ct62

n°62mise à la terre duneutre dans unréseau industrielhaute tension

photographie

François Sautriau

Diplomé ingénieur E.S.E. en 1968.Depuis 1970 dans la sociétéMerlin Gerin ; après avoir effectuédes études de réseaux et deprotections il a été responsable debureaux d'études de réalisationd'ensembles industriels, puisresponsable de services techniquespour la réalisation d'équipementsdestinés à la marine.Aujourd'hui, il est conseiller auservice marketing du départementProtection et Contrôle - Commande.

CT 62 édition septembre 1991

Cahier Technique Merlin Gerin n° 62 / p.2


mise à la terre du neutre dans un réseauindustriel haute tension

sommaire

1. Introduction p. 42. La mise à la terre Mise à la terre directe p. 4

Mise à la terre par l'intermédiaire p. 4d'une réactanceMise à la terre par l'intermédiaire p. 4d'une résistance

3. Contraintes liées aux surtensions Mise à la terre par réactance p. 5de limitationMise à la terre par résistance p. 5

4. Contraintes liées au réseau p. 55. Contraintes liées aux récepteurs p. 66. Calculs des courants de défaut p. 67. Mode de protection de terre Réglage des protections de terre p. 7

Mise à la terre avec neutre p. 8accessibleMise à la terre avec neutre p. 8artificiel

Annexe 1 : remarques sur la détermination p. 10des capacités du réseauAnnexe 2 : bibliographie p. 11

La mise à la terre d'un réseauélectrique haute tension peut êtreréalisée de différentes manières.L'auteur analyse les contraintes liéesaux différents paramètres del'installation (surtensions, réseau,récepteurs) et calcule les courants dedéfauts.Différents modes de protection sontdécrits ainsi que les réglages à prévoircompte tenu des exigences souhaitées.


1. introduction

[1] voir bibliographie

Lors de la conception d’un réseauélectrique H.T. industriel, il faut choisirun schéma de liaison du neutre à laterre : le neutre peut être soit isolé, soitrelié intentionnellement à la terre.Le schéma à neutre isolé en H.T. peutautoriser une continuité de serviceintéressante en ne déclenchant pas aupremier défaut, mais il implique que lacapacité du réseau n’entraîne pas uncourant de défaut à la terre prohibitifdangereux pour le personnel et lesmachines.

2. la mise à la terre

L’objet de cette étude n’est pas decomparer les différents schémas deliaison du neutre mais seulement,lorsque la solution du neutre à la terreest adoptée, de déterminer le mode demise à la terre en réalisant uncompromis entre trois exigencessouvent contradictoires :■ amortir convenablement lessurtensions,■ limiter l’importance des dégâts et desperturbations dus à un défaut à la terre,■ permettre la réalisation deprotections simples et sélectives.La mise à la terre peut être :■ directe (sans limitation volontaire decourant par impédance),■ par réactance,■ par résistance.

mise à la terre directeCe type de mise à la terre limite aumieux les surtensions et la sélectivitédes protections ne présente pas dedifficultés.

Par contre, en cas de défaut à la terre,le courant n’est pas limité, les dégâts etles perturbations sont maximum et ledanger pour le personnel est importantpendant la durée du défaut.Cette solution n’est pas utilisée pour ladistribution en haute tension.

mise à la terre parl’intermédiaire d’uneréactanceRéactance accordée (bobine dePetersen)Cette solution est parfois utilisée sur lesréseaux HT de distribution publique.Elle est peu utilisée en distributionindustrielle.Des relais de protection sensibles à lacomposante active du couranthomopolaire sont nécessaires pourobtenir la sélectivité.

Réactance de limitationCette solution peut provoquer dessurtensions sévères, comme Le Verre

être effectuée par de simples relaisampèremétriques.Le schéma à neutre mis à la terreentraîne très généralement undéclenchement obligatoire au premierdéfaut mais, par contre :■ il amortit les surtensions,■ il conduit à des protections simples,sélectives, fiables,■ il autorise l’emploi de matériel et enparticulier de câbles ayant un niveaud'isolement plus réduit que pour leneutre isolé.

En contrepartie, le neutre isoléentraîne :■ des risques de surtensions élevéesqui favorisent l’apparition de défautsmultiples,■ l’emploi de matériels surisolés,■ une surveillance de l’isolementobligatoire,■ une protection contre les surtensionssur le point de devenir obligatoire,■ la réalisation d’une protectionsélective complexe contre les défauts àla terre ne pouvant généralement pas

(Etudes et Recherches E.D.F.) l’a misen évidence [1]. Elle n’est applicableque si l’impédance de limitation a unevaleur faible.

mise à la terre parl’intermédiaire d’unerésistanceCette solution est souvent la plusintéressante.

Deux solutions restent en présence :■ la mise à la terre par réactance,■ la mise à la terre par résistance.La détermination précise de ces modesde mise à la terre dépend du niveau detension, de l’étendue du réseau et de lanature des récepteurs.En fonction du mode de mise à la terre,il existe un critère pour la déterminationd’une valeur limite de l’impédance vis-à-vis du problème des surtensions.Ensuite, il faut vérifier la compatibilitéavec les autres contraintes liées auréseau ou aux récepteurs.


mise à la terre parréactance de limitation(cf. fig. 1)L’étude des surtensions, lors del’élimination des courts-circuits sur lesréseaux dont le neutre est mis à la terrepar une réactance, conduit auxrésultats suivants :■ soit I0ω la réactance de limitation ducourant de défaut à la terre,■ soit Lω la réactance de court-circuittriphasé du réseau.La surtension entre neutre et terre, lorsde l’élimination des courts-circuits, est :

pour un réseau de

câbles à champ radial,

pour les autres cas.

En pratique, on limite le courant dedéfaut à la terre à 10 % au plus ducourant de court-circuit triphasé,comme le fait EDF sur le réseau hautetension de distribution.

mise à la terre parrésistanceComme le recommande EDF pour lesréseaux des groupes hydrauliques, onadopte une valeur r de résistancecorrespondant à une puissance active

totale dissipée égale ou supérieure

à la puissance capacitive 2 Cω U2 enprésence d’un défaut phase-terre, soit :

En divisant par , on obtient

où :

■ est la valeur du courant de

défaut terre IL dans la mise à la terre ;

■ est la valeur du courant

capacitif IC du réseau en cas de défautterre.

3. contraintes liées aux surtensions

U2

3r

U

3

U

3 r

4. contraintes liées au réseau

3 C ω U

3

U

3 r≥ 2 . 3 C ω U

3

U2

3r≥ 2 C ω U

2.

défaut ne provoque pas de dégâts surle trajet qu’il emprunte etparticulièrement dans les écrans decâbles. L’intensité maximale supportéepar les écrans de câbles peut être

Le critère précédent permet de définirla limite inférieure du courant de défautfranc phase-terre.Pour le choix de la limite supérieure, ilconvient de s’assurer que le courant de

précisée par les constructeurs, engénéral de 500 à 3 000 A pendant1 seconde.

∆ VV

= 12

I 0

L

∆ VV

= 1

2

I 0

L

D’où la relation IL ≥ 2 IC.

La détermination des capacités descâbles est fonction de leur structure(voir annexe pour ce calcul).

fig. 1 : une bobine zigzag ou bobine de pointneutre, constitue une réactance de limitationdes courants de défaut terre.

document E14576


5. contraintes liées aux récepteurs

machines tournantes sous des tensionsallant de 3 kV jusqu’à 15 kV et le plussouvent 5,5 kV en France ; il est alorssouhaitable que l’intensité du défautmasse n’excède pas 20 A, afin d’éviterla brûlure des tôles des machines. Eneffet, si le rebobinage est uneréparation assez courante lorsqu’un

enroulement est défaillant, la remise enétat d’un appareil est beaucoup pluslongue et onéreuse quand les tôlessont atteintes.

6. calculs des courants de défaut

La répartition des courants dans lesdifférents circuits se calcule assezsimplement moyennant une légèreapproximation.Celle-ci consiste à négliger l’impédancede court-circuit de la source et lesimpédances de liaison vis-à-vis del’impédance de mise à la terre duneutre et des capacités du réseau. End’autres termes, on considère que lescourants de défaut à la terre sont trèsinférieurs aux courants de court-circuittriphasé (cf. fig. 2).Pour calculer le potentiel du neutre parrapport à la terre, écrivons que lasomme des courants s’écoulant à laterre est nulle (voir le schéma).

IN + IrD + Σ IrS = 0

0 = g VN + [G + jω C] (VN + E)+ jωC (VN + a2E) + jωC (VN + aE)

0 = VN [g + G + 3jωC] + GE+ jω CE (1 + a2 + a)

Comme 1 + a2 + a = 0

on obtient

fig. 2 : paramètres de calcul des courants de défaut terre.

ou VN = - zE

Z + z + 3jωCzZ

VN = - GE

g + G + 3jωC

EVN

3

2

1

g = 1z

IN

G = 1Z CD

I r D I r S

CS

I D

aE

a E2

Dans les réseaux H.T. de distribution,les récepteurs sont des transformateursqui ne présentent pas d’exigencesparticulières vis-à-vis de la mise à laterre du neutre du réseaud’alimentation.Mais les réseaux industriels hautetension peuvent alimenter des

Impédance de la mise à la terre du neutre

Impédance du défaut phase-terre

CD Capacité phase-terre du départ en défautCS Capacité phase-terre d'un départ sainC = Σ CS Capacité phase-terre totale du réseauE Tension simple du réseauVN Potentiel du point neutre par rapport à la terreIN Courant dans la mise en terre du neutreID Courant dans le défautIrD Courant résiduel du départ en défautIrS Courant résiduel d'un départ sain

z =1g

Z=1G


Connaissant VN, les différents courants(IN dans la mise à la terre du neutre, ID

dans le défaut, IrD et IrS courantsrésiduels des départs) se calculent dela manière suivante :

■

■

En cas de défaut franc Z = 0, les formulesprécédentes deviennent :

■

■

■

■

■

■

7. mode de protection de terre

Il faut noter que, pendant le régimetransitoire, la composante continuepeut provoquer la saturation des TIbien que la valeur de crête du couranttransitoire soit de l’ordre de 10 foisinférieure à la valeur de saturation pourun courant symétrique établi.Une protection de terre alimentée par3 TI doit donc être temporisée pouréviter les déclenchements intempestifsrésultant des régimes transitoires. Leseuil de réglage ne doit pas êtreinférieur à 6 % du calibre de TI dans lemeilleur des cas, ou à 15 ou 20 % ducalibre des TI dans les casdéfavorables.

D’autre part, si un défaut masseapparaît dans un enroulement étoile auvoisinage du point neutre, le courantmaximum de défaut n’est qu’une faiblepartie de la limite imposée parl’impédance de mise à la terre duneutre. D'où un réglage habituel duseuil à 20 % du courant maximumlimité par la mise à la terre du neutre,afin de protéger 80 % desenroulements.

Mais comme l’indique le calcul, lorsd'un défaut les parties saines duréseau sont parcourues par un courantcapacitif homopolaire. Aussi, afin que laprotection d’une artère saine nedéclenche pas intempestivement, le

La valeur de l’impédance de mise à laterre réagit sur la méthode deprotection nécessaire contre lesdéfauts phase-terre.D’une façon générale, plus les courantsde défaut sont importants, plus ils sontfaciles à détecter ; et plus ils sontfaibles, plus leur détection est délicateet sensible à des phénomènesparasites.D’autre part, il est souhaitable sinonindispensable de réaliser cetteprotection, non pas en un pointseulement mais sur les différentesartères du réseau, le fonctionnementdes relais étant sélectif.

La protection des défauts phase-terrese fait par des relais à maximumd’intensité alimentés par le courant deterre.La mesure de ce courant peut se faire :■ soit par un transformateur toretraversé par les trois conducteurs dephase et détectant directement lasomme de leurs intensités (nulle enl’absence de défaut terre) ;■ soit par trois transformateursd’intensité dont les secondaires sontconnectés de façon à réaliser unconducteur neutre traversé par lasomme des trois intensités.La solution «transformateur tore» est laplus précise mais, si des raisons

I rD = 1z

+ 3 jω C - CD E

I D = 1z

+ 3 jωC E

I N = - Ez

VN = - E

I N = g VN = - gGE

g + G + 3 jωC

I rS = - 3 jωCSE

I r S = 3 jωCSVN

I r D = I D+ 3 jωCDVN

= - E

Z + z + 3 jωCzZ

=1 + 3 jωCz

Z + z + 3 jωCzZ. E

=g + 3 jω C - CD

g + G + 3 jωC. GE

=1 + 3 jω C - CD z

Z + z + 3 jωCzZ. E

=- 3 jωCS

g + G + 3 jωC. GE

=- 3 jωCSz

Z + z + 3 jωCzZ. E

d’installation la rendent possible surdes câbles, elle n’est pas applicable surles liaisons en barres ou aériennes.La solution «3 Transformateursd’Intensité» -TI- est souvent employéeen particulier lorsque ces 3 TI sont déjànécessaires pour une autre utilisation.Mais la mesure ainsi réalisée estentachée des erreurs de précision dechacun des TI et surtout en régime desurintensité passagère lorsque les TI sesaturent.

réglage des protections deterreIl doit être choisi en fonction de laprécision des mesures, assurer lemaximum de protection et autoriser lasélectivité.

Si la mesure est réalisée en faisant lasomme des courants secondaires de3 TI, cette dernière est entachée par ladispersion des TI. En particulier, onmesure un courant homopolaire enl’absence de défaut de terre, lorsqueles TI se saturent.

Cette saturation est due à l’amplitudeexcessive du courant de phase maissurtout à la composante continue quiapparaît dans un courant de court-circuit ou d’enclenchementasymétrique.

I D = G VN+ E =g + 3 jωC

g + G + 3 jωC. GE


réglage du seuil doit être supérieur de30 % au courant capacitif qui s’écouledans cette artère lorsqu’un court-circuitphase-terre affecte le réseau.De plus, il y a lieu de prendreéventuellement en compte la présenced’harmoniques de tension quiproduisent dans les capacités descourants d’autant plus importants queleur rang est élevé. A noter que lesharmoniques 3 et multiples de 3s’ajoutent même en régime équilibré.Enfin, les caractéristiques del’impédance de mise à la terre duneutre et les protections doivent êtrecoordonnées de façon que cetteimpédance ne soit pas elle-mêmedétériorée par le courant de défautavant son éliminitation.

Nota : il convient de préciser qu’il n’estquestion ici que des protections descircuits et non de la protection despersonnes.

En résumé : lorsque le régime deneutre à la terre est choisi pour unréseau moyenne tension, il estsouhaitable d’adopter une mise à laterre par résistance de préférence auxautres systèmes.

Calcul de r et de I L

La détermination de cette résistance r

et du courant maximum

se fait en fonction des contraintessuivantes :■ le courant IL doit être supérieur ouégal au double du courant capacitif duréseau en cas de défaut terre IL ≥ 2 LC

afin de limiter les surtensions,■ le courant IL doit être inférieur à lasurintensité maximum que peuventtenir les écrans de câbles, en généralde 500 à 3 000 A, suivant la section ducâble,■ dans un réseau comportant desmoteurs H.T., il faut de préférencerespecter la relation 5 A ≤ IL ≤ 20 Amais, en cas d’incompatibilité avec lapremière condition, IL peut atteindre50 A,■ pour assurer une bonne protection auniveau des récepteurs, il faut que lesréglages de seuils Ir ne dépassent pas0,2 IL, soit Ir ≤ 0,2 IL,■ pour obtenir la sélectivité vis-à-visdes protections des liaisons saines, ilfaut respecter la relation Ir ≥ 1,3 IC, IC

étant le courant capacitif de la liaisonprotégée en cas de défaut phase-terre,■ si la mesure du courant de terre sefait par 3 TI de calibre In, il faut avoirIr ≥ 0,06 In,■ la tenue thermique de la résistance rdoit permettre la passage du courant ILpendant la durée maximumd’élimination du défaut terre (1 à 1,5 s)ou, réciproquement, l’élimination dudéfaut terre doit être suffisammentrapide pour ne pas détériorer larésistance r.

mise à la terre avec neutreaccessibleLa résistance est raccordée à la bornede sortie du neutre et à la prise deterre, soit directement, soit parl’intermédiaire d’un transformateurmonophasé chargé au secondaire parune résistance équivalente. C’est le caspour les réseaux alimentés par untransformateur, dont le secondaire esten étoile neutre sorti, et pour lesalternateurs à neutre sorti (cf. fig. 3).

Lorsque le réseau est alimenté parplusieurs transformateurs oualternateurs, il est préférable que lamise à la terre du neutre soit uniquepour éviter que la valeur du courantmaximum de défaut terre varie avec lenombre de sources en service.

I L = U

3r

fig. 3 : mise à la terre du neutre, ausecondaire d'un transformateur à étoile avecneutre sorti, par une résistance soitraccordée directement (a), soit raccordéepar l'intermédiaire d'un transformateurmonophasé (b).

a) b)

R r


Plusieurs schémas sont possibles,avec :■ un transformateur à couplage étoile/triangle associé à une résistance ;■ une bobine zigzag (cf. fig. 1 et 6), ceschéma est utilisé dans le cas où lecourant maximum de défaut terre estlimité à des valeurs supérieures à100 A ;■ ou un transformateur spécial, carpour réaliser un neutre artificiel il peuts’avérer économique d’utiliser letransformateur nécessaire àl’alimentation des auxiliaires bassetension du poste (cf. fig. 7 et 8).

L’impédance résultante ro + jloω estassimilable à une résistance siro ≥ 2loω, avec ro et lo ramenées à lamême tension.

fig. 8 : mise à la terre du neutre d'un réseauavec un transformateur à couplage zigzag.

fig. 6 : mise à la terre du neutre d'un réseauavec une bobine zigzag.

fig. 4 : mise à la terre du neutre d'un réseauavec un transformateur à couplage étoile-triangle associé à :a) une résistance placée côté haute tension,dans ce cas le secondaire du transformateurpeut alimenter des auxiliaires ;b) une résistance placée en série dans lesecondaire.

r

b)

I ∆

mise à la terre avec neutreartificielQuand le neutre de la source n’est pasaccessible (enroulements en triangle)ou quand il y a plusieurs sources enparallèle, la mise à la terre peut êtrefaite par un neutre artificiel (cf. fig. 4 et5), aussi appelé générateurhomopolaire.

RI ∆

fig. 5 : transformateur spécial pour pointneutre.

fig. 7 : mise à la terre d'un transformateur àcouplage étoile-étoile, et comportant desenroulements tertiaires en triangle fermé surune résistance.

documentE14577R

a)

I ∆

r

I ∆

R

I ∆


■ les trois capacités C dont deux sontsous des tensions composéesdéphasées de 60° et la troisième estsous une tension nulle.La somme de ces courants (ic parphase), appelée courant capacitif Ic duréseau en cas de défaut terre, estencore :

soit Ic = 3 Cω V.

En résumé, pour ce qui intéresse ladétermination de la résistance d’unemise à la terre, comme pour le réglaged’une protection de terre, le courantcapacitif qu’il faut connaître est donc :

Ic = 3 Cω V

qui ne fait intervenir que la capacité Cquel que soit le type de câble.

Dans la pratique, sous ladénomination de capacité étoilée, lescâbliers indiquent :■ la valeur de C pour les câbles àchamp radial,■ la valeur de 3 K + C pour les câbles àceinture.

Ils ne donnent généralement pas lavaleur de cette capacité C pour lescâbles à ceinture. Câbles pourlesquels, sur demande, ilscommuniquent trois résultats demesure :■ la capacité C1 mesurée entre uneâme conductrice et les autres âmesreliées à la gaine métallique ; on a larelation C1 = 2 K + C,

■ la capacité C2 mesurée entre les troisâmes conductrices réunies entre elleset la gaine métallique ; on a la relationC2 = 3 C,

■ la capacité C3, mesurée entre deuxâmes conductrices, la troisième étantréunie à la gaine métallique ; on a larelation

C’est donc la capacité C2 qu’il estnécessaire de connaître pour avoir

directement la valeur de .

Pour les 2 premiers cas, câbleunipolaire et câble tripolaire àchamp radial , il n’y a pas d’ambiguïtépuisqu’il n’existe qu’une capacité C, quiest une capacité entre phase et terre.En l’absence de défaut et en régimetriphasé équilibré, il circule danschaque phase un courant capacitif icabsorbé dans la capacité C du câblesous la tension simple V, phase-terre, àla fréquence du réseau :

Cette charge capacitive étant triphaséeet équilibrée, elle ne perturbe pas leréseau en général et n’affecte pas lesprotections.

Par contre, lorsque le réseau présenteun défaut terre, c’est-à-dire lorsqu’unephase est à la terre, la capacité descâbles est vue comme une chargedéséquilibrée formée par la capacité Centre les deux phases saines et la terresous la tension composée U.Dans les deux phases saines circulentles courants de valeur CωU déphasésde 60° ; la somme de ces deuxcourants est appelée courant capacitifIC du réseau en cas de défaut terre.

soit IC = 3 CωV.

Pour le cas du câble tripolaire àceinture , en l’absence de défaut lecourant ic qui circule en régimeéquilibré est :

soit ic = (3 K + C) ω V par phase, et lasomme des courants des trois phasesest nulle.

Les câbliers donnent généralement lavaleur de cette capacité 3 K + C pourles câbles à ceinture.Par contre, lorsque le réseau présenteun défaut terre, c’est-à-dire lorsqu’unephase est à la terre, la chargecapacitive comporte :

■ les trois capacités K sous la tensioncomposée qui constituent une chargeéquilibrée ;

annexe 1 : remarques sur la détermination des capacités du réseau

La capacité des câbles est fonction deleur type de construction :

■ câble unipolaireLe conducteur est entouré d’un écranet la capacité C du câble est celle quiest mesurée entre le conducteur etl’écran qui est mis à la terre.■ câble tripolaire à champ radialChaque conducteur est entouré d’unécran et la capacité C du câble estcelle qui est mesurée entre chaqueconducteur et son propre écran qui estmis à la terre.■ câble tripolaire à ceintureUn écran unique entoure les troisconducteurs et il existe une capacité Kentre conducteurs et une capacité Centre un conducteur et l’écran qui estmis à la terre.

C C

C

K K

K

i c = CωV = Cω U

3

ic = 2 CωV cosπ6

= 3 CωU

ic = 3 KωU + CωV = 3 KωV + CωV

ic = 2 CωV cosπ6

= 3 CωU

C3 = 3 K + C2

C =C2

3


annexe 2 : bibliographie

[1] Le Verre : «Les surtensions lors del’élimination de courts-circuits sur lesréseaux dont le neutre est mis à la terrepar une réactance». Bull. de la SociétéFrançaise des Electriciens, 8e série,Tome 1, n° 4 (avril 1960).

[2] E.D.F. : Note d’orientation sur lesprotections des groupes hydrauliques.NP 69 03.


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