteurs, aussi longtempsque l’organe de protection contre les surcharges n’apas déclenché. Selon les normes, il doit d’autre partavoir un certain pouvoir de coupure minimal en cas decourt-circuit. Le tableau 14 contient une classificationdes valeurs exigées.

Fig. 13: Interrupteur différentiel avec coupure omnipolaire


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Valeurs minimalesPouvoir de coupure nominal 10 x courant nominal

500 A au minimumPouvoir de coupure nominal 10 x courant nominalde défaut 500 A au minimumCourant de court-circuitnominal 3000 ACourant de court-circuitnominal de défaut 3000 ASurintensité sansdéclenchement 6 x courant nominal

Avec un dispositif différentiel composé d’un toremagnétique, d’un relais différentiel et d’un interrupteurséparés, on doit observer les points suivants: si ledéclenchement est assuré par un disjoncteur, sonpouvoir de coupure sous court-circuit Icu doit être aumoins aussi grand que le courant de court-circuit aupoint d’installation. Lorsqu’on utilise un interrupteur decharge ou un contacteur, il faut respecter la coordina-tion entre l’interrupteur de charge ou le contacteur etle coupe-surintensité qui le précède. En cas de court-circuit, les contacts de ces appareils ne doivent passouder.

3.7. Temps de coupure

Les temps de coupure des interrupteurs différentielssont fonction de la valeur du courant de défaut et del’exécution du FI. Les normes contiennent des tempsde coupure pour les interrupteurs différentiels nonretardés et sélectifs (retardés).

3.7.1. Interrupteur différentiel non retardé (type FI)Les interrupteurs différentiels non retardés sontinstallés avec des sensibilités I∆n de 10 mA, 30 mA et300 mA. Grâce à leur déclenchement instantané et àleur haute sensibilité, les interrupteurs différentiels de10 mA et 30 mA sont capables d’assurer la protectiondes personnes en cas de contact direct. Les tableaux19 à 21 indiquent les temps de déclenchement exigéspar les normes.D’après ces tableaux un interrupteur différentiel de30 mA doit déclencher un courant de défaut de 60 mAen 150 ms, tandis qu’un courant de défaut de 250 mAdoit être interrompu en 40 ms. L’essai avec un courantde défaut de 500 A est demandé afin de déterminersi les champs magnétiques occasionnés par de fortscourants n’ont pas d’influence négative sur le déclen-chement.

Tableau 14

3.7.2 Interrupteur différentiel légèrement retardé(type FIK)Les normes n’indiquent pas de temps de déclenche-ment minimum pour les interrupteurs différentiels nonretardés. Au premier abord, il semble que pour laprotection des personnes un déclenchement aussirapide que possible soit souhaitable. Comme celaest décrit au chapitre 3.4, le déclenchement del’interrupteur différentiel peut déjà avoir lieu dans lapremière alternance du courant de défaut, c’est-à-direqu’en quelques millisecondes, il peut arriver que desdéclenchements intempestifs occasionnels dus à descourants de fuite capacitifs apparaissent. Si dansune installation, il existe des capacités entre un ouplusieurs conducteurs de phase et la terre, elles sechargent à l’enclenchement de l’installation. Cesimpulsions de courant capacitif sont détectées parl’interrupteur différentiel comme un courant parrapport à la terre, c’est-à-dire comme courant dedéfaut. Les condensateurs de déparasitage ou lescapacités dues à de longues lignes sont considéréscomme des capacités par rapport à la terre. Uneimpulsion de courant capacitif a une durée de moinsd’une milliseconde, mais cette énergie est suffisantepour produire le déclenchement d’un interrupteurdifférentiel non retardé. L’interrupteur différentiellégèrement retardé développé par CMC permetd’éviter ces déclenchements intempestifs. Cetteexécution est désignée par le type FIK et existe avecdes sensibilités I∆n de 10 mA et 30 mA. Les temps dedéclenchement sont donnés dans les tableaux 19 et20. Les temps de déclenchement maxima admissiblessont respectés, comme indiqué dans les normes pourles interrupteurs différentiels non retardés, mais grâceà la temporisation, les déclenchements intempestifsoccasionnés par des phénomènes capacitifs sontsupprimés. Comme la figure 15 le représente, latemporisation est réalisée par l’introduction d’uncircuit mémoire électronique SP entre l’enroulementsecondaire A et le déclencheur magnétique MA.


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FI⇓ MAW

L1 L2 L3 N

A

SP

Ce circuit mémorise l’énergie qui s’écoule dans le toremagnétique de l’interrupteur différentiel. En cas dedépassement d’une certaine limite, le déclenchementcommence au plus tôt après 10 ms. Il n’y a pas dedanger que les composants électroniques soientendommagés par des surtensions, car cet élément estséparé du réseau. De cette façon, les déclenchementsintempestifs peuvent être évités sans causer depréjudice à la protection des personnes. Un échelon-nement sélectif de deux interrupteurs différentiels(voir au chapitre suivant) légèrement temporisés n’estpas possible.

3.7.3. Interrupteur différentiel sélectif (type FIS)Un interrupteur différentiel de 300 mA est souventinstallé comme protection contre les incendies. Enaval de cet appareil, la protection des personnes auxprises de courant est assurée avec des interrupteursdifférentiels d’une sensibilité de 10 mA. Si un courantde défaut supérieur à 300 mA se produit sur une prise,probablement que l’interrupteur différentiel de 10 mAne sera pas le seul à déclencher, celui de 300 mAplacé en amont déclenchera aussi; l’installation ou dumoins une grande partie de celle-ci sera privée decourant. Cette situation peut être évitée en utilisantun interrupteur différentiel de 300 mA sélectif. Cetteexécution porte une étiquette signalétique avec lalettre S dans un carré. Ces interrupteurs différentielssélectifs travaillent sélectivement avec les FI montésen aval et ayant une plus grande sensibilité. Lestableaux 19 à 21 contiennent les temporisations et lestemps de déclenchement fixés par les normes. Lesinterrupteurs différentiels sélectifs ne sont normalisésque pour la sensibilité I∆n de 300 mA.

Fig. 15: Circuit de mémoire électronique pour interrupteur différentiel légèrement retardé

Pour les interrupteurs différentiels de 300 mA, il estrecommandé de choisir le type S; même s’il n’y a pasd’autre FI en aval. En cas d’extension de l’installationou d’un montage ultérieur d’interrupteurs différentiels,il n’y aura ainsi aucun problème de sélectivité.

Z20

041


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N

LD

IF

N

L

G

IF

IFeff

IFm

îF

IF

4. Influences sur le fonctionnementdes dispositifs différentiels

Les exigences minimales pour l’interrupteur différentielsont les températures ambiantes de –5 °C à +40 °C etl’aptitude aux courants de défaut alternatifs. Cesconditions ne s’appliquent pas à un lieu d’installationdéterminé, les dispositifs différentiels doivent êtreinstallés avec des propriétés supplémentaires.

4.1. Température

Les courants de déclenchement de l’interrupteurdifférentiel sont fonction de la température. Le courantde déclenchement I∆ croît avec la diminution de latempérature. Aux très basses températures, desproblèmes mécaniques dus au givrage peuvent seprésenter. CMC offre des interrupteurs différentiels quipeuvent être exposés à des températures allantjusqu’à – 25 °C. A cette basse température, les nor-mes admettent une augmentation du courant dedéclenchement de 25%; c’est-à-dire qu’un interrup-teur différentiel de 30 mA doit seulement déclencherpour un courant de défaut de 37,5 mA. La protectiondes personnes est néanmoins assurée. L’installationde ces interrupteurs est surtout recommandée sur leschantiers où, en hiver, il peut y avoir de très bassestempératures.Lorsque des interrupteurs différentiels sont soumisà des températures ambiantes de plus de + 40 °C,le courant de service doit être réduit. Sinon la tem-pérature des bornes risque d’être trop élevée, ce quipourrait endommager l’isolation des conducteurs

raccordés. En règle générale: le courant de servicedoit être réduit de 15% pour 10 °C d’augmentation dela température ambiante. A une température ambiantede 50 °C, un interrupteur différentiel d’une intensiténominale de 63 A ne supporte plus qu’un courantpermanent de 0,85 x 63 A = 54 A.

4.2. Courants continus

La construction des interrupteurs différentiels nepermet pas de détecter des courants de défautcontinus purs. Ils ne peuvent pas non plus couperdes courants continus élevés et par conséquent, neconviennent pas pour des réseaux à courant continu.Si pour une raison quelconque un courant continucircule dans la ligne d’un réseau alternatif ou si uncourant continu se superpose à un courant alternatif,un interrupteur différentiel installé dans ce réseau estalors insensible à cause de la prémagnétisation dutore magnétique. Il est possible que le FI déclenche,mais seulement lorsque le courant de défaut alternatifest plus élevé que la valeur du courant continu.L’interrupteur différentiel n’est cependant pas endom-magé par ces incidents.

4.3. Courants de défaut continus pulsés

Dans les réseaux à courant alternatif, il existe de plusen plus de récepteurs contenant un redresseur inséré

Fig. 17: Courant de défaut continu pulsé

Fig. 16: Récepteur avec redresseur dans un réseau à courant alternatif

Z20

043

Z20

042

entre une phase et le neutre. Il peut s’agir d’un redres-sement en pont (montage en pont de Graetz) ou à unealternance.Lorsqu’un défaut d’isolement se produit entre unconducteur sous tension et la terre après le redres-seur, un courant de défaut IF s’écoule à la terre. Cecourant de défaut IF est un courant de défaut continupulsé (fig. 17).

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FI⇓

CSI⇓ ⇓

W

L1 L2 L3 N

A

MA

4. Influences sur le fonctionnementdes dispositifs différentiels

Z20

044

Fig. 18: Circuit oscillant pour courants de défaut continus pulsés

Comme le courant de défaut change son intensitémais pas sa direction, un interrupteur différentiel prévupour ces courants peut le détecter, grâce à un con-densateur monté dans le circuit de déclenchement(fig. 18).

Le condensateur C monté dans le circuit de déclen-chement forme un circuit oscillant avec l’inductancede l’enroulement secondaire A du tore et le déclen-cheur MA, accordé sur la fréquence du réseau.L’impulsion d’un courant de défaut IF circulant dansune phase induit une impulsion de tension dansl’enroulement A, qui excite le circuit oscillant. Uncourant IS circule dans le circuit oscillant, de sorteque l’interrupteur différentiel déclenche au plus tarddans la deuxième alternance du courant IS. Le dé-clenchement n’est assuré que si le courant de défautcontinu pulsé revient pratiquement à zéro entre lesimpulsions.La rémanence du tore magnétique élève le seuil dedéclenchement de l’interrupteur différentiel pour lescourants de défaut continus pulsés. D’autre part, ily a le danger que ces courants de défaut soient plusfaibles que les courants de défaut alternatifs purs.C’est la raison pour laquelle les normes admettent descourants de déclenchement plus élevés.(tableaux 19 à 21).

4.4. Fréquence

Les interrupteurs différentiels sont fabriqués de façonstandard pour une fréquence du réseau de 50 Hz. Lafréquence du réseau doit correspondre, si le courantde déclenchement est fonction de la fréquence, parceque la fréquence propre du circuit oscillant (fig. 18),comprend l’enroulement secondaire A, l’enroulementde déclenchement du relais MA et le condensateur C.Pour les fréquences de réseaux inférieures à 45 Hz etsupérieures à 60 Hz, les courants de défaut de dé-clenchement ne correspondent plus aux normes.CMC offre des interrupteurs différentiels spécialementadaptés à d’autres fréquences, pour 16 2/3 Hz ou400 Hz par exemple. Si deux fréquences différentespeuvent apparaître dans une installation, on doit, dansce cas, brancher deux interrupteurs différentiels ensérie.

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5. Conditions de déclenchement

Les tableaux 19 à 21 contiennent les temps de dé-clenchement tA en fonction des courants de défaut IFexigés par la norme EN 61008-1 pour les interrupteursdifférentiels avec des sensibilités I∆n de 10 mA, 30 mA

et 300 mA. On doit aussi veiller à ce que les courantsde déclenchement pour les courants continus pulséssoient indiqués comme valeur efficace.

Courant de déclenchement nominal I∆n de l’interrupteur différentiel: 10 mA

Courant de défaut IF Temps de déclenchement tAExécution de l’interrupteur différentiel

Crt. altern. Crt. continu pulsé non retardé légèrement retardé (type K)

5 mA 3,5 mA pas de déclenchement pas de déclenchement

10 mA 20 mA tA 300 ms 10 ms tA 300 ms

20 mA 40 mA tA 150 ms 10 ms tA 150 ms

250 mA 500 mA tA 40 ms 10 ms tA 40 ms

500 A 700 A crête tA 40 ms 10 ms tA 40 ms

Tableau 19



Crt. altern. Crt. continu pulsé non retardé légèrement retardé (type K)

15 mA 10,5 mA pas de déclenchement pas de déclenchement

30 mA 42 mA tA 300 ms 10 ms tA 300 ms

60 mA 84 mA tA 150 ms 10 ms tA 150 ms

250 mA 350 mA tA 40 ms 10 ms tA 40 ms


Tableau 20



Crt. altern. Crt. continu pulsé non retardé sélectif (type S)

150 mA 105 mA pas de déclenchement pas de déclenchement

300 mA 420 mA tA 300 ms 10 ms tA 500 ms

600 mA 840 mA tA 150 ms 10 ms tA 200 ms

1500 mA 2100 mA tA 40 ms 10 ms tA 150 ms


Tableau 21

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Inscription Explication

25A / 30 mA Courant nominal In = 25A: l’interrupteur différentiel peut supporter cecourant en permanence.Courant nominal de déclenchement (sensibilité) I∆n = 30 mA: l’interrupteurdifférentiel doit déclencher pour ce courant de défaut alternatif.

IP 40 Protection contre les corps étrangers: le premier chiffre 4 signifie que lescorps étrangers d’un diamètre de 1 mm ne peuvent pas pénétrer dansl’interrupteur. Le second chiffre 0 signifie que l’appareil n’est pas protégécontre la pénétration d’eau.

Courant nominal de court-circuit: le nombre situé dans le rectangle indiqueque les contacts de l’interrupteur différentiel peuvent supporter ce courantde court-circuit sans être endommagés. Un coupe-surintensité correspon-dant doit être monté avant ou après les indications du fabricant.

Déclenchement correct en cas de courant de défaut alternatif ou decourants de défaut continus pulsés.

Interrupteurs différentiels légèrement retardés: déclenchements intempes-tifs dus à des courants capacitifs de courte durée s’écoulant à la terre.CMC, type FIK (marque de conformité selon ÖVE)

Interrupteurs différentiels sélectifs (retardés): le type S travaille sélective-ment avec les FI non retardés ou légèrement retardés montés en aval.

L’interrupteur différentiel peut supporter des températures jusqu’à –25 °C.

G

S

-25

10000

6. Inscriptions

A part les inscriptions telles que: le type, le fabricant,et un signe distinctif, les interrupteurs différentielsportent les inscriptions et symboles suivants:

Z20

045

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7. Produits CMC pour la protectiondifférentielle

SIDOS prises de sécurité

Appareils pour montage fixe

Type suisse Type Schuko Fiche

Appareils mobiles

Prise enfichable

Interrupteurs différentiels

Interrupteur différentiel tétrapolaire Interrupteur différentiel bipolaire Disjoncteur différentiel

Avertisseur FI

Relais différentiel avec

tore magnétique

Disjoncteur à haut pouvoirde coupure avec protectiondifférentielle

Disjoncteur h.p.c. S500 / QFI

4000

6

4000

4

4001

9

4002

6

4027

2

4007

5

4007

6

4007

2

4008

3

4011

8

Ohne Namen-1 05.06.2001, 7:33 Uhr22

2011

9/A

ABB CMC COMPONENTSAvenue de Cour 32CH-1007 LausanneTéléphone + 41 (0)21 613 00 50Téléfax + 41 (0)21 613 00 95

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