Cahier technique n°212

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Cahier technique n ° 212

Un conducteur actif et singulier : le neutre

J. Schonek Collection Technique

Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titres édités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues et notices techniques.

Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permet- tent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les installations, les systèmes et les équipements.

Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des automatismes industriels.

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« Extrait du Cahier Technique Schneider Electric n° (à préciser) ».

n ° ²¹²

Un conducteur actif et singulier : le neutre

Jacques SCHONEK

Ingénieur ENSEEIHT et Docteur-Ingénieur de l’Université de Toulouse, il a participé de 1980 à 1995 à la conception des variateurs de vitesse de la marque Telemecanique.

Il a été ensuite gérant de l’activité Filtrage d’Harmoniques.

Il est actuellement en charge des études Applications et Réseaux Electrotechniques au sein de la Direction « Power Protection &

Control » de Schneider Electric.

i_r, i_s, i_t, i_N (A) : valeurs instantanées des courants dans les phases et le neutre IN (A) : valeur efficace du courant dans le neutre

IL (A) : valeur efficace du courant dans une phase Il (A) : composante fondamentale du courant IL

i_h(%) : taux d’harmonique de rang h du courant IL

I_h(A) : valeur efficace du courant harmonique de rang h, i_h (%) ^h (A)

=I (A)

I_l ¹⁰⁰

THD (%) : taux de distorsion harmonique

Lexique

Un conducteur actif et singulier : le neutre

Un paradoxe : le conducteur neutre est un conducteur actif dans lequel il ne devrait circuler aucun courant, et pourtant…

Il existe un regain d’intérêt pour le conducteur neutre, lié à la prolifération des charges électroniques, à la circulation de courants harmoniques et au risque de surcharge.

Dans ce contexte, l’objectif de ce document est de faire le point sur les habitudes et recommandations d’installation : coupure, protection et dimensionnement du conducteur neutre.

Sommaire

1 Un conducteur actif dans la 1.1 Schéma général de Distribution Electrique p. 4

distribution électrique 1.2 Neutre, mais pas innocent p. 4

1.3 Rappels sur les Schémas des Liaisons à la Terre

(dits « régimes de neutre ») p. 4

1.4 Court-circuit phase – neutre p. 7

2 Règles traditionnelles de dimensionnement 2.1 Section du conducteur neutre p. 8

et de protection du neutre 2.2 Coupure du conducteur neutre p. 10

2.3 Protection du conducteur neutre p. 11

2.4 Appareillage adapté à la coupure et à la protection

du conducteur neutre p. 12

3 Et vinrent les harmoniques… 3.1 Charges non linéaires monophasées p. 13 3.2 Charges monophasées dans un système triphasé p. 14 3.3 Courant dans le conducteur neutre dans un système triphasé p. 15

3.4 Taux de charge du conducteur neutre p. 18

3.5 Effet des courants harmoniques sur

les canalisations électriques p. 19

3.6 Estimation du taux d’harmonique 3 p. 19

3.7 Dimensionnement des constituants d’une installation p. 20 3.8 Harmoniques et Schémas des Liaisons à la Terre p. 21 3.9 Comment gérer les harmoniques impactant le neutre p. 22

4 Synthèse p. 24

5 Conclusion p. 25

Annexe 1 : Rappels p. 26

Annexe 2 : Cas particulier des installations BT alimentées par plusieurs sources p. 27

Annexe 3 : Bibliographie p. 29

1 Un conducteur actif dans la distribution électrique

1.1 Schéma général de distribution électrique

Le schéma le plus courant de la distribution électrique en Basse Tension est de type triphasé, avec neutre distribué. Cette disposition permet à la fois l’alimentation de charges triphasées non raccordées au neutre (moteurs, par exemple) et de charges monophasées courantes.

Les niveaux de tension les plus utilisés en Europe sont de 400 V entre phases, et 230 V entre phases et neutre (cf. fig. 1).

Le secondaire du transformateur d’alimentation est donc généralement couplé en étoile, voire en zigzag.

Le conducteur neutre est réglementairement de couleur bleu clair, quand il n’est pas également utilisé comme conducteur de protection (PEN, couleur vert/jaune).

1.2 Neutre, mais pas innocent

1 400 V

400 V 230 V

230 V 230 V

400 V 2

3

N

Fig. 1 : les tensions d’alimentation en BT.

Le conducteur neutre présente des particularités par rapport aux autres conducteurs de la distribution électrique.

c Il a un rôle spécifique dans la définition des Systèmes des Liaisons à la Terre

v il est en général possible et recommandé de le raccorder à la terre,

v il peut être utilisé comme conducteur de protection.

c Le conducteur neutre est un conducteur actif v il assure l’alimentation des charges

monophasées,

v il assure la circulation des courants de déséquilibre,

v il assure la circulation des courants harmoniques de rang 3 des charges non linéaires,

v il est parcouru par des courants de défaut (défauts d’isolement, surcharge, court-circuit).

Lorsqu’il est utilisé comme conducteur de protection, il est parcouru par des courants de fuite capacitive.

Un certain nombre de précautions en découlent, dans la conception d’une installation électrique : c le dimensionnement et la protection du conducteur neutre doivent suivre des règles précises ;

c la continuité du conducteur neutre est

impérative lorsqu’il est utilisé comme conducteur de protection ;

c la coupure du conducteur neutre est indispensable si son potentiel par rapport à la terre s’élève et atteint un niveau dangereux.

1.3 Rappels sur les schémas des liaisons à la terre

rôle spécifique tenu par le conducteur neutre dans la définition des Systèmes des Liaisons à la Terre -SLT-.

Le choix d’un schéma de liaisons à la terre répond à 2 objectifs :

c la protection des personnes et des biens, c la continuité de service.

Contre le risque de chocs électriques, les normes d’installations ont défini les principes

fondamentaux de la protection des personnes qui sont :

c la mise à la Terre des masses des équipements et récepteurs électriques,

c l’équipotentialité des masses simultanément accessibles qui tend à éliminer les tensions de contact,

c la coupure automatique de l’alimentation électrique en cas de tensions ou de courants dangereux provoqués par la circulation du courant de défaut d’isolement.

Il existe, pour les réseaux BT, 3 types de SLT.

Ils diffèrent par la mise à la terre ou non du point neutre de la source de tension et par le mode de raccordement des masses (cf. fig. 2). Le choix du régime de neutre dépend des caractéristiques de l’installation et des conditions et impératifs d’exploitation.

Schéma TT

Dans ce type de schéma (cf. fig. 2a), dit de

« neutre à la terre » :

c le neutre de la source est relié à une prise de terre distincte de celle des masses,

PE 1 2 3 N

R_B 1

2 3 N PE

R_B R_A

1 2 3 PEN

R_B

1 2 3 N PE

R_B Neutre à la terre (TT)

Mise au neutre (TN-C)

Contrôleur permanent d'isolement Mise au neutre (TN-S)

Neutre isolé (IT) a -

b -

c -

d -

c toutes les masses protégées par un même

dispositif de coupure doivent être reliées au même système de mise à la terre.

C’est le cas typique de la distribution publique en France.

La figure 3 indique le circuit parcouru par le courant en cas de défaut : la tension de contact sur la masse de l’appareil en défaut atteint une valeur dangereuse.

Le schéma TT impose donc la coupure au premier défaut d’isolement. Le dispositif de coupure mis en œuvre est un Dispositif Différentiel à courant Résiduel (DDR).

N DDR

R_B R_A

U_d R_d I_d

Fig. 2 : les trois principaux schémas des liaisons à la terre ou SLT sont les schémas TT, TN et IT, définis par la CEI 60364-3. Le TN peut être soit TN-C (neutre et PE confondus) soit TN-S (neutre et PE distincts).

Fig. 3 : défaut d’isolement avec schéma TT Avec un réseau 400 V / 230 V, R_A et R_B de 10 Ω, la tension de contact Ud est de 115 V !

Schéma TN

Le principe de ce schéma dit de « mise au neutre » est de transformer tout défaut d’isolement en court-circuit monophasé phase – neutre.

Dans ce type de schéma :

c le point neutre BT de chaque source est relié directement à la terre,

c toutes les masses de l’installation sont reliées à la terre et donc au neutre :

v par un seul conducteur (PEN) de protection et de neutre avec le SLT TN-C (conducteur Commun de protection et de neutre), (cf fig. 2b) ; v par les conducteurs de protection (PE) et de neutre (N) distincts avec le SLT TN-S

(conducteurs Séparés), (cf fig. 2c).

Le courant de défaut est équivalent à un court- circuit Phase/Neutre. Il génère une tension de contact dangereuse (cf. fig. 4). Le déclenchement du disjoncteur par une protection « court retard » ou un déclencheur magnétique est donc

obligatoire (DPCC : Dispositif de Protection contre les Courts-Circuits).

Le schéma TN permet d’utiliser les protections de surintensité habituelles pour protéger contre les défauts d’isolement par déclenchement au premier défaut.

L’emploi de DDR permet de s’affranchir des vérifications sur la valeur du courant en cas de défaut, mais il est totalement inadapté et exclus en schéma TN-C.

Le schéma TN-C n’est pas recommandé pour l’alimentation des dispositifs électroniques en raison de la possible circulation de courants harmoniques dans le neutre, sujet abordé dans les chapitres suivants.

Schéma IT

Dans ce type de schéma dit « à neutre isolé », le neutre du transformateur est :

c soit isolé de la terre (neutre isolé),

c soit relié à la terre par une impédance élevée (neutre impédant).

Toutes les masses de l’installation sont reliées à la terre (cf. fig. 2d).

En schéma IT, le premier défaut d’isolement n’impose pas le déclenchement, mais ce défaut doit être détecté au moyen d’un Contrôleur Permanent d’Isolement (CPI), et éliminé. Sinon un deuxième défaut survenant sur un autre conducteur actif provoque un court-circuit entre les conducteurs actifs concernés (cf. fig. 5).

Le déclenchement est alors nécessaire pour éliminer la tension de contact dangereuse. Ce déclenchement est normalement obtenu par les protections de surintensité et parfois, selon la

configuration du réseau, par des DDR protégeant des groupes de masses interconnectées.

Avec le respect de cette obligation de rechercher et d’éliminer le premier défaut, le schéma IT procure la meilleure continuité d’alimentation.

La distribution du neutre est déconseillée en IT.

En effet, en cas de premier défaut (maintenu) la tension phase – terre sur les phases saines est égale à la tension composée. Les appareils monophasés raccordés à ces phases sont alors soumis à des tensions d’isolement phase – masse supérieures à la normale, ce qui peut conduire à leur détérioration. (Exemple : alimentation de matériel informatique).

La non distribution du neutre interdit le raccordement d’appareils monophasés entre phase et neutre et évite donc ce risque. Dans le cas contraire, les appareils devront être spécifiés pour une tension d’isolement égale à la tension entre phases.

N

PE

R_B

U_d R_d

Id

DPCC

Fig. 4 : défaut d’isolement en cas de schéma TN-S.

N

I_d

I_d

R_B Contrôleur

permanent d'isolement (CPI)

Limiteur de surtension

3 2 1 N PE DPCC

U_d1 R_d1 DPCC

R_d2 U_d2

I_d

I_d

Fig. 5 : courant de défaut en cas de double défaut avec le SLT IT et tensions dangereuses U_d1 et U_d2.

1.4 Court-circuit phase – neutre

Le calcul du courant de court-circuit entre phase et neutre diffère légèrement du calcul du courant de court-circuit triphasé. La figure 6 représente schématiquement les 3 possibilités de court- circuit dans une installation avec :

V : tension simple (phase – neutre) en sortie de transformateur,

U : tension composée (entre phases) en sortie de transformateur,

Z_T: impédance d’un enroulement du transformateur,

Z_L: impédance d’un conducteur de phase, Z_N: impédance du conducteur de neutre, I_{cc_tri}: courant de court-circuit triphasé, Icc_ph: courant de court-circuit entre phases, Icc_ph-N: courant de court-circuit phase – neutre.

En général l’impédance de raccordement du neutre du transformateur est négligeable, d’où les équations :

I

I I

I

.

. .

cc_tri

T L

cc_ph

T L T L cc_tri

cc_ph-N

T L N

V (Z Z )

U 2 (Z Z )

V 3 2 (Z Z ) V

(Z Z Z )

= +

= + =

+ =

= + +

3 2

Si les conducteurs de phases et de neutre sont identiques, Z_N= Z_L, et donc :

I_{cc_ph-N}

T L

V (Z .Z )

= +2

Pour de grandes longueurs de câbles, en particulier en distribution terminale, l’impédance du transformateur est négligeable devant l’impédance des conducteurs, et alors :

I I I

.

.

cc_tri L

cc_ph

L

cc_ph-N L

V Z

V Z V

Z

≈

≈

≈ 3 2

2 D’où l’inégalité : I_{cc_tri}> I_{cc_ph}> I_{cc_ph-N}

ZL 1

Triphasé

Phase-neutre

Phase-neutre ZT

ZT

ZT

ZL

ZL

ZN

2

3

N

Fig. 6 : les possibilités de court-circuit sur un réseau triphasé.

2 Règles traditionnelles de dimensionnement et de protection du neutre

Les règles et indications exposées dans ce chapitre ont pour principales sources les normes

de conception et de réalisation des installations BT : CEI 60364 et NF C 15-100.

2.1 Section du conducteur neutre

En régime sinusoïdal, le courant dans le conducteur neutre dépend du déséquilibre entre les charges monophasées raccordées entre phases et neutre.

Charges équilibrées : le courant dans le conducteur neutre est nul (cf. fig. 7).

Charges déséquilibrées : le courant dans le conducteur neutre n’est pas nul comme illustré sur la figure 8page ci-contre.

Dans le cas de charges déséquilibrées de même nature, le courant dans le neutre est inférieur ou égal au courant phase le plus élevé (cf. fig. 9 page ci-contre).

Dans le cas de charges déséquilibrées de nature différente sur chacune des phases (résistive, inductive, capacitive) il peut arriver que le courant neutre soit supérieur au courant dans chacune des phases. Ce cas de figure n’est toutefois pas très courant dans la pratique.

De plus, la présence d’harmoniques (objet du chapitre suivant) dans le conducteur neutre est aussi un facteur important pour la détermination de sa section.

La section du conducteur neutre, déterminée en fonction du courant véhiculé, peut être :

c inférieure à la section des conducteurs de phases… si les conditions suivantes sont remplies simultanément :

v la section des conducteurs de phases doit être supérieure à 16 mm² Cuivre ou 25 mm² Aluminium, v la section du conducteur neutre doit être au moins égale à 16 mm² Cuivre ou 25 mm² Aluminium,

v les charges alimentées en service normal sont supposées équilibrées, avec un taux

d’harmonique de rang 3 inférieur à 15 %, v le conducteur neutre doit être protégé contre les surintensités.

t i1

i2

i3

i_N i

0

0 t

iN

Fig. 7 : courants phases et courant neutre avec des charges linéaires équilibrées.

Une pratique courante consiste à avoir un conducteur neutre de section « moitié » de la section des conducteurs de phases.

c égale à la section des conducteurs de phases.

C’est le cas général, en particulier dans les circuits monophasés à 2 conducteurs, ou lorsque la section des conducteurs de phases est inférieure à 16 mm² Cuivre ou 25 mm² Aluminium. C’est également vrai dans le cas

t i

0

0 t

i_N

i1

i2

i3

Fig. 8 : courants phases et courant neutre avec des charges linéaires déséquilibrées.

IN = 17,32 A Dans un réseau triphasé il circule un courant de

déséquilibre dû à l’impossibilité d’un équilibrage permanent parfait des charges monophasées.

Ce courant est égal à :

Il peut être très variable comme le montre l’exemple ci-dessous :

I^→_N=I^→₁ +I^→₂ +I^→₃

Voire même supérieur au courant de phase si la phase 2 est coupée :

20 A 10 A

N 20 A

15 A 10 A

20 A

1 2 3 N

N

15 A 10 A N

Fig. 9 : importance des courants de déséquilibre dans le neutre.

d’alimentation de charges non linéaires et que le taux d’harmonique 3 se situe dans la fourchette de 15 à 33 %.

c supérieure ou égale à la section des conducteurs de phases, dans le cas d’alimentation de charges non linéaires et que le taux d’harmonique 3 dépasse 33 %. L’intensité dans le conducteur neutre est alors prépondérante pour la détermination de la section des conducteurs.

2.2 Coupure du conducteur neutre

Les règles de coupure ou de non-coupure du conducteur neutre ont pour objet de limiter les risques d’électrocution consécutifs à une élévation de son potentiel.

En schéma TN-C

Le conducteur neutre a également le rôle de conducteur de protection (PEN). Le maintien de sa continuité est donc impératif en toutes circonstances, et de fait interdit tout dispositif de coupure sur sa liaison.

En schéma TT ou TN-S

Le neutre est relié à la terre à l’origine de l’installation. Dans des conditions normales, son potentiel se trouve voisin du potentiel de terre.

Cependant, pour différentes raisons, le potentiel du conducteur neutre peut s’éloigner

sensiblement du potentiel de terre et atteindre des tensions dangereuses par rapport à la terre.

La figure 10 illustre un phénomène possible : la circulation de courant dans le conducteur neutre provoque l’élévation du potentiel du neutre au niveau d’une charge, même si celle-ci n’est plus reliée à la phase à la suite d’une manœuvre ou d’un déclenchement.

De plus, une inversion de câblage entre phase et neutre au niveau d’une charge étant toujours possible, la non-coupure de l’une des polarités risque en fait de maintenir la tension phase appliquée à la charge.

La coupure simultanée de la phase et du neutre est donc recommandée.

Par ailleurs, en cas de défaut dans une partie de l’installation (coupure accidentelle du conducteur neutre en amont, augmentation des

impédances, défaut MT/BT, coup de foudre sur les lignes basse tension...), le potentiel du neutre au niveau des charges utilisatrices peut s’élever de façon brutale et dangereuse.

N

I

!

Z_L

Z_N

Ces risques sont particulièrement présents dans les étages d’un immeuble de grande hauteur, où il est plus difficile de garantir la qualité des liaisons à la terre du fait de la longueur exceptionnelle du câblage. Il a déjà été mesuré sur une installation un cas extrême où le potentiel du neutre par rapport à la terre était de 80 V en fonctionnement normal. Ce cas présente un risque d’électrocution.

Afin de ne pas créer de situations dangereuses, il est donc vivement conseillé d’appliquer la règle de coupure du neutre sans dérogation.

En schéma IT

Le conducteur neutre peut se trouver à un potentiel quelconque, même s’il est généralement voisin du potentiel de terre. En présence d’un défaut (par exemple une phase à la terre) le potentiel du neutre par rapport à la terre peut s’élever jusqu’à la tension simple. Pour la maintenance d’une partie d’installation réputée hors tension, donc a priori non dangereuse, le personnel d’intervention peut cependant être en situation dangereuse si le conducteur neutre n’est pas coupé. Pour ces raisons, il est impératif de couper le conducteur neutre dans tous les cas. Seule la coupure du neutre garantit l’égalité des potentiels entre masse et terre après déclenchement.

Recommandations importantes

c Le neutre ne doit jamais être coupé seul : il doit être coupé après les phases et rétabli avant les phases.

Le non respect de cette règle provoque, en régime triphasé déséquilibré, des surtensions sur les appareils monophasés : la tension entre phases pouvant être appliquée à un circuit conçu pour être alimenté par la tension simple (phase – neutre). Ce risque est illustré sur la figure 11 page ci-contre.

Fig. 10: élévation du potentiel du neutre.

Si la charge connectée entre la phase 3 et le neutre est beaucoup plus importante que les charges des autres phases (1 et 2), en cas de rupture du conducteur neutre le point neutre artificiel N’ se trouve porté à un potentiel voisin de celui de la phase 3. Les charges connectées entre les phases 1, 2 et N’ se trouvent donc soumises aux tensions V1N’ et V2N’, voisines de V13 et V23.

Il est donc vivement recommandé de couper ou de sectionner le neutre avec des appareillages omnipolaires afin d’éviter le sectionnement

Z1

1

2 3

N'

N

1 2 3 N

N’

Z2 Z3

Z3 << Z1 et Z2

Fig. 11: risque de surtension en cas de coupure du conducteur neutre.

individuel du neutre ou la coupure par appareils unipolaires (cf. CEI 60364).

De plus, du fait des tensions mises en jeu, l’appareillage de coupure du conducteur neutre devra avoir aussi les caractéristiques

nécessaires au sectionnement, notamment une tension d’isolement suffisante (exemple : tenue à une onde de choc de 12,3 kV en BT pour l’appareillage industriel, selon la norme CEI 60947).

c Pour être coupé le neutre doit être sûrement identifiable, c’est pourquoi les normes

d’installation imposent son repérage par la couleur bleu clair et la lettre N sur les bornes et les schémas.

Nota : Dans le cas d’une distribution sans Neutre, le conducteur de couleur bleue peut être utilisé en tant que phase, mais ceci n’est pas recommandé.

En ce qui concerne la position du pôle Neutre dans l’appareillage, elle n’est que rarement précisée dans les normes, hormis par exemple en France dans la C 62-411, pour les

disjoncteurs de branchement BT. Toutefois l’habitude dans un grand nombre de pays européens, y compris en France, est de disposer les bornes de raccordement du Neutre à gauche de celles des phases (cf. fig. 12).

Fig. 12: le pôle du conducteur Neutre est à gauche (disjoncteur Compact NS100N, marque Merlin Gerin).

2.3 Protection du conducteur neutre

En schéma TN-C

Le conducteur de protection (PE) ne pouvant être coupé en aucune circonstance il n’est pas possible de couper le conducteur (N) dans une installation de type TN-C pour laquelle ces deux conducteurs sont confondus en un seul (PEN).

En conséquence, la section du neutre sera choisie de manière appropriée puisque la protection par coupure automatique n’est pas applicable.

En schéma TT ou TN-S

En cas de surcharge ou de court-circuit phase – neutre sur un départ donné, le même courant de défaut parcourt les conducteurs de phase et du neutre. Deux cas sont donc à considérer : c Section du neutre égale à la section des phases

La protection du neutre n’est pas obligatoire. Le conducteur neutre est protégé par le dispositif de protection du conducteur de phase.

c Section du neutre inférieure à la section des phases

Un dispositif de protection contre les surcharges approprié à la section du conducteur neutre est obligatoire.

En schéma IT

En cas de double défaut, l’un sur une phase, l’autre sur le neutre, des départs de calibres différents peuvent être concernés (reliés par les défauts).

La protection des seules phases n’est pas une solution sûre : la protection de phase d’un calibre supérieur sur un départ peut être inadaptée à la section du neutre de l’autre départ.

La protection et la coupure du neutre sont donc obligatoires, sauf cas particuliers (exemples : circuits monophasés, protection par DDR…).

2.4 Appareillage adapté à la coupure et à la protection du conducteur neutre

Si les conditions précédentes sont remplies et si le neutre est repéré sans risque d’erreur, il est possible, voire recommandé pour des raisons économiques, de ne pas le protéger. Dans les autres cas, les risques d’inversion phase/neutre justifient la protection du neutre.

Le cas des coupe-circuits

Sauf cas très particuliers (utilisation de cartouches fusibles à percuteurs associés à un appareil de coupure), la fusion d’un fusible placé sur un conducteur actif ne permet pas

d’interrompre le courant dans les autres conducteurs actifs : la coupure est unipolaire.

Pour éviter la coupure du neutre seul, celui-ci ne devra donc jamais être protégé par fusible.

De même, le conducteur neutre ne sera pas coupé automatiquement en cas de fusion d’un fusible sur l’une des phases.

Le cas des disjoncteurs

L’appareillage bipolaire (Phase/Phase ou Phase/

Neutre) ou tétrapolaire, permet de couper simultanément les phases et le neutre pour mettre un circuit hors tension.

Les appareils phase/neutre, dont seule la phase est protégée, sont plus économiques et moins volumineux, mais nécessitent un repérage sans faille du neutre (cf. fig. 13 ).

Le cas des DDR

Les DDR sont considérés comme des appareils apportant une grande sûreté de fonctionnement d’une installation électrique : ils participent à la protection contre les contacts directs et indirects, ainsi qu’à la protection incendie.

De plus, une inversion entre phase et neutre au niveau des DDR n’affecte pas leur fonctionnement.

Toutes ces fonctions réunies dans un même dispositif font que les DDR sont recommandés dans les nouvelles installations comme lors des extensions.

Le cas des appareils de coupure d’urgence Pour assurer une mise hors tension rapide d’un circuit, la coupure omnipolaire (de tous les conducteurs actifs y compris le neutre) est recommandée au niveau de l’appareil de coupure ou de l’arrêt d’urgence.

Le cas du contrôle – commande

Pour les appareillages (contacteurs, télérupteurs, interrupteurs, délesteurs, régulateurs...) non destinés à la protection mais employés pour la commande ou le contrôle de charges (machines, éclairages), la coupure du neutre n’est pas imposée par la normalisation. Toutefois, lorsque des contacts auxiliaires des appareils de protection sont utilisés pour réaliser des fonctions logiques ou de signalisation, il est parfois difficile de prédire le potentiel de chacun des conducteurs en situation de défaut (surtout dans un schéma triphasé). Dans ce cas, la coupure du neutre est aussi recommandée.

Fig. 13: « Déclic » disjoncteur Phase – Neutre avec identification du pôle neutre (Marque Merlin Gerin).

3 Et vinrent les harmoniques…

3.1 Charges non linéaires monophasées

Une part croissante de l’électricité est consommée par des charges électroniques non linéaires monophasées (éclairage fluorescent à ballast électronique, appareils électroniques domestiques, informatique, variateurs de vitesse…).

Ces appareils disposent en général d’une alimentation à découpage, dont le schéma d’entrée le plus répandu est du type redresseur monophasé à diodes avec filtrage capacitif (cf.fig. 14 ).

Charge

Fig. 14: redresseur monophasé avec filtrage capacitif.

t 0

Tension réseau Courant ligne

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

%

Rang 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Le courant absorbé par ces charges est constitué d’impulsions positives et négatives, en synchronisme avec les crêtes de la tension réseau. De ce fait, sa composante harmonique de rang 3 peut atteindre 85 % du fondamental.

La forme d’onde de courant et son spectre harmonique typique sont représentés sur les figures 15 et 16.

Fig. 16: spectre harmonique du courant phase.

Ici le taux de distorsion (THD) est de 110 %, le taux d’harmonique 3 (i₃) est de 85 %.

Fig. 15: allure du courant.

Le tableau de la figure 17 donne des exemples d’appareils monophasés générateurs de

3.2 Charges monophasées dans un système triphasé

courants harmoniques, et leurs principales caractéristiques typiques.

Fig. 17: les principaux générateurs d’harmoniques de rang 3 dans les installations industrielles et tertiaires.

Type d’appareil P (W) I_L (A) i₃ (%)

Micro-ordinateur 60 0,5 85

Micro-ordinateur + imprimante active 300 1,45 35

Photocopieur en veille 70 0,32 65

Photocopieur actif 1500 - 2200 7 - 10 15

Tube fluo à ballast magnétique 36 0,2 25

Tube fluo à ballast électronique 36 0,16 10

Ballon fluorescent 250 1,4 10

Lampe fluo compacte 25 0,2 80

Moteur avec variateur de vitesse 500 - 3000 4 - 18 80 P (W) : puissance active consommée

I_L (A) : valeur efficace du courant absorbé i₃ (%) : taux de courant harmonique de rang 3

Dans un système simplifié constitué d’une source triphasée équilibrée et de trois charges monophasées identiques, connectées entre phases et neutre (cf. fig. 18) considérons deux cas particuliers :

v celui de trois charges linéaires, v celui de trois charges non linéaires.

c Dans le cas de charges linéaires, les courants constituent un système triphasé équilibré. La somme des courants de phases est nulle, ainsi donc que le courant dans le neutre.

c Dans le cas de charges non linéaires, les courants de phases ne sont pas sinusoïdaux et contiennent donc des harmoniques, en particulier de rang multiple de 3.

Les courants des trois phases étant égaux, les courants harmoniques, de rang 3 par exemple, ont la même amplitude et peuvent s’écrire sous la forme :

i sin t

i sin t sin t i

i sin t sin t i

r3

s3 r3

t3 r3

=

( )

=  −

 

 =

(

)

=  −

 

=

(

)

I

I I

I I

. .

. . .

. . .

3

3 3

3 3

3

3 2

3 3 2

3 43 3 4

ω

ω π ω π

ω π ω π

Dans cet exemple, les courants harmoniques de rang 3 des 3 phases sont donc identiques.

Le courant dans le neutre étant égal à la somme des courants des phases, la composante de rang 3 du courant neutre est donc égale à la somme des composantes de rang 3, soit : i_n3 = 3.i_r3

N

Charge

Source it is ir

iN

Charge Charge

Fig. 18: charges monophasées.

D’une manière générale, pour des charges équilibrées, les courants harmoniques de rang multiple de 3 sont en phase et s’additionnent arithmétiquement dans le conducteur neutre, alors que les composantes fondamentales et les harmoniques de rang non multiple de 3

s’annulent.

Les courants harmoniques 3 sont des courants homopolaires qui circulent en phase dans les 3 phases.

3.3 Courant dans le conducteur neutre dans un système triphasé

La figure 19 réunit plusieurs courbes représentant les courants circulant dans les phases de 3 charges monophasées non linéaires identiques (comme décrites en 3.1),

et connectées entre phases et neutre.

Le courant résultant dans le conducteur neutre, somme des trois courants de phase, est également représenté.

t ir

t is

t it

t 0

0

0

0 iN

Fig. 19: courants phases et neutre alimentant 3 charges monophasées non linéaires identiques.

Les spectres harmoniques des courants phases et neutre sont représentés sur les figures 20 et 21.

Ces diagrammes montrent que le courant neutre ne contient que des composantes de rang impair multiple de 3 (soit : 3, 9, 15...), dont les

amplitudes sont 3 fois supérieures à celles des courants de phase. Le rang 3 est bien sûr prépondérant et les autres composantes de rang multiple de 3 (soit : 9, 15…) contribuent très peu à la valeur efficace.

Le courant neutre est donc pratiquement égal à 3 fois le courant harmonique 3 de chaque phase, soit : IN≈ 3.I3

Le courant neutre considéré ici est le résultat de la recombinaison des courants des circuits monophasés. Dans les installations électriques, il concerne donc en premier lieu les systèmes de répartition (triphasé vers monophasé) et les dispositifs dits « têtes de tableau ».

Ce phénomène concerne uniquement les circuits triphasés, les courants phase et neutre dans les circuits monophasés étant bien sûr identiques.

Calcul de la valeur efficace maximale du courant neutre

Supposons, comme sur la figure 19, que les ondes de courant des 3 phases ne se chevauchent pas.

Sur une période T du fondamental, le courant d’une phase est constitué d’une onde positive et d’une onde négative, séparées d’un intervalle où le courant est nul.

La valeur efficace du courant ligne peut être calculée par l’expression :

I_L . _l .

T

T i dt

= ¹

∫

0

La valeur efficace du courant neutre peut être calculée sur un intervalle égal à T/3.

Sur cet intervalle, le courant neutre est également constitué d’une onde positive et d’une onde négative, identiques à celles du courant phase.

La valeur efficace du courant neutre peut donc être calculée de la manière suivante :

I

I

/ . .

. . .

/

/

N n

T

N n

T

T i dt

T i dt

=

=

∫

∫

1 3

3 1

2 0

3

2 0

3

et comme : i_n i

T T

2 0

3

2 0

. .

/

dt l dt

∫

∫

alors : I_N . . _l . .I

T

T i dt L

= ^{3 1}

∫

0

Le courant dans le conducteur neutre a donc ici une valeur efficace eeeeefois supérieure à celle du courant dans une phase.

Lorsque les ondes de courant des 3 phases se chevauchent (cf. fig. 22 et 23page suivante), la valeur efficace du courant dans le neutre est inférieure à efois la valeur efficace du courant dans une phase.

De même, lorsque les charges comportent une part de circuit linéaire, le courant absorbé ne présente pas de palier nul (cf. fig. 24ci-contre), et la démonstration fournie ci-dessus ne s’applique pas. La valeur efficace du courant dans le neutre est alors strictement inférieure à efois la valeur efficace du courant dans une phase.

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

%

Rang 0

50 100 150 200 250 300

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 0

50 100 150 200 250 300

%

Rang Fig. 20: spectre du courant phase. Fig. 21: spectre du courant neutre.

Le facteur e ne peut donc être obtenu qu’en cas d’alimentation exclusive de charges, telles que décrites en 3.1, identiques sur les 3 phases.

La puissance de ces dispositifs étant relativement faible (en général quelques dizaines de watts chacun), ceci ne peut donc

t 0

is it ir

i

concerner que des départs de faible intensité. Le courant neutre peut alors dépasser le courant phase, mais sur des départs peu chargés. Il n’y a donc pas de dépassement de la capacité du conducteur neutre, si sa section est égale à celle des phases.

Fig. 22: courants dans les 3 phases, avec chevauchement.

t 0

iN

Fig. 23: courant dans le neutre, avec chevauchement.

t 0

i

Fig. 24: courant absorbé par une charge avec circuits linéaire et non-linéaire.

3.4 Taux de charge du conducteur neutre

Le courant dans le neutre peut donc dépasser le courant de chaque phase dans des installations telles celles possédant un grand nombre de dispositifs monophasés (équipements informatiques, éclairage fluorescent). C’est le cas dans les immeubles de bureaux, centres de calcul, Internet Data Centers, centres d’appels téléphoniques, banques, salles de marchés, zones d’éclairage en Grande Distribution…

Cette situation n’est pas générale, en raison de l’alimentation simultanée de charges linéaires et/

ou triphasées (chauffage, ventilation, éclairage incandescent…) ne générant pas de courant harmonique de rang 3. Une attention particulière doit cependant être apportée aux sections des conducteurs neutre, pour leur détermination lors de la conception d’une nouvelle installation, ou pour leur adaptation lors d’un changement des charges alimentées.

Une approche simplifiée permet d’estimer le taux de charge du conducteur neutre.

Comme indiqué en 3.3, pour des charges équilibrées, le courant dans le neutre IN est très voisin de 3.I3 , soit :

I_N≈ 3.I₃ qui peut s’écrire : I_N≈ 3.i₃ .I₁ Pour de faibles valeurs de distorsion, la valeur efficace du courant est proche de la valeur efficace du fondamental, donc :

IN≈ 3.i₃.IL d’où : IN /IL≈ 3.i₃ (%)

Cette équation lie tout simplement le taux de surcharge du neutre (IN /IL) au taux de courant harmonique de rang 3. Elle permet d’observer, en particulier, que lorsque ce taux atteint 33 %, le courant dans le conducteur neutre est égal au courant dans les phases.

Pour des valeurs quelconques de distorsion, des simulations ont permis d’obtenir une loi moins approximative, présentée sur la figure 25.

Sans information détaillée sur les émissions d’harmoniques des appareils installés, une autre approche simplifiée consiste à lier directement le taux de charge du conducteur neutre au

pourcentage de charges électroniques.

La courbe de la figure 26 a été établie compte tenu d’un taux de courant harmonique 3 généré par les charges électroniques égal à 85 %.

0 20

15

40 60 80 100

IN / IL

i3 (%) 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

33

Fig. 25: taux de charge du conducteur neutre en fonction du taux d’harmonique 3.

0 20 40 60 80 100

IN / IL

i3 (%) 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Dans les installations de forte puissance (ordre de grandeur : P > 100 kVA ou I > 150 A), plusieurs facteurs contribuent à réduire la surcharge du neutre :

c de plus en plus d’équipements informatiques (stations de travail, serveurs, routeurs, ASI…) utilisent des circuits de compensation du facteur de puissance (Power Factor Correction -PFC-) pour réduire considérablement les harmoniques de rang 3 générés ;

c les installations de chauffage, ventilation, climatisation des bâtiments de grande taille sont alimentées en triphasé, elles ne contribuent donc pas à la génération d’harmoniques de rang 3 ; c les dispositifs d’éclairage fluorescent (à ballasts magnétiques ou électroniques) génèrent proportionnellement moins d’harmoniques de rang 3, et ceux-ci compensent partiellement les harmoniques générés par les équipements informatiques.

Ce foisonnement des charges est d’autant plus important que la puissance de l’installation est importante. Sauf cas exceptionnel, le taux d’harmonique dans ces installations ne dépasse pas 33 % et le courant dans le conducteur neutre ne dépasse pas le courant dans les phases. Il n’est donc pas nécessaire de sur- dimensionner le conducteur neutre par rapport aux conducteurs de phases. (cas des

Fig. 26: surcharge du conducteur neutre en fonction du pourcentage de charges non linéaires.

3.5 Effet des courants harmoniques sur les canalisations électriques

La circulation de courants harmoniques provoque un échauffement supplémentaire des canalisations électriques, pour plusieurs raisons :

c échauffement du conducteur neutre par la circulation de courants harmoniques de rang 3, alors que ce conducteur n’est normalement parcouru par aucun courant en régime sinusoïdal équilibré,

c échauffement supplémentaire de tous les conducteurs par augmentation de l’effet de peau et des pertes par courants de Foucault, résultant de la circulation de tous les rangs d’harmoniques.

Dans le cas des Canalisations Electriques Préfabriquées -CEP-, des mesures

d’échauffement ont permis de déterminer le facteur de déclassement à appliquer.

Lafigure 27 indique les courants maximaux admissibles dans les conducteurs de phase et de neutre, en fonction du taux d’harmonique (Imax = k.Inominal).

Par exemple, les courants maximaux admissibles dans une canalisation de calibre 1000 A avec circulation de courants

harmoniques tels que i₃= 50 % est de : v courant phase maximal : 770 A, v courant neutre maximal : 980 A.

Le choix du calibre de la canalisation doit bien sûr tenir compte de l’intensité possible dans le conducteur neutre, mais une canalisation dont les conducteurs ont tous la même section est parfaitement adaptée à cette situation.

L’utilisation d’un conducteur neutre de section double ou en cuivre à la place de l’aluminium n’apporte pas d’amélioration sensible. En effet, les pertes dans le conducteur neutre, même réduites par ces constructions particulières, contribuent sensiblement à l’échauffement global de la canalisation. Un déclassement est donc tout de même nécessaire.

0 20 40 60 80 100

k

Iphase

Ineutre

i3 (%) 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Fig. 27: courants phases et neutre admissibles dans une CEP.

3.6 Estimation du taux d’harmonique 3

La section du conducteur neutre dépend de l’estimation du taux d’harmonique 3 dans l’installation. Dans l’impossibilité d’effectuer des mesures sur site (conception d’une installation neuve, par exemple), deux démarches sont envisageables : l’une simplifiée, l’autre plus rigoureuse.

Démarche simplifiée

A partir de la nomenclature et des caractéristiques des charges raccordées dans l’installation, calculer :

c la somme des courants phases de toutes les charges, mono et triphasées, soit Iph (A) ; c la somme des courants harmoniques 3 des charges électroniques monophasées seules, soitI3 (A) ;

c le taux d’harmonique 3 : i

ph 3(%)=100. I3

I

Démarche plus rigoureuse

Pour obtenir une estimation plus précise du taux d’harmonique 3, une démarche plus rigoureuse doit tenir compte de facteurs supplémentaires : c facteur de puissance des charges,

c facteur de simultanéité de fonctionnement, c foisonnement de phase des courants harmoniques de rang 3,

c spectre réel des charges installées (et non un spectre typique).

La description détaillée d’une telle démarche sort du cadre de ce document.

Exemple (démarche simplifiée)

Dans un bâtiment de bureaux, les charges alimentées par phase sur chaque départ sont relevées dans le tableau de la figure 28 page suivante. A noter que pour simplifier, le courant harmonique 3 est obtenu en multipliant le taux d’harmonique 3 par le courant efficace (et non le courant fondamental, en général inconnu).

Le calcul donne un taux d’harmonique 3 global égal à :

i₃(%) 100 x 8,2 0 30

= 27 = ,

Remarque :

Un taux d’harmonique 3 élevé (> 33 %) peut se rencontrer dans une zone où de nombreux appareils identiques sont alimentés par la même ligne (cas de l’alimentation d’un ensemble de PC).

Type de charge Nombre Courant unitaire Courant Taux Courant efficace absorbé efficace total d’harmonique 3 harmonique 3

total

(A) (A) (%) (A)

Micro-ordinateur 10 0,5 5 85 4,25

Micro-ordinateur 5 1,45 7,3 35 2,55

+ imprimante

Photocopieur 2 0,32 0,64 65 0,42

en veille

Tubes fluo, avec 20 0,2 4 25 1

ballast magnétique

Chauffage 10 10 0 0

Total 27 8,2

Fig. 28: courants d’alimentation des charges présentes dans un immeuble de bureaux.

Dans cette zone, le courant neutre peut alors dépasser le courant phase.

Par contre, si en amont l’appareillage de tableau et les conducteurs sont dimensionnés pour une puissance supérieure, le risque de surcharge du neutre à ce niveau est très faible.

Si dans l’exemple qui précède, l’installation est calibrée à 40 A, le taux d’harmonique 3 ramené à cette valeur de courant n’est plus que de 20 %.

3.7 Dimensionnement des constituants d’une installation

Le taux d’harmonique 3 a un impact sur le courant dans le neutre et donc sur le dimensionnement de toutes les composantes d’une installation : c tableaux de distribution,

c appareillage de protection et de répartition, c câbles et canalisations.

Suivant le taux estimé d’harmonique 3, trois cas sont possibles : taux inférieur à 15 %, de 15 à 33 %, et taux supérieur à 33 %.

Taux d’harmonique 3 inférieur à 15 % (i₃i 15 %)

Le conducteur neutre est considéré comme non chargé.

La section des conducteurs de phases est fonction seulement du courant dans les phases.

La section du conducteur neutre peut être inférieure à la section des phases si la section est supérieure à 16 mm² en Cuivre ou 25 mm² en Aluminium.

La protection du neutre n’est pas nécessaire, sauf si la section du neutre est inférieure à celle des phases.

Taux d’harmonique 3 compris entre 15 et 33 % (15 < i₃i 33 %), ou en l’absence d’information sur le taux d’harmoniques Le conducteur neutre est considéré comme chargé.

Le courant d’emploi des canalisations multipolaires doit être réduit d’un facteur 0,84 (ou inversement : choisir une canalisation dont le courant d’emploi est égal au courant calculé, divisé par 0,84).

La section du neutre doit être impérativement égale à la section des phases.

La protection du neutre n’est pas nécessaire.

c Exemple de calcul dans le cas d’une CEP v Hypothèse de dimensionnement : Courant phase calculé = 1000 A Taux d’harmonique 3 (i₃) = 20 %

Courant neutre calculé (pour i₃ = 20 %) = 600 A (voir figure 25).

Dans ce cas, le calibre de la CEP est déterminé en fonction du courant d’emploi dans les phases (Iph>IN).

Courant d’emploi de la canalisation adaptée = 1190 A (= 1000 A / 0,84).

v Choix de la CEP et des protections Calibre de la canalisation adaptée = 1250 A (1^ercalibre catalogué > 1190 A).

Calibre du disjoncteur de protection = 1250 A (idem calibre de la canalisation).

Le seuil de déclenchement de surcharge de phases et de neutre est réglé pour le courant phase calculé soit 1000 A.

Nota : le facteur 0,84 est donné par la norme NF C 15-100, la CEI 60364-52 préconise un facteur de 0,86.

Taux d’harmonique 3 supérieur à 33 % (i₃ > 33 %)

Ce cas rare correspond à un taux d’harmoniques particulièrement élevé, provoquant la circulation d’un courant dans le neutre supérieur au courant dans les phases. Le dimensionnement du conducteur neutre doit donc être réalisé avec précautions.

Dans le cas général, le courant d’emploi des conducteurs de phases doit être réduit d’un facteur 0,84 (ou inversement : choisir une canalisation dont le courant d’emploi est égal au courant calculé, divisé par 0,84). De plus, le courant d’emploi du conducteur neutre doit être égal à 1,45 fois le courant d’emploi des conducteurs de phases.

Soit 1,45 / 0,84 fois le courant phase calculé, donc environ 1,73 fois le courant phase calculé.

La méthode recommandée consiste à adopter une canalisation multipolaire où la section du neutre est égale à la section des phases. Le courant du conducteur neutre est alors

prépondérant pour la détermination de la section des conducteurs. La protection du neutre n’est pas nécessaire, mais en cas de doute sur le taux de charge du conducteur neutre, sa protection est recommandée.

Cette approche est en particulier adoptée en distribution terminale, où les câbles multipolaires ont des sections identiques pour les phases et le neutre.

Avec les CEP, la connaissance précise des échauffements en fonction des courants harmoniques permet d’aboutir à une approche moins conservatrice. Le calibre d’une CEP peut être choisi directement en fonction du courant neutre calculé.

c Exemple de calcul dans le cas d’une CEP v Hypothèse de dimensionnement : Courant phase calculé = 1000 A Courant neutre calculé

(pour i_h3 = 50 %) = 1300 A (voir figure 25).

Le calibre de la CEP est déterminé en fonction du courant neutre admissible (Iph<IN).

v Choix de la CEP et des protections Calibre de la canalisation adaptée = 1600 A (1^ercalibre catalogué > 1300 A)

Calibre du disjoncteur de protection = 1600 A (idem calibre de la canalisation)

Le seuil de déclenchement de surcharge des phases est réglé pour le courant phase calculé soit 1000 A.

Le neutre est non protégé (disjoncteur en configuration 4P-3D).

Une autre méthode consiste à adopter une section du conducteur neutre supérieure à celle des phases. Une solution communément adoptée pour faire évoluer une installation existante consiste à doubler le conducteur neutre (« neutre à 200 % »). Les appareils de protection et commande (disjoncteur, interrupteurs, contacteurs…) doivent alors être dimensionnés en fonction du courant dans le neutre.

c Dans le cas des câbles unipolaires, il peut être plus économique de choisir des conducteurs de phases de section inférieure à la section du conducteur neutre.

La protection des câbles peut être assurée par un disjoncteur dont le seuil de déclenchement sur le neutre est supérieur et proportionnel au seuil de déclenchement sur les phases (disjoncteur avec neutre renforcé, « oversized neutral »).

Exemple : Disjoncteur de calibre 400 A.

Seuil de déclenchement sur un pôle de phase = 150 à 250 A.

Seuil de déclenchement sur le pôle neutre = 240 à 400 A.

3.8 Harmoniques et Schémas des Liaisons à la Terre

Dans le cas du régime de neutre TNC, un seul conducteur (PEN) assure en principe

l’équipotentialité des masses (la protection) en cas de défaut terre et le transit des courants de déséquilibre.

En réalité, la circulation de courants harmoniques dans ce conducteur pose certains problèmes.

c Au travers de l’impédance du PEN, les courants harmoniques créent de petites différences de potentiel entre appareils (de l’ordre de quelques volts), qui peuvent entraîner des dysfonctionnements de communication entre des équipements électroniques.

c Ces courants « vagabondent » de manière aléatoire et permanente dans les structures du

bâtiment, et perturbent les récepteurs sensibles par rayonnement.

c Le PEN ne peut être protégé contre les surcharges.

c Enfin, la circulation de courants harmoniques dans le neutre entraîne une chute de tension dans le PEN créant des différences de potentiel entre les masses reliées au PEN, ce qui peut présenter un danger.

Le régime de neutre TNC doit donc être réservé à l’alimentation des circuits de puissance, en tête d’installation, et est à proscrire dans le cas de l’alimentation de charges sensibles

(équipements informatiques par exemple) avec circulation de courants harmoniques.

3.9 Comment gérer les harmoniques impactant le neutre

Plusieurs dispositions peuvent être prises pour éliminer ou réduire les effets des courants harmoniques, en particulier de rang 3.

Adaptations de l’installation

Les principales solutions pour éviter la surcharge du conducteur neutre sont les suivantes : c Utiliser un conducteur neutre séparé pour chaque phase. Solution rarement mise en œuvre car peu économique.

c Doubler le conducteur neutre. Le courant dans le neutre ne pouvant pas dépasser 1,73 fois le courant dans chaque phase, ceci est une solution technologique simple dans une installation ancienne.

c Utiliser des canalisations de calibre adapté au courant dans le neutre, qui peut être le courant prépondérant (cf. § 3.5)

Transformateur triangle – étoile Ce couplage est couramment utilisé en distribution, pour éliminer la circulation de courants harmoniques de rang 3 dans les réseaux de distribution et de transport.

A noter que cette élimination n’est totale que si les charges au secondaire sont parfaitement équilibrées. Dans le cas contraire, les courants harmoniques de rang 3 des 3 phases ne sont pas égaux, et ne se compensent pas totalement aux sommets du triangle.

Transformateur à secondaire en zigzag Ce couplage est également utilisé en distribution et présente le même intérêt que le couplage triangle – étoile.

A noter que l’élimination des courants harmoniques de rang 3 n’est totale que si les charges sont parfaitement équilibrées. Dans le cas contraire, les courants harmoniques de rang 3 des trois phases ne sont pas égaux, et la compensation des ampères-tours sur une même

colonne au secondaire n’est pas totale. Un courant harmonique de rang 3 doit donc circuler dans l’enroulement primaire… et dans la ligne d’alimentation.

Réactance à couplage zigzag

Le schéma de principe de cette réactance est illustré sur la figure 29 .

Comme dans le cas d’un transformateur zigzag, on voit aisément sur cette figure que les ampères-tours sur une même colonne s’annulent. Il en résulte que l’impédance parcourue par les courants d’harmonique 3 est très faible (inductance de fuite du bobinage seulement). La réactance zigzag procure donc un chemin de retour de faible impédance aux courants homopolaires, et harmoniques de rang 3 et multiple de 3. Elle réduit donc le courant i_N circulant dans le neutre de l’alimentation, comme illustré figure 30, dans le cas de charges monophasées.

3i₃

Ih

i₃

iN iN'

i₃ i₃

Fig. 29: réactance zigzag.

i_N iN'

t 0

i

Fig. 30: courants neutre i_N avec et i_N’sans utilisation d’une réactance zigzag.

Filtre de rang 3 dans le neutre

Le principe de ce dispositif consiste à placer un circuit bouchon accordé sur l’harmonique 3 en série avec le conducteur neutre (cf. fig. 31).

Sur la figure 32 sont représentées les formes d’ondes obtenues en supposant raccordées entre phases et neutre des charges monophasées du type décrit en 3.1.

La réduction du courant neutre s’accompagne d’une augmentation de la distorsion de tension, mais qui n’est généralement pas préjudiciable au fonctionnement des charges informatiques usuelles.

N Source

ir

is

it

i_N

Charge

Fig. 31: filtre de rang 3 dans le neutre.

Fig. 32: Formes d’ondes : courant ligne [a] et courant neutre [b] sans filtre ; courant ligne [c] et courant neutre [d] avec filtre.

t 0

a - i

t 0

iN

b -

t 0

c - i

t 0

i_N d -

4 Synthèse

Le tableau présenté dans la figure 33 résume les différents cas possibles où le conducteur neutre est présent.

Sn : section du neutre Sph : section des phases

Fig. 33: les différentes situations du conducteur neutre.

TT TN-C TN-S IT

Monophasé P-N

ou ou

(voir nota) Triphasé 3P-N

Sn u Sph

ou

(voir nota) Triphasé 3P-N

Sn < Sph

ou

(voir nota)

N N N N

N

N N N N

N

N N N

N

Nota :

La détection de surintensité dans le neutre est nécessaire, sauf :

c si le conducteur neutre est protégé contre les courts-circuits par un dispositif placé en amont, c ou si le circuit est protégé par un DDR dont le seuil de déclenchement est inférieur ou égal à 0,15 fois le courant admissible dans le conducteur neutre.

N

5 Conclusion

Le Neutre est un conducteur actif, parcouru par des courants de déséquilibre, des courants harmoniques et des courants de défaut.

Il présente temporairement des tensions dangereuses par rapport à la référence de potentiel des installations électriques (terre et PE).

Les normalisateurs se sont fortement préoccupés de savoir s’il fallait ou non : c le protéger,

c le couper, c le sectionner,

ceci en fonction du schéma des liaisons à la terre.

Il en résulte beaucoup de textes normatifs parfois complexes.

Nous retiendrons, en pratique :

c La coupure du neutre est en général imposée (schéma IT et TT) ou fortement conseillée (schéma TN-S).

c Le sectionnement du neutre est un facteur essentiel de sécurité (tous SLT).

c Les appareils de coupure et de sectionnement doivent assurer la coupure omnipolaire des conducteurs actifs.

c En présence de courants harmoniques, il est conseillé de protéger le conducteur neutre, même s’il a la même section que les phases.

Le respect de ces quatre règles, quel que soit le régime du Neutre, permet d’assurer la protection des personnes, des biens et d’éviter les

dysfonctionnements des matériels sensibles.

Le schéma TN-C reste un cas particulier, le PEN ne pouvant être ni coupé ni sectionné.

Annexe 1 : Rappels

Relations liant I

, I

et THD

Par définition : THD=  ^h







∑

2

2

Valeur efficace du courant :

I I I I

l

L=

∑

( )

∑

( )

D’où : I I

I

l Il

L = +  h THD





 = +

∑

1 1

2

2

2

Donc :

I_L=I_l. 1+THD²

Taux de charge du conducteur neutre en fonction du THD

l’harmonique prépondérant, le taux de distorsion est voisin du taux d’harmonique 3. Soit : THD ≈ i₃ (%)

Par ailleurs, comme indiqué en 3.3, pour des charges équilibrées, le courant dans le neutre IN

est très voisin de 3.I3 . Soit:

IN≈ 3.I3 (A)

Que l’on peut exprimer sous la forme : IN≈ 3.i₃.I1≈ 3.THD.I1

En utilisant la formule générale :

I I

l= +

L

THD

1 ²

On obtient :

I I I

. I .

N L N

L

THD

THD

THD THD

≈ + ⇒ ≈

3 +

1

3

2 1 2

Cette formule approchée est valable tant que le résultat est inférieur à e, et pour les faibles valeurs de THD. Le taux de charge du

conducteur neutre varie donc en fonction du taux de distorsion suivant la courbe suivante de la figure 34.

0 20 40 60 80 100

IN / IL

THD (%) 0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Fig. 34: variation du taux de charge du conducteur neutre en fonction du taux de distorsion.

Annexe 2 : Cas particulier des installations BT alimentées par plusieurs sources

Beaucoup d’installations basse tension comportent plusieurs sources : transformateurs ou groupes de secours. L’alimentation par plusieurs sources permet d’accroître la continuité de service, de réaliser des économies sur le contrat souscrit par effacement des pointes de consommation, de fonctionner en co-génération.

Le plus souvent ces sources sont utilisées séparément, mais il peut arriver que plusieurs sources soient couplées pour gagner en puissance et/ou en disponibilité.

Dans tous les cas, que les sources soient couplées ou découplées, des précautions doivent être prises pour assurer un fonctionnement correct des protections de défaut à la terre, et sur ce point la situation du Neutre a une importance particulière.

Le développement qui suit se rapporte à toute installation dans laquelle le Neutre ne serait pas coupé notamment au niveau des disjoncteurs généraux et de couplage. Les deux sources peuvent être deux transformateurs ou un transformateur et un générateur.

Défaut d’isolement et Neutre non coupé

En cas de défaut d’isolement (cf. fig. 35 ), une partie du courant de défaut (Id₁) revient normalement à la source par la terre ou le PE, mais une autre partie (I^d2) peut revenir à la source via la terre et le conducteur de neutre.

Selon la répartition des courants, la protection de la source concernée par le défaut peut ne pas déclencher, son seuil de sensibilité n’étant pas atteint.

Au contraire, la protection de la source non concernée par le défaut peut déclencher si son seuil de sensibilité est atteint.

A noter que le risque de fonctionnement intempestif des protections est le même avec le disjoncteur de couplage ouvert ou fermé.

M Id2

M Id1

Source 1 Source 2

Fig. 35: défaut d’isolement avec Neutre non coupé.