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Les réseaux IT au travers des normes

Les alimentations électriques non mises à la terre (réseaux IT) sont toujours utilisées lorsqu'un premier défaut d'isolement ne doit pas provoquer le déclenchement d'un dispositif de protection et ainsi la coupure de l'alimentation. Les domaines classiques d'application sont notamment les locaux à usages médicaux, les process sensibles dans le secteur industriel, les entraînements à vitesse variable dans l'industrie lourde, pour ne citer qu'eux. Avec la transition énergétique de nouvelles applications, telles que la mobilité électrique ou les réseaux DC, sont venus s'ajouter. Le présent article offre une vue d'ensemble de la situation normative actuelle.

Les types de réseaux

Les types de réseaux électriques fondamentaux sont décrits dans la norme DIN VDE 0100-100 (VDE 0100-100):2009-06. Au paragraphe 131.1 de cette norme, il est indiqué que les exigences énoncées permettent d'assurer la sécurité des personnes, des animaux domestiques et des biens contre les dangers et les dommages pouvant résulter de l'utilisation normale des installations électriques. Ces dangers sont notamment les courants de chocs et l'interruption de l'alimentation électrique.

Le réseau IT est décrit au paragraphe 312.2.3 (AC), 312.2.4.5 (DC) et dans l'annexe A. Il est entendu que, toutes les parties actives sont isolées de la terre ou un point est relié à la terre par l'intermédiaire d'une impédance. Les masses de l'installation électrique (d'équipements électriques) sont mises à la terre séparément, collectivement ou à la prise de terre de l'alimentation (consulter aussi DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10) 411.6. Le schéma peut également être mis à la terre par une impédance suffisamment élevée. En Allemagne, cela ne s'applique qu'à des fins de mesure ou de fonction.

Figure 1: Comparaison entre un réseau IT (figure de gauche) et un réseau TN dans un cas de premier défaut d'isolement

La source de courant

Pour la source de courant, il faut faire une distinction entre un réseau IT„normal“ et un réseau IT médical. Pour la source de courant, une séparations par isolation principale est indispensable. Dans la pratique, cela est réalisé la plupart du temps au moyen d'un transformateur de séparation. Cela peut également être réalisé au moyen d'une batterie, d'un système PV autonome ou d'un groupe électrogène mobile. Dans le schéma IT médical, les courants de fuite doivent être particulièrement faibles en raison d'un risque possible pour le patient lors d'interventions intracardiaques (par exemple intervention à coeur ouvert). Le transformateur de séparation requis est décrit dans la norme DIN EN 61558-2-15 (VDE 0570-2-15):2012-09.

Figure 2: Schéma d'un réseau IT médical selon la norme DIN VDE 0100-710:20xx

Mise à la terre

Dans la pratique, le réseau IT est souvent appelé „système d'alimentation électrique non mis à la terre“. Ce „non mis à la terre“ ne se réfère toutefois qu'à la liaison entre tous les conducteurs actifs et la prise de terre. Selon la norme DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10 paragraphe 411.3.1.1 „Mise à la terre“ les masses doivent être reliées à un conducteur de protection dans les conditions spécifiques du schéma des liaisons à la terre. Pour le réseau IT, cela signifie selon le paragraphe 411.6.2 que les masses doivent être reliées à la terre, soit individuellement, soit par groupes ou ensemble et que les conditions suivantes doivent être remplies:

Dans les réseaux à courant alternatif R_A × I_d ≤ 50 V

où

R_A est la somme des résistances en Ω de la prise de terre et du conducteur de protection des masses

I_d est le courant de défaut, en A, en cas de premier défaut d'impédance négligeable entre un conducteur de phase et une masse

Dans les réseaux à courant continu, aucune limitation de tension de contact n'est prise en compte, la valeur de I_dpouvant être considérée comme suffisamment faible pour être négligeable.

Figure 3: Comparaison de la mise à la terre dans le réseau IT et dans le réseau TN

Le premier défaut dans le réseau IT

En cas de premier défaut à la masse ou à la terre, le courant de défaut I_d est très faible et une coupure automatique n'est pas impérative (DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10, paragraphe 411.6.1), si la condition de 411.6.2 concernant la mise à la terre est satisfaite. Cela signifie que la résistance de terre de protection R_A est parallèle à la résistance de la masse, que le courant de défaut déjà très faible s'écoule via ce conducteur de protection et que la tension de contact reste nettement inférieure à la valeur maximale admissible de 50 V. Cela constitue également un avantage dans le secteur médical.

La valeur du courant de défaut I_d en cas de premier défaut est définie par la tension nominale, la fréquence nominale ainsi que par la connexion parallèle de la capacité de fuite du réseau et de la résistance d'isolement de l'installation électrique par rapport à la terre. En cas de premier défaut, le courant de défaut s'écoule avec une impédance négligeable entre un conducteur de phase et une masse. Avec un bon niveau d'isolement du réseau électrique, l'I_d peut être déterminé avec une bonne approximation par la capacité de fuite du réseau et être calculé de la manière suivante:

pour un réseau triphasé

I_Ce = U⁄√3 ×3ω × C_e = U ×√3×ω ×C_e

pour un réseau monophasé

I_Ce = U × ω × C_e

Figure 4: Courant de défaut Id en cas d'un premier défaut d'isolement dans le réseau IT (schéma équivalent)

Figure 5: Exemple tension de contact UT après un premier défaut

Les dispositifs de contrôle et de protection

Selon la norme DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10, paragraphe 411.6.3, les dispositifs de contrôle et de protection suivants peuvent être utilisés en schéma IT:

contrôleurs d'isolement (CPI);
dispositifs de surveillance des courants différentiels (RCM);
système de localisation de défaut d'isolement (IFLS);
dispositif de protection contre les surintensités;
dispositifs de protection à courant différentiel-résiduel (DDR).

Selon le paragraphe 411.6.3.1, un contrôleur d'isolement (CPI) doit être prévu afin de signaler un premier défaut entre une partie active et les masses ou la terre. Le dispositif doit actionner un signal sonore et/ou visuel qui doit être maintenu tant que le défaut existe. Il est recommandé d'éliminer un premier défaut dans un délai aussi court que possible. Le „délai aussi court que possible“ dépend des conditions propres à l'installation. Mais, de manière générale, le réseau IT possède le net avantage qu'un premier défaut ne doit pas être éliminé immédiatement, mais qu'il peut parfaitement être retardé jusqu'au moment où l'entretien doit être effectué.

Système de localisation de défaut d'isolement (IFLS)

Les départs ou les appareils défectueux peuvent être localisés en cours de fonctionnement grâce à un système de localisation de défaut d’isolement (IFLS), une coupure de l'installation n'est donc pas nécessaire. Pour la recherche de défauts, des impulsions de mesure sont superposées au réseau IT, celles-ci sont ensuite détectées et évaluées par les transformateurs de courant de mesure. En fonction de l'affectation du transformateur de courant de mesure / départ, il est facile d'identifier le départ défectueux.

Figure 6: Schéma de principe du réseau IT avec CPI et IFLS

Dispositifs de surveillance des courants différentiels (RCM)

Contrôleurs d´isolement à courant différentiel résiduel (RCM) ne fonctionnent que partiellement (consulter dispositifs à courant résiduel (DDR)

Dispositifs de protection contre les surintensités

Les dispositifs de protection contre les surintensités sont conçus en tenant compte de la norme DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10. Pour les réseaux IT, il faut notamment tenir compte du fait que:

dans le schéma IT médical, une protection contre les surcharges n'est pas autorisée dans le circuit de sortie (circuit secondaire) du transformateur, c'est-à-dire que seule une protection contre les court-circuits est requise. C'est pourquoi le courant de charge et la température du transformateur doivent être surveillés et que les anomalies doivent être signalées (paragraphe 710.411.6.3.101)
Selon la norme DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10, paragraphe 431.1.1, tous les conducteurs actifs doivent être protégés (sur tous les pôles). Voir également la norme DIN VDE 0100-557 (VDE 0100-557):2014-10 „circuits auxilaires“ paragraphe 557.3.6.1 „Les circuits auxiliaires en courant alternatif ou en courant continu non reliés à la terre doivent être protégés contre les courts-circuits par un dispositif de protection permettant l'interruption de tous les conducteurs de phase“. Cette indication se trouve également dans la norme DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2006-07, paragraphe 431.2.2.
Lorsque dans les réseaux IT triphasés avec neutre, une détection de surintensité est requise pour le conducteur neutre, celle-ci doit entraîner la déconnexion de tous les conducteurs actifs. (paragraphe 431.2.2) Cette disposition n'est pas nécessaire si le conducteur neutre est protégé contre les surintensités, par exemple à l'origine de l'installation.
Une coupure sur tous les pôles sert aussi à „déconnecter“ le réseau IT sur tous les pôles au sens des 5 règles de sécurité.
Il faut mentionner ici la remarque générale issue de la norme DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430): 2010-10, paragraphe 433.3.3, selon laquelle il est possible de renoncer à des dispositifs de protection contre les surcharges si une déconnexion intempestive du circuit présente des dangers. Dans ce cas, il est recommandé de prévoir une alarme de surcharge.

Figure 7: Explication de la nécessité d'un dispositif de protection contre les surintensités sur tous les pôles dans les réseaux IT

Dispositifs à courant différentiel résiduel (DDR)

Selon la norme DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10, paragraphe 411.3.3 une protection complémentaire au moyen d'un dispositif de protection à courant différentiel résiduel (DDR) doit être prévue pour les socles de prise de courant en courant alternatif < 32 A susceptibles d'être utilisés par des personnes ordinaires pour un usage général. Toutefois cette exigence est inadaptée pour les réseaux IT et par conséquent les DDR n'apportent pas la protection escomptée dans ces réseaux. Le principe de fonctionnement d'un DDR nécessite après un premier défaut un courant de défaut I_d qui doit être supérieur au courant différentiel de fonctionnement assigné I_Dn (par ex.> 30mA). Cependant, ce n'est pas le cas dans la pratique. Même deux défauts d'isolement indépendants sur les deux conducteurs actifs ou les équipements connectés ne provoquent pas le déclenchement d'un DDR puisque ces deux défauts agissent comme un charge.

Cependant, dans l'édition de la norme DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2018-10, la protection supplémentaire par des DDR I_Dn £ 30 mA est exigée au niveau international, même pour les circuits des prises de courant de réseaux IT, lorsqu'en cas de premier défaut un courant de défaut I_d de > 15 mA est susceptible de circuler. En y regardant de plus près, il apparaît que cette exigence n'est pas seulement discutable d'un point de vue technique:

Mis à part le fait que les prises de courant dans les réseaux IT constituent plutôt l'exception, comment déterminer le courant de défaut I_d ? Le courant I_d est essentiellement déterminé par la longueur du câble et le nombre de charges de l'installation électrique. Les courants de fuite de l'installation électrique vers la terre sont également pris en compte. Cela inclut aussi les modifications apportées à l'installation par des connexions et des coupures inconnues. Ces valeurs aucun concepteur ne peut les déterminer aussi bonne que soit la planification.

Les DDR qui se trouvent aujourd'hui habituellement sur le marché ont un courant différentiel assigné I_Dn < 30mA. L'utilisateur n'aurait donc aucune chance d'acquérir un produit adéquat sur le marché. A ce sujet, on trouve la citation suivante dans la norme DIN VDE 0100-530 (VDE 0100-530):2018-06 au paragraphe 538.4 : „Dans des réseaux IT alternatifs, il est recommandé d'utiliser des dispositifs de surveillance des courants différentiels (RCM) directionnellement sélectifs afin d'éviter des notifications/alarmes indésirables dues aux courants de fuite, si des capacités de fuite élevées sont susceptibles de produire en aval du point de raccordement du dispositif de surveillance des courants différentiels (RCM).“
Au bout du compte, cela signifie que l'utilisateur n'obtient ni DDR avec un I_D_n< 15 mA, ni DDR travaillant de façon directionnellement sélective. Directionnellement sélectif signifie dans ce cas que seuls les courants de défaut vers la charge sont détectés.

Fig. 8: Deux défauts d'isolement sur des conducteurs de phase différents „en aval“ d'un DDR

Fig. 9: Répartition des capacités de fuite du réseau „en amont“ et „en aval“ d'un DDR

Fig. 10: Utilisation de DDR dans des réseaux IT ramifiés

Utilisation de DPDA dans les réseaux IT

L'objectif principal des réseaux IT est qu'aucune coupure inopinée ne se produise en cas de premier défaut. Par conséquent, il n'est pas judicieux d'utiliser des dispositifs de protection contre les arcs pour les circuits finaux jusqu'à 16 A dans des réseaux IT. Ceci est également le sujet du communiqué de la DKE (Commission allemande pour l'électrotechnique, l'électronique et les technologies de l'information et de la communication) du 3 novembre 2017. Il comprend notamment les dispositions suivantes :

a) La norme DIN VDE 0100-420 (VDE 0100-420):2016-02, paragraphe 421.7, ne contient aucune exigence envers les installations électriques qui relèvent du domaine d'application (paragraphe 710.1) de la norme DIN VDE 0100-710 (VDE 0100-710):2012-10 „Installations électriques à basse tension Partie 7-710: Règles pour les installations ou emplacements spéciaux – Locaux à usages médicaux“. Les locaux à usages médicaux dans les maisons de retraite et les établissements de soins, dans lesquels les patients reçoivent un traitement médical ne tombent donc pas dans le champ d'application de la norme DIN VDE 0100-420 (VDE 0100-420):2016-02, paragraphe 421.7.

b) Il est possible de renoncer aux dispositifs pour la détection de défauts d'arcs (DPDA) dans
les circuits alimentant les matériels électriques pour lesquels une interruption imprévue de l'alimentation cause un danger ou des dommages.
C'est le cas par exemple

des réseaux IT qui ont été installés pour améliorer la sécurité de l'alimentation électrique ou
des installations électriques à des fins de sécurité selon DIN VDE 0100-560 (VDE 0100-560), notamment dans les systèmes d'éclairage de sécurité.

Autre remarques et exigences pour l'installation et la sélection des appareils

Sélection des contrôleurs d’isolement

Un contrôleur d’isolement est sélectionné sur la base des critères suivants:

Tension nominale maximale
Type de réseau AC, DC ou AC / DC
Circuit principal, circuit de commande ou application spéciale
Capacité de fuite du réseau
Valeurs de réponse
Possibilité d'intégrer la fonction de dispositif de localisation de défauts d'isolement au CPI
Conditions environnementales spécifiques

Afin de simplifier le processus de sélection des contrôleurs d´isolement pour le concepteur et l'utilisateur, des dispositions supplémentaires sont contenues dans la norme relative aux contrôleurs d´isolement DIN EN 61557-8 (VDE 0413-8):2015-12:

Marquage correspondant à l'application
Une distinction est faite entre les types de contrôleurs d´isolement
- en fonction des composants possibles dans le réseau IT
  - Réseaux AC IT
  - Réseaux IT DC
  - Réseaux IT AC/DC
- Une distinction est faite entre les types de contrôleurs d´isolement pour des applications spéciales
- Locaux à usages médicaux
- Photovoltaïque

Figure 11: Exemples pour le marquage du CPI

Exigences applicables aux contrôleurs d´isolement

D'importantes informations pour la planification de réseaux IT se trouvent dans la norme DIN VDE 0100-530 (VDE 0100-530):2018-06 „Choix et mise en oeuvre des matériels électriques – Appareillage“ au paragraphe 538:

Les CPI doivent être en conformité avec la norme DIN EN 61557-8 (VDE 0413-8) (538.1.1).
Le résultat de la mesure ne doit pas être influencé par les composantes en courant continu (538.1.2).
Les CPI doivent être connectés symétriquement entre les conducteurs de phases et la terre ou de façon unipolaire entre un conducteur de phases quelconque et la terre (une alternative est également la connexion au conducteur neutre dans les réseaux triphasés avec conducteur neutre) (538.1.2).
Lorsque plusieurs réseaux IT sont couplés entre eux, seul un CPI doit être actif (538.1.2).
Les CPI doivent être conçus pour la tension de réseau la plus élevée
Il est recommandé d'utiliser des CPI qui signalent toute interruption dans les connexions de mesure aux conducteurs de puissance et à la terre (538.1.1).
Les dispositifs de localisation de défauts d'isolement doivent satisfaire aux exigences de la norme DIN EN 61557-9 (538.2)

Réglage des valeurs de réponse

La valeur de réponse doit être réglée de manière appropriée à l'installation concernée. Selon le paragraphe 538.1.3, une valeur de 100 Ohm/V et, pour une préalarme, une valeur de 300 Ohm/V sont recommandées. Dans la précédente édition de la norme DIN VDE 0100-530:2011-06 et dans la norme DIN VDE 0105-100 (VDE 0105-100):2015-10 paragraphe 5.3.3.101.3.3., une valeur de 50 Ohm/V est recommandée à titre indicatif. Ces deux ordres de grandeur sont en principe justes et sont influencés par le nombre des charges et par la qualité de l'installation (par ex. l'humidité, la poussière etc.). Dans la pratique, la valeur affichée sur l'écran du CPI est utilisée pour régler une valeur d´alarme inférieure à cette valeur affichée, représentant la valeur minimale souhaitée laissant suffisamment de latitude pour les travaux d'entretien et de maintenance. Il convient cependant de tenir compte du fait que tous les départs importants de l'installation sont en fonctionnement.

Toutefois, un autre avantage est que tout changement significatif de la résistance d'isolement lors de la mise en marche ou de l'arrêt d'une charge ou d'une partie de l'installation est affiché par le CPI et que d'éventuels points faibles sont ainsi identifiés.

Surveillance de charges déconnectées

Selon le paragraphe 538.3, un contrôleur d'isolement peut être utilisé dans les réseaux TN, TT et IT pour surveiller les charges ou les installations déconnectées. Il peut s'agir notamment de treuils motorisés, d'ascenseurs, de dispositifs de commande. Pour cela, il faut que le circuit électrique surveillé soit séparé sur tous les pôles du réseau.

Figure 12: Surveillance hors-ligne d'un moteur, par exemple sur une grue

Comportement en cas de deuxième défaut d'isolement

Conformément à la norme DIN VDE 0100-410:2018-10, paragraphe 411.6.4, après qu'un premier défaut se soit produit, les conditions de coupure automatique de l'alimentation dans l'éventualité d'un deuxième défaut dans les différents conducteurs actifs doivent être remplies. Dans la pratique, cela signifie qu'une certaine impédance de boucle doit être respectée. Pour les réseaux IT sans conducteur neutre, l'impédance de boucle est définie comme suit:

Z_S ≤ U/(2 × I_a )

U = tension nominale en courant alternatif entre phases
I_a = courant assurant le fonctionnement du dispositif de protection dans le temps prescrit en 411.3.2.2 / 411.3.2.3

Si, pour des raisons de disponibilité, un premier défaut ne doit pas provoquer de coupure, il faut alors s'assurer que le courant de défaut existant soit de I_d < 0,4 I_Δn lors de l'utilisation de DDR. Pour un DDR 30 mA cela signifie I_d < 12 mA.

De plus, il est mentionné à ce propos que des défauts symétriques sur différents conducteurs de phases ne génèrent aucun courant de défaut provoquant une coupure.

Un DDR peut être utilisé pour chaque matériel, lorsque les conditions de coupure pour la protection contre les surintensités ne peuvent pas être satisfaites, par exemple, parce que

l'impédance de boucle ne peut pas être déterminée avec précision (difficulté pour estimer la longueur des câbles, matériaux métalliques à proximité des câbles),
le courant de défaut est si faible qu'en cas d'utilisation de dispositifs de protection contre les surintensités, le temps de coupure maxi. admissible ne peut être respecté,
la résistance de la boucle est trop élevée pour garantir la coupure automatique

et qu'une liaison équipotentielle supplémentaire n'est pas possible.

Figure 13: Le deuxième défaut dans le réseau IT

Conducteur neutre dans les réseaux IT triphasés

La norme DIN VDE 0100-410:2018-10 paragraphe 431.2.2 contient une note stipulant qu'en schéma IT, il est fortement recommandé de ne pas distribuer le conducteur neutre. Il convient d'en tenir compte lorsque des charges monophasées sont également connectées dans un réseau IT triphasé avec conducteur neutre. En cas de défaut d'isolement dans L1, la tension des conducteurs L2/L3 par rapport à la terre est augmentée à la tension entre phases, par ex. 400 V. Cela pourrait endommager les condensateurs d'antiparasitage qui sont mis à la terre. Il faut alors s'assurer que le déplacement de la tension n'affecte que la tension à la terre. Il n'y a pas de déplacement de tension entre les conducteurs actifs. Les équipements monophasés doivent être configurés de manière appropriée, c'est-à-dire pouvoir fonctionner dans des réseaux triphasés avec neutre. Dans la pratique, deux réseaux IT distincts sont souvent mis en place, l'un pour les charges monaphasées, l'autre pour les charges triphasées.

Il faut mentionner ici la remarque générale issue de la norme DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-10, paragraphe 433.3.3, selon laquelle il est possible de renoncer à des dispositifs de protection contre les surcharges si une déconnexion intempestive du circuit présente des dangers. Dans ce cas, il est recommandé de prévoir une alarme de surcharge.

Résumé

Les réseaux IT sont toujours un avantage lorsqu'un premier défaut ne doit pas provoquer la coupure de l'alimentation électrique. La base essentielle d'un fonctionnement sûr et sans perturbations consiste à installer le réseau en conformité avec les exigences des normes applicables et à choisir correctement les dispositifs de protection et de surveillance.