Utilisation d`un système de mise à la terre globale aux

UTILISATION D’UN SYSTÈME DE MISE À LA TERRE GLOBALE AUX FINS DE RENCONTER LES
IMPOSITIONS DE PROTECTION CONTRE LES CONTACTS INDIRECTS EN HAUTE TENSION
M. Desmedt
Electrabel
Belgique
J. Hoeffelman
CPTE
Belgique
D. Halkin
Laborelec
Belgique
[email protected]
[email protected]
[email protected]
RESUME
La législation belge sur la protection contre les
chocs électriques par contacts indirects en HT,
datée de 1983, est basée sur un ensemble
d’exigences concernant les systèmes de mise à la
terre locale, l’interruption automatique de
l’alimentation et certaines mesures passives
complémentaires.
Il est connu depuis longtemps cependant que la
sécurité des installations HT est en grande partie
assurée par l’existence dans les réseaux d’un
système de mise à la terre globale (SMTG), c-à-d
d’un système équivalent de mise à la terre obtenu
par l’interconnexion de systèmes de mise à la
terre locale et formant ainsi une surface quasi
équipotentielle.
Depuis l’introduction de ce concept de SMTG
dans la normalisation européenne et sur base
d’une évaluation systématique de la situation
dans les réseaux, il est apparu logique de
proposer une modification de la législation belge
en cette matière.
La présente contribution met l’accent sur
quelques unes des principales exigences de
sécurité de la norme européenne, explique
comment l’évaluation de certaines parties du
réseau MT a été réalisée et décrit comment le
concept de SMTG, en ce compris la mesure et le
contrôle des terres locales, a été introduit dans la
proposition de modification du Règlement Général
sur les Installations Electriques.
UTILISATION D’UN SYSTÈME DE MISE À LA TERRE GLOBALE AUX FINS DE RENCONTER LES
IMPOSITIONS DE PROTECTION CONTRE LES CONTACTS INDIRECTS EN HAUTE TENSION
M. Desmedt
Electrabel
Belgique
J. Hoeffelman
CPTE
Belgique
D. Halkin
Laborelec
Belgique
[email protected]
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INTRODUCTION
ainsi que la protection contre les contacts
indirects en HT.
Au niveau international, ce document introduit
pour la première fois le principe de la mise à la
terre globale dans un document normatif.
En Belgique on vient de terminer l’étude des
mesures à prendre pour permettre la mise en
application de ces considérations.
La législation belge en matière de protection
contre les contacts indirects en HT a été introduite
en 1983.
Ces règles visaient à éviter les accidents dus à
des tensions de pas et de contact ainsi que le
transfert de potentiels élevés vers des endroits à
potentiel faible et vice versa.
La politique de sécurité était basée sur la mise en
œuvre de systèmes de mise à la terre locale,
combinée à une protection active par interruption
de l’alimentation et complétée, si nécessaire, par
d’autres mesures de sécurité passives.
Une protection uniquement basée sur un système
de mise à la terre locale n’est cependant pas
réaliste. Plusieurs études réalisées dans la
période 1983-1990 ont démontré que la solution
au problème était présente dans le réseau même.
On dispose, en effet, d’un système de « mise à la
terre globale » par l’interconnexion d’une
multitude de systèmes de mise à la terre locale.
Cette interconnexion est réalisée au moyen de
conducteurs de protection qui eux-mêmes ont
souvent un effet de terre (ex. les gaines de plomb
des câbles papier-plomb).
Ces études ont démontré qu’un tel système est
capable de maintenir la tension de contact à un
niveau sûr.
Durant les années 1998-1999, le document HD
637-S1 « Installations électriques de tensions
nominales supérieures à 1 kV en courant
alternatif » a été rédigé par le Comité Technique
99X du CENELEC. Le chapitre 9 « Systèmes de
mise à la terre » traite, de façon approfondie, les
problèmes liés aux systèmes de mise à la terre
TENSION DE CONTACT ADMISSIBLE
La détermination de la valeur maximale de la
tension de contact UTp est basée sur l’application
des normes IEC-479-1 et Cenelec HD 637-S1.
Sans tenir compte des résistances additionnelles,
la valeur de la tension de contact admissible UTp,
pour un contact main - pieds, dépend de la durée
du courant de défaut (voir tableau 1) :
Durée du courant
de défaut en s
UTp en V
0.5
1
230
100
Tableau 1 - Tension de contact admissible
Lorsqu’on tient compte de la résistance
additionnelle Ra = Ra1 + Ra2 (avec Ra1 la résistance
des chaussures et Ra2 la résistance entre les
chaussures et la terre) on obtient la valeur
maximale admissible de la tension de contact
USTp. Cette valeur dépend de la nature du sol
(dans le cas présent un sol humide est pris en
considération).
USTp en V
Terre
non définie
gravier – ballast
brique – tuiles
tarmac –asphalte
Durée du courant
de défaut en s
Ra = 1 kΩ
Ra = 2.5 kΩ
Ra = 4 kΩ
Ra = 8 kΩ
0.5
500
700
1 000
1 500
1
200
300
400
550
Tableau 2 – Valeur maximale admissible de la tension de contact
Il y a lieu ici d’établir la relation entre USTp et UE
(UE représentant la montée en potentiel du
système de mise à la terre locale par rapport à
une terre neutre, sous l’effet du courant de défaut
maximal prévisible ».
Sachant que la tension à la surface du sol
(fraction de UE) décroît avec la distance par
rapport à l’emplacement des électrodes de terre,
des valeurs de UE supérieures à USTp sont
permises.
Ainsi, conformément à la HD 637-S1, on admet
que la chute de tension en un point du sol éloigné
d’un mètre de l'électrode de terre, s'élève à 50%
de UE. La valeur maximum admissible de UE peut
donc valoir le double de USTp.
SYSTEME DE MISE A LA TERRE GLOBALE
(SMTG)
Définition du concept " système de mise à la
terre globale »
Selon la HD637-S1, un système de mise à la terre
globale est défini comme « système de mise à la
terre équivalent créé par l'interconnexion des
systèmes de mise à la terre locale et qui assure, par
la proximité des systèmes de mise à la terre, qu'il n'y
a aucune tension de contact dangereuse. De tels
systèmes permettent la division du courant de défaut
à la terre de manière à réduire l'élévation de la
montée en potentiel du système de mise à la terre
local. On peut dire qu'un tel système crée une
surface quasi équipotentielle »
Application du concept SMTG dans le réseau
d'Electrabel
Sur base des critères mentionnés ci-dessus,
Laborelec a été invité en 1999 à étudier le
comportement d’un réseau de distribution
comportant une densité de systèmes de mise à la
terre locale relativement élevée. Par le biais de
cette étude on a examiné le comportement
d'environ 16.000 postes de transformation MT/BT
dans des conditions réelles de défaut. Compte
tenu d’un courant de défaut maximum Imax de 1 ou
2 kA (limitation par une impédance à la source) et
d'une durée maximum de défaut de 1 seconde, on
n’a trouvé un dépassement possible de la tension
de contact admissible USTp (2 UE avec
Ra = 2.5N TXH GDQV VHXOHPHQW % des cas
(cf. tableau 3). Ce calcul a été fait de façon
conservatoire car les résistances de terre locales
ont été arbitrairement fixées à une valeur de 10 UE
en V
0-199
200-399
450-599
600-799
800-999
1000-1199
1600-1799
2600-2799
Nombre de
cabines pour
Imax = 1 kA
10522
1749
59
4
1
0
1
0
Nombre de
cabines pour
Imax = 2 kA
3.716
7.755
664
105
12
3
0
1
Tableau 3 – Nombre de cabines par plage de
montée en potentiel UE
En fait cette valeur est, dans la plupart des cas,
inférieure à 10 YRLUHà 5 Les cas où la montée en potentiel admissible a
été dépassée concernent des cabines isolées
(interruption de la continuité du conducteur de
protection, cabines en antenne ou situées à
grande distance d'autres cabines) qui, de ce fait,
ne peuvent pas être considérées comme faisant
partie d’un SMTG.
On a constaté également que la valeur de la
résistance terre locale à l'endroit du défaut n’est
pas un paramètre déterminant dans le calcul de la
montée en potentiel.
Ceci confirme la présomption qu'un système de
mise à la terre globale est effectivement bien
présent dans les zones à densité résidentielle
élevée ainsi que dans les zones avec une activité
industrielle fortement développée.
Une procédure numérique a été développée pour
identifier les cabines qui pourraient présenter un
risque.
L'étude a ainsi démontré que les
installations situées près de la source d'énergie
(poste HT/MT) bénéficient d’un certain avantage
du fait que le courant de défaut revient à la source
principalement par l'intermédiaire des conducteurs
de protection et ne contribue que peu à l'élévation
du potentiel de terre.
Les installations éloignées présentent également
peu de risque puisque la durée du défaut y est
toujours inférieure à 0,5 s et souvent même à
0,3 s. En outre, le courant de défaut y est
également limité par l'impédance de la boucle.
Ceci est mis en évidence à la figure 1 où, pour un
courant de défaut limité à 2 kA et une montée en
potentiel UE limité à 800 V, la valeur maximum de
la résistance de terre locale (d’une cabine MT/BT)
a été calculée en fonction de la distance à la
source et du nombre de cabines situées en amont
de l'installation considérée (courbe inférieure
1 cabine, les courbes suivantes correspondant à
2,3,5,7,9,13,21,29 cabines). Deux cas ont été
considérés: La figure 1a concerne un feeder
2
simple composé de câble papier-plomb 150
aluminium dont la gaine est en contact avec une
terre de 1000 P GH Uésistivité. La figure 1b
concerne un feeder équipé de câbles de section
identiques mais munis d’une gaine extérieure en
matière isolante (PE).
Le fait que les câbles papier-plomb, même
enfouis dans un sol de relativement haute
résistivité, autorisent des valeurs de résistances
locales plus élevées est clairement visible sur ces
figures.
FkEOH$OðSDSLHUSORPE
FRXUDQWPD[LPXPGHGpIDXWN$
U(max :9
Figure 1a
PROPOSITION
POUR
REGLEMENTATION
UNE
FkEOH$Oð3(
FRXUDQWPD[LPXPGHGpIDXWN$
U(PD[9
Figure 1b
NOUVELLE
Les conclusions de l'étude faite par Laborelec
ainsi que la publication HD 637-S1 du CENELEC
ont été à l’origine d’une proposition de
modification de la réglementation nationale belge
(RGIE / AREI).
Dans cette proposition les principes suivants sont
développés:
Exigences pour un système de mise à la terre
globale
Les conditions minimales auxquelles doit
satisfaire un système de mise à la terre pour
obtenir le statut de mise à la terre globale sont
basées sur les considérations reprises ci-dessus
mais fixées de façon arbitraire. Dans la pratique,
un SMTG est supposé exister quand au moins
20 systèmes de mise à la terre locales sont reliés
entre eux par des conducteurs de protection,
pourvu que la longueur moyenne L de la liaison
entre deux systèmes locaux contigus ne soit pas
supérieure à:
L ≤ 500
Sm
(en m)
16(mm²)
(Sm = moyenne pondérée des sections en fonction des
longueurs des conducteurs de protection qui assurent
2
la liaison, en mm )
On admet également l’existence d’un SMTG s’il
comporte un ensemble de câbles à effet de terre
d’une longueur totale d’au moins 1 km et si la
longueur moyenne des parties de câbles sans
effet de terre n'excède pas la valeur de L.
Il faut ajouter aussi que la continuité des
conducteurs de protection doit toujours être
assurée au niveau des boîtes de jonction et des
cabines de sectionnement ou de transformation.
Des situations mixtes comportant à la fois des
câbles à effet de terre et des prises de terres
locales interconnectées sont également admises.
Système de mise à la terre locale
Le principe de mise à la terre globale est basé sur
l'interconnexion d’installations de mise à la terre
locale par des conducteurs de protection qui, à
leur tour, sont reliés à la source. Ceci signifie que
chaque mise à la terre locale ne contribue que
dans une mesure restreinte au système global et
n’a donc qu’une importance limitée.
Ceci justifie que la valeur maximum admise pour
la résistance de terre d’une installation individuelle
reliée à un système de mise à la terre globale
puisse s’élever jusqu'à 15 A titre d’exemple, on obtient une telle valeur
quand un des ensembles d'électrodes de terre
décrits ci-dessous est enfoui dans un sol ayant
une résistivité de 100 PILJXUH
•
•
•
électrode de terre profonde de 8 m (diamètre
de l’électrode 0,02 m);
boucle de terre de 10 m à une profondeur de
0,5 m;
quatre piquets de terre de 1,5 m reliés par
une boucle de terre de 8 m.
Câble MT
Câble MT
RE
ZB’
ZB’’
Figure 3a – Schéma électrique d’un système
interconnecté de mise à la terre locale
RE
ZE
ZB’
ZB’’
Figure 3b – Schéma équivalent pour ZE
h = 0,5 m
L = 1,5 m
L=8m
LL = 10 m
LL = 8 m
d = 0,02 m
RE
Figure 2 - Exemples de réalisation de systèmes
de mise à la terre locale
Cette approche est plutôt conservatoire sachant
qu’en Belgique la résistivité du sol (couche
supérieure) est généralement inférieure à 100
P
Dans les cas où la résistivité du sol, à une
profondeur de 1 m, est supérieure à 150 P OD
valeur maximum à prendre en considération pour
chaque mise à la terre individuelle devient:
R E ≤ 15
ρE
Ω
150
Contrôle des systèmes de mise à la terre
Le contrôle est basé sur deux principes :
• le maintien en bon état du système de mise à
la terre locale;
• le contrôle de la continuité de l’interconnexion
avec les autres terres du réseau.
ZEB
ZB’
ZB’’
Figure 3c – Schéma équivalent pour ZEB
Contrôle avant mise en usage
Avant la mise en usage de l’installation HT, la
résistance de terre locale est mesurée. Cette
valeur est appelée valeur initiale de la résistance
de terre RE. Elle sert de référence au(x)
prochain(s) contrôle(s) périodique(s). La valeur
RE (liée ou non à la valeur de E) permet de
vérifier si les dispositifs de mise à la terre ad hoc
ont réellement et correctement été installés.
Contrôles périodiques
Lors du premier contrôle périodique l'impédance
Il s’agit de
ZE est mesurée (figure 3b).
l'impédance du système de mise à la terre locale
interconnecté avec l'impédance ZB de tous les
autres systèmes de mise à la terre du réseau (ZB’,
ZB’’...).
ZE ,qui est le résultat de la mise en parallèle de RE
et de ZB, peut être considérée comme étant
l’impédance du système de mise à la terre globale
mesurée localement. Cette impédance doit être
inférieure à RE.
Dans la pratique la valeur de ZE est la plupart du
temps inférieure à 1 Si tel est le cas, seul l'impédance de boucle ZEB
est mesurée lors des contrôles ultérieurs, c.-à-d.
l'impédance de la boucle formée par RE en série
avec ZB (voir figure 3c). Ce contrôle peut être
réalisé sans déconnexion du conducteur de terre
(mesure par pince ampèremétrique).
La valeur de ZEB doit être inférieure à la plus
grandes des deux valeurs de référence RE + 50%
ou RE VRLW :
ZE< ZEB<1,5 RE
ou
ZE< ZEB<RE +1
L’objet de ce contrôle est donc davantage de
vérifier que rien d’anormal ne s’est produit
(interruption de la continuité, changement
significatif dans la valeur de RE, …), plutôt que de
rechercher la valeur exacte de la résistance de
mise à la terre locale. La mesure de ZEB est facile
à réaliser (pas de déconnexion des écrans de
câbles) et donne d’importantes informations sur
l’efficacité du système de mise à la terre globale.
CONCLUSIONS
L’approche décrite ici est en complète harmonie
avec les prescriptions de la norme CENELEC HD
637-S1.
En outre, au niveau national, un grand pas en
avant va être accompli avec la révision de la
réglementation belge dans le domaine de la
protection contre les chocs électriques par
contacts indirects en haute tension. Ceci sera
obtenu grâce à l’introduction du concept de mise
à la terre globale et au remplacement d’une série
de règles et de mesures compliquées par un
contrôle beaucoup plus efficace de la sécurité
intégrée.
REFERENCES
.
Ces conditions sont rendues nécessaires (la
seconde au cas où la valeur de RE est faible) pour
s’abstraire des variations de RE dues aux
conditions variables d’humidité.
Si ZEB ne satisfait pas ces conditions, il y a lieu de
mesurer RE à nouveau et de procéder à une
vérification complémentaire de la continuité par la
mesure de ZEB.
[1] Criteria for determining the efficiency of a
global earthing
D. Halkin, J. Hoeffelman
CIRED 1997 Record of discussion S2
[2] How to ensure the efficiency of a global
earthing in MV networks
D. Halkin, J. Hoeffelman
CIRED 1999 – Paper 2.20