Sélectivité et coordination des protections

Prérequis

Connaissance des principes fondamentaux de l'électricité (tension, courant, puissance, impédance), des différents types de régimes de neutre et des bases du fonctionnement des dispositifs de protection (disjoncteurs, fusibles, dispositifs différentiels).

Explication théorique

LA SÉLECTIVITÉ DES PROTECTIONS : La sélectivité est la capacité d'un système de protection à ne déclencher que le dispositif de protection situé immédiatement en amont du défaut, laissant ainsi le reste de l'installation sous tension. L'objectif est de minimiser la zone impactée par un défaut, garantissant ainsi une meilleure continuité de service. TYPES DE SÉLECTIVITÉ : - SÉLECTIVITÉ AMPÉROMÉTRIQUE (OU PAR LE COURANT) : C'est la forme la plus simple de sélectivité. Elle consiste à étager les seuils de déclenchement magnétiques (pour les courts-circuits instantanés) et/ou thermiques (pour les surcharges) des disjoncteurs. Le seuil de courant du protecteur en aval doit être significativement inférieur à celui du protecteur en amont. Pour les disjoncteurs magnétiques, un rapport de 1,5 à 2 entre les seuils est souvent un minimum recommandé. Cependant, les courbes de déclenchement doivent être comparées pour s'assurer que les zones de non-déclenchement des disjoncteurs amont ne se chevauchent pas avec les zones de déclenchement des disjoncteurs aval. - SÉLECTIVITÉ CHRONOMÉTRIQUE (OU PAR LE TEMPS) : Elle s'applique aux dispositifs de protection réglables. Elle consiste à introduire un retard intentionnel dans le déclenchement des protecteurs en amont par rapport à ceux en aval. En cas de défaut, le protecteur le plus proche du défaut (en aval) doit être le premier à réagir. Si celui-ci ne réagit pas (panne du protecteur, défaut trop important), le protecteur en amont déclenchera après un certain délai. Les courbes temps/courant doivent être bien espacées dans le temps pour éviter tout déclenchement intempestif des protecteurs amont. Les seuils instantanés des disjoncteurs amont peuvent être réglés pour être supérieurs aux courants de court-circuit maximaux possibles à l'aval immédiat de l'appareil de protection aval. - SÉLECTIVITÉ ÉNERGÉTIQUE (OU TOTALE) : C'est la forme la plus aboutie, qui s'applique principalement aux disjoncteurs de puissance et aux fusibles. Elle repose sur la capacité du dispositif de protection en amont à ne pas laisser passer une énergie de court-circuit supérieure à l'énergie supportée par le dispositif aval. Elle est basée sur la comparaison des valeurs d'énergie traversante (I²t) ou des caractéristiques courant/temps des dispositifs. Les constructeurs fournissent souvent des tableaux de coordination pour leurs propres gammes de produits. Un disjoncteur dit 'limiteur' peut être utilisé pour améliorer la sélectivité énergétique. - SÉLECTIVITÉ ZONALE : Utilisée dans les installations complexes, elle implique une communication entre les disjoncteurs pour déterminer l'emplacement exact du défaut. Dès qu'un défaut est détecté par un disjoncteur aval, il en informe le disjoncteur amont qui retarde son déclenchement. Cette méthode permet une sélectivité totale sans retard excessif. LA COORDINATION DES PROTECTIONS : La coordination des protections vise à garantir que tous les dispositifs de protection (disjoncteurs, fusibles, différentiels) fonctionnent de concert pour assurer une protection efficace de l'installation et des personnes. Elle comprend la sélectivité mais aussi d'autres aspects comme le filiation et la protection des personnes. - COORDINATION POUR LA PROTECTION CONTRE LES SURCHARGES : Les dispositifs de protection contre les surcharges (thermales des disjoncteurs, fusibles gG) doivent être dimensionnés pour protéger les câbles et les récepteurs contre les échauffements excessifs dus à des surintensités prolongées. La caractéristique de déclenchement (courbe thermique) doit être inférieure à la capacité de surcharge du câble et du récepteur. - COORDINATION POUR LA PROTECTION CONTRE LES COURTS-CIRCUITS : Les dispositifs de protection contre les courts-circuits (magnétiques des disjoncteurs, fusibles aM ou gG) doivent interrompre rapidement les courants de défaut élevés. Leur pouvoir de coupure (Icu ou Icn) doit être supérieur au courant de court-circuit présumé au point d'installation. La coordination doit s'assurer que l'énergie traversante n'endommage pas les conducteurs ou les autres équipements. - FILIATION (OU CASCADE) : La filiation permet l'utilisation de dispositifs de protection de pouvoir de coupure inférieur à celui requis par le courant de court-circuit présumé au point d'installation, à condition qu'un dispositif de protection de pouvoir de coupure plus élevé soit installé en amont. Le dispositif amont 'assiste' le dispositif aval en limitant l'énergie de court-circuit qu'il doit interrompre. C'est une technique d'optimisation économique mais qui doit être validée par le constructeur. Elle annule généralement la sélectivité entre les appareils coordonnés par filiation. - COORDINATION DES DISPOSITIFS DIFFÉRENTIELS (DDR) : La sélectivité des DDR est primordiale pour la sécurité des personnes et la continuité de service. Elle peut être de type chronométrique (DDR 'S' ou 'Si' en amont et DDR instantanés en aval) ou ampérométrique (seuils de déclenchement différents, par exemple 300 mA en amont et 30 mA en aval). Les DDR de type S (sélectif) ou Si (immunisé sélectif) ont un retard intentionnel au déclenchement, permettant aux DDR instantanés ou de type A/AC/F en aval de déclencher en premier en cas de défaut. Les seuils de déclenchement doivent également être étagés pour les défauts phase-terre.

Formules

• I_{th} \le I_z

  Le courant nominal du dispositif de protection thermique (Ith) doit être inférieur ou égal au courant admissible du conducteur (Iz) pour la protection contre les surcharges.

• I_{kmax} < I_{cu}

  Le courant de court-circuit maximal présumé au point d'installation (Ikmax) doit être inférieur au pouvoir de coupure ultime (Icu) du disjoncteur pour la protection contre les courts-circuits.

• I_p = K \times I_n

  Le seuil de déclenchement magnétique instantané (Ip) d'un disjoncteur est souvent un multiple (K) de son courant nominal (In).

• I_{DDR~amont} > I_{DDR~aval}

  Pour la sélectivité ampérométrique des différentiels, le seuil de déclenchement du DDR en amont (I_DDR_amont) doit être supérieur à celui du DDR en aval (I_DDR_aval).

• t_{DDR~amont} > t_{DDR~aval}

  Pour la sélectivité chronométrique des différentiels, le temps de déclenchement du DDR en amont (t_DDR_amont) doit être supérieur à celui du DDR en aval (t_DDR_aval).

Variables et unités SI

Exemples industriels

EXEMPLE DE CALCUL DE SÉLECTIVITÉ AMPÉROMÉTRIQUE ET CHRONOMÉTRIQUE : Hypothèses : - Installation triphasée 400V entre phases. - Le courant de court-circuit maximal à l'extrémité du circuit départs est estimé à 10 kA. - Le courant de court-circuit maximal à l'extrémité du circuit en aval du disjoncteur général est estimé à 25 kA. Données des disjoncteurs : - Disjoncteur Général (DG) : Disjoncteur de Boîtier Moulé (DBM), In = 250 A, Réglage thermique Ir = 250 A, Réglage magnétique Im = 10 x Ir (2500 A), Réglage de court-circuit retardé Isd = 6 x Ir (1500 A) avec un retard td = 0.2 s. Pouvoir de coupure Icu = 50 kA. - Disjoncteur Départ 1 (D1) : Disjoncteur magnéto-thermique, In = 63 A, Réglage thermique Ir = 63 A, Réglage magnétique Im = 10 x In (630 A). Pouvoir de coupure Icn = 15 kA. Calculs étape par étape : 1. Vérification des pouvoirs de coupure : - Pour D1 : Icn = 15 kA > Ikmax_D1 = 10 kA. OK. - Pour DG : Icu = 50 kA > Ikmax_DG = 25 kA. OK. 2. Sélectivité thermique (surcharge) : - Le réglage thermique du DG (Ir = 250 A) est supérieur à celui de D1 (Ir = 63 A). En cas de surcharge sur le circuit D1, le disjoncteur D1 déclenchera en premier si la surcharge est suffisamment prolongée et si les courbes thermiques sont bien étagées. Les courbes thermiques doivent être comparées pour confirmer cette sélectivité, mais un étagement des courants nominaux (63A vs 250A) est une première indication favorable. 3. Sélectivité ampérométrique (courts-circuits instantanés) : - Le seuil de déclenchement magnétique instantané de D1 est Im_D1 = 630 A. - Le seuil de déclenchement magnétique instantané du DG est Im_DG = 2500 A. - En cas de court-circuit sur le circuit D1, si le courant de court-circuit est inférieur à 2500 A mais supérieur à 630 A, seul D1 doit déclencher. Cela assure une sélectivité partielle. Cependant, si le courant de court-circuit dépasse 2500 A, les deux disjoncteurs pourraient déclencher en instantané sans sélectivité. - Pour une sélectivité complète pour les courts-circuits, il faut introduire la sélectivité chronométrique. 4. Sélectivité chronométrique (courts-circuits retardés) : - Le disjoncteur D1 est instantané pour les courts-circuits (Im = 630 A, pas de retard). - Le disjoncteur DG a un réglage de court-circuit retardé Isd = 1500 A avec un retard td = 0.2 s. Son déclenchement instantané (Im) est réglé à 2500 A. - Si un court-circuit se produit sur le circuit D1, et que le courant est supérieur à 630 A mais inférieur à 2500 A : - D1 déclenchera instantanément (en général en quelques millisecondes). - DG, s'il voit ce courant (par exemple, 1800 A), ne déclenchera pas en instantané car 1800 A < 2500 A. Il déclenchera sur son seuil de court-circuit retardé Isd = 1500 A, mais seulement après 0.2 s. Puisque D1 déclenche en quelques ms, la sélectivité est assurée. - Si le courant de court-circuit est très élevé, par exemple 2800 A (hypothèse de court-circuit à l'arrivée D1) : - D1 déclenchera instantanément (2800 A > 630 A). - DG verra aussi ce courant. Comme 2800 A est supérieur à son seuil instantané Im = 2500 A, DG déclenchera également instantanément. Il n'y aura pas de sélectivité complète. 5. Amélioration de la sélectivité : - Pour améliorer la sélectivité pour les très forts courants de court-circuit, il faudrait que le seuil instantané du DG soit supérieur au courant de court-circuit maximal possible à l'aval immédiat de D1. Ou bien, utiliser la sélectivité énergétique ou zonale si les équipements le permettent. Dans notre cas, avec des seuils magnétiques instantanés fixes (x In), la sélectivité peut être difficile à obtenir pour les courts-circuits très importants. Une solution serait d'utiliser un DG dont le seuil instantané est réglable à un niveau très élevé ou inhibé, et de compter sur son réglage de court-circuit retardé (Isd) pour assurer la sélectivité, tout en s'assurant que D1 est capable de couper ce courant sans l'aide du DG en instantané. Application industrielle concrète : La sélectivité et la coordination sont cruciales dans une usine de production. Imaginez une ligne de production automatisée. Si un court-circuit se produit sur un moteur d'une machine spécifique, une bonne sélectivité garantit que seul le disjoncteur protégeant ce moteur déclenche. Le reste de la ligne de production et l'ensemble de l'usine restent sous tension et continuent de fonctionner. Sans sélectivité, le défaut sur un petit moteur pourrait entraîner le déclenchement du disjoncteur général de l'atelier, voire de l'usine, arrêtant toute la production et engendrant des pertes financières importantes. De plus, la coordination avec les dispositifs différentiels garantit qu'un défaut d'isolement sur une machine n'entraîne pas la coupure de l'alimentation de l'ensemble de l'atelier, protégeant ainsi les opérateurs tout en limitant l'interruption des opérations. La conception du réseau, le choix des appareils de protection et leurs réglages doivent donc être étudiés minutieusement dès la phase de conception de l'installation et vérifiés lors des mises en service.

Méthode de mesure

1. Collecte des données de l'installation : schémas électriques, calibres des câbles, impédances de ligne, points de court-circuit calculés. 2. Relevé des caractéristiques techniques des dispositifs de protection installés : courbes de déclenchement (courant-temps), seuils de déclenchement (thermiques, magnétiques, différentiels), retards, pouvoirs de coupure. 3. Représentation graphique : tracer les courbes de déclenchement des protections sur un même graphique logarithmique (courant en abscisse, temps en ordonnée) pour chaque niveau de l'arborescence électrique (amont/aval). 4. Analyse des superpositions et des écarts : vérifier que les courbes des protections aval passent sous celles des protections amont avec une marge suffisante (non-intersection des zones de déclenchement). 5. Vérification des seuils de courant de court-circuit : s'assurer que les seuils instantanés ou retardés des protections amont sont supérieurs aux courants de court-circuit maximaux à l'aval de la protection aval correspondante, ou que les temps de déclenchement sont correctement étagés. 6. Vérification de la sélectivité différentielle : s'assurer de l'étagement des seuils et/ou des temps de déclenchement entre les DDR amont et aval.

Instruments nécessaires

Logiciel de calcul de réseau électrique (pour les courants de court-circuit, chutes de tension), outil de simulation de courbes de déclenchement (souvent intégré aux logiciels de conception électrique), documentation technique des constructeurs (courbes de déclenchement, tableaux de filiation/sélectivité), ampèremètre (pour vérification des charges), multimètre (pour contrôles de continuité et d'isolement).

Procédure de contrôle

1. Effectuer une revue des documents de conception et des fiches techniques des protections. 2. Réaliser des calculs de courant de court-circuit aux points clés de l'installation. 3. Comparer les courbes de déclenchement des protections amont et aval (par paire) sur un logiciel ou un graphique. 4. Vérifier visuellement l'absence de chevauchement des zones de déclenchement non souhaitées. 5. En cas de non-sélectivité avérée, ajuster les réglages des protections ou envisager le remplacement des appareils (si réglages non possibles ou insuffisants), en respectant les recommandations constructeurs et la norme d'installation applicable (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable).

Symptômes de panne

- Déclenchement simultané de plusieurs dispositifs de protection (amont et aval) pour un défaut unique. - Déclenchement d'un dispositif de protection amont (général) alors que le défaut est localisé en aval sur un circuit spécifique. - Déclenchement intempestif de protections sans défaut apparent, souvent lié à des problèmes de coordination des différentiels ou à des seuils magnétiques trop bas pour les courants d'enclenchement de certains récepteurs. - Dommages matériels (câbles, équipements) malgré l'intervention des protections, indiquant une énergie de coupure trop élevée ou un temps de coupure trop long.

Causes probables

- Erreur de dimensionnement des protections (calibres, pouvoirs de coupure). - Réglages incorrects des seuils ou des retards des disjoncteurs réglables. - Mauvaise interprétation ou absence de prise en compte des courbes de déclenchement des protecteurs. - Non-respect des règles de coordination ou de filiation préconisées par les constructeurs. - Vieillissement ou défaillance d'un dispositif de protection qui ne déclenche pas dans le temps ou au seuil attendu. - Modifications de l'installation non accompagnées d'une révision du plan de protection.

Erreurs fréquentes

- Oublier de vérifier la sélectivité pour tous les types de défauts (surcharge, court-circuit, défaut différentiel). - Ne considérer que la sélectivité ampérométrique sans vérifier la chronométrique pour les forts courants de court-circuit. - Utiliser des protections de constructeurs différents sans vérifier leur compatibilité de coordination via des essais ou des abaques fiables. - Ignorer l'impact des courants d'enclenchement (moteurs, transformateurs) sur les seuils magnétiques instantanés. - Ne pas mettre à jour le plan de protection après des modifications significatives de l'installation. - Utiliser des dispositifs de protection avec un pouvoir de coupure insuffisant pour le courant de court-circuit présumé.

Précautions de sécurité

- CONSIGNATION : Avant toute intervention sur un circuit électrique, procéder à la consignation complète (séparation, condamnation, vérification d'absence de tension) conformément aux procédures internes et normatives (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable). - ÉQUIPEMENTS DE PROTECTION INDIVIDUELLE (EPI) : Port des gants isolants, lunettes de protection, vêtements de travail ignifugés, casque de sécurité, chaussures de sécurité, adaptés aux risques électriques et mécaniques. - HABILITATION : Seul le personnel habilité pour les opérations électriques spécifiques est autorisé à intervenir sur l'installation. - ANALYSE DES RISQUES : Réaliser une analyse des risques avant chaque intervention, notamment pour les risques d'arc électrique et de choc électrique. - VÉRIFICATION : Toujours vérifier l'absence de tension avant de toucher les conducteurs, même si l'installation a été consignée.

Références

• Normes d'installation électrique (ex: série NF C 15-100 en France, série IEC 60364 à l'international) — référence à vérifier
• Guides techniques des fabricants de dispositifs de protection (tableaux de coordination, courbes de déclenchement) — référence à vérifier
• Ouvrages de référence en électrotechnique industrielle — référence à vérifier

Questions fréquentes

• Quelle est la différence entre sélectivité et filiation (ou cascade) ?

  La sélectivité vise à isoler uniquement la partie défaillante d'un réseau en laissant les protecteurs amont en service, garantissant ainsi une continuité de service maximale. La filiation, elle, permet d'utiliser un protecteur aval dont le pouvoir de coupure est inférieur au courant de court-circuit présumé à son point d'installation, en comptant sur un protecteur amont de plus fort pouvoir de coupure pour 'assister' le protecteur aval en limitant l'énergie de court-circuit. La filiation est une solution économique qui sacrifie généralement la sélectivité entre les appareils concernés.

• Pourquoi la sélectivité différentielle est-elle importante ?

  La sélectivité différentielle est cruciale pour la protection des personnes et la continuité de service. En cas de défaut d'isolement (défaut à la terre), seule la protection différentielle la plus proche du défaut doit déclencher, évitant ainsi le déclenchement de protections différentielles amont qui couperaient l'alimentation d'une partie plus importante de l'installation, voire de l'ensemble, sans nécessité. Cela minimise les interruptions de production et les désagréments.

• Comment améliorer la sélectivité pour les très forts courants de court-circuit ?

  Pour les très forts courants de court-circuit, la sélectivité ampérométrique peut être difficile à réaliser seule. Les méthodes incluent l'utilisation de disjoncteurs avec des réglages de seuils instantanés très élevés ou inhibés, combinés à des réglages de courts-circuits retardés (sélectivité chronométrique). La sélectivité énergétique, basée sur la comparaison des énergies traversantes, ou la sélectivité zonale, qui implique une communication entre les disjoncteurs, sont également des solutions efficaces, mais nécessitent des équipements spécifiques.