Lorsque vous concevez une protection contre les défauts à la terre (GFP) pour un système de distribution d’électricité, vous devez toujours tenir compte de la nature de la source d’alimentation. Si la source d’alimentation provient d’un système dérivé séparément, vous devez suivre certaines règles et directives pour que la GFP fonctionne correctement et protège le système.

Par le National Electrical Code (NEC), nous savons qu’un groupe électrogène à moteur (gen-set) est un système dérivé séparément. L’effet d’un groupe électrogène et de son commutateur de transfert sur le fonctionnement de l’équipement GFP nécessite une attention particulière, principalement en raison des multiples connexions neutre-terre.

Regardons en détail ce qui est impliqué et voyons comment éviter les pièges des conceptions et des installations incorrectes. Ce qui suit est extrait du « Practical Guide to Ground Fault Protection » de EC&M Books et mis à jour selon les exigences du NEC 2005.

Problèmes du NEC. La section 250.20(B) établit quand le système d’alimentation doit être mis à la terre, tandis que la section 250.20(D) exige la mise à la terre des systèmes dérivés séparément. Cependant, selon le FPN n° 1, lorsque le conducteur neutre d’une source d’alimentation alternative est solidement connecté au système alimenté par le service, cette source d’alimentation alternative n’est pas considérée comme un système dérivé séparément. Qu’est-ce que cela signifie ?

Si une source dérivée distincte répondant aux exigences de 250.20(B) comprend une source d’alimentation alternative dont le conducteur neutre est solidement connecté à celui de la source privilégiée, le neutre de la source alternative est considéré comme étant mis à la terre par le biais de la mise à la terre au niveau de la déconnexion du service de la source privilégiée. En d’autres termes, le neutre d’une source d’alimentation de groupe électrogène sera parfois mis à la terre au niveau du neutre du groupe électrogène, mais pas toujours. (Pour voir ce que vous devez prendre en compte avant de décider quand mettre le neutre à la terre, voir l’encadré « Quand vous devez mettre à la terre et commuter le neutre du générateur » à la page 31 et l’encadré « Quand vous ne devez pas mettre le neutre du générateur à la terre » à la page 32.)

Problèmes liés aux connexions multiples entre le neutre et la terre. Deux problèmes majeurs découlent de ces connexions.

Détection incomplète des défauts à la terre. Considérons un commutateur de transfert à 3 pôles avec un GFP zéro-séquence au service, comme illustré à la figure 1. Supposons qu’un défaut se produise entre l’un des conducteurs de phase et le conduit métallique entourant ces conducteurs. Le courant de défaut à la terre qui en résulte a deux chemins qu’il peut suivre pour retourner au neutre du transformateur.

Le chemin 1 est le retour direct au transformateur le long du conducteur de mise à la terre de l’équipement. Le chemin 2 est le long du conducteur de mise à la terre de l’équipement jusqu’au point où le groupe électrogène est mis à la terre, puis jusqu’au neutre du groupe électrogène, et enfin le long du conducteur neutre pour revenir au neutre du transformateur.

N’oubliez pas qu’un GFP zéro-séquence agit lorsqu’il détecte une valeur prédéterminée de déséquilibre de courant. Ainsi, le courant suivant le chemin 2 passera par le capteur GFP du transformateur comme s’il s’agissait d’un courant de charge normal, et le GFP homopolaire ne détectera que le courant de défaut suivant le chemin 1. Par conséquent, vous auriez une détection incomplète du courant de défaut total.

Déclenchement intempestif. Maintenant, considérez un commutateur de transfert tripolaire et un GFP homopolaire avec une charge déséquilibrée, comme le montre la figure 2. Là encore, le courant déséquilibré dans le neutre a deux chemins à suivre. Le chemin 1 mène directement au neutre de service. Le chemin 2 est vers le neutre du générateur, à travers l’électrode de mise à la terre du générateur et – en passant par les boîtiers d’équipement métalliques, les conduits, les raccords, etc… – de retour au neutre de service.

Le courant à travers le chemin 2 aurait le même effet sur le capteur de défaut à la terre que le courant de défaut à la terre. Par conséquent, une charge déséquilibrée affecterait la sensibilité du capteur GFP et pourrait l’amener à déclencher le disjoncteur même si un défaut ou un courant de court-circuit n’existe pas.

Le problème avec les deux connexions GFP discutées ci-dessus est que les neutres du transformateur et du groupe électrogène sont liés ensemble dans le commutateur de transfert. Il existe trois solutions possibles pour surmonter les problèmes susmentionnés.

Solution 1 : commutateur de transfert à 4 pôles. Ce type de commutateur de transfert fournit une isolation complète des conducteurs neutres du service et du générateur, éliminant ainsi à la fois la détection incorrecte et les déclenchements intempestifs causés par de multiples connexions neutre-terre. La figure 3 montre comment le commutateur de transfert à 4 pôles assure l’isolation en cas de défaut à la terre. Comme vous pouvez le voir, il n’y a qu’un seul moyen pour le courant de défaut de retourner au neutre du transformateur. Les neutres étant ainsi isolés, vous pouvez ajouter un GFP conventionnel à la sortie du générateur.

Faites attention ici car cela peut causer d’autres problèmes. Lorsque le commutateur de transfert interrompt la charge d’une source, les courants dans les lignes individuelles et le neutre peuvent ne pas tous s’effacer au même instant. Il est possible que le courant dans le conducteur neutre, qui est généralement inférieur aux courants de ligne, s’élimine en premier. Ainsi, le commutateur de transfert peut connecter momentanément la charge à une source d’alimentation avec le neutre déconnecté. Si la charge est déséquilibrée, des tensions anormales peuvent apparaître sur chaque phase de la charge pendant une durée pouvant atteindre 10 millisecondes. En même temps, les charges inductives pourraient provoquer des tensions transitoires élevées supplémentaires dans la gamme des microsecondes.

Solution 2 : Isolation par un transformateur triangle-étoile. Si vous avez une charge critique triphasée à 4 fils qui est relativement petite par rapport au reste de la charge non critique, vous pouvez utiliser un transformateur d’isolement du côté de la charge du commutateur de transfert (figure 4). Cela nécessite que les deux sources d’alimentation côté ligne du commutateur de transfert soient triphasées, à 3 fils.

Un déséquilibre de la charge critique n’aura aucun effet sur le GFP au niveau du service entrant. De plus, les courants de défaut à la terre ne seraient pas transmis par le transformateur triangle-étoile. De plus, le dispositif de protection primaire « voit » toute augmentation du courant primaire due aux défauts à la terre simplement comme une surcharge.

Il y a deux éléments à noter avec cette solution. Premièrement, elle ne fournit pas de protection contre les défauts à la terre sur le côté secondaire du transformateur d’isolement. Deuxièmement, parce que le commutateur de transfert n’est pas situé directement en amont de la charge, il ne fournit pas de protection de l’alimentation de secours en cas de défaillance du transformateur d’isolement.

Sur le plan des coûts, vous devrez évaluer l’économie de l’alimentation d’un commutateur de transfert standard à 3 pôles avec un petit transformateur d’isolement par rapport à d’autres approches. Il se peut que le coût du transformateur d’isolement soit inférieur au coût supplémentaire d’un commutateur de transfert modifié. Vous devrez également tenir compte des économies résultant d’une installation minimale de conducteurs neutres. Dans des applications telles que les hôpitaux et les bâtiments commerciaux, la charge d’éclairage à 4 fils représente généralement un pourcentage substantiel de la charge essentielle totale. Par conséquent, l’ajout d’un transformateur dans de tels cas est rarement faisable économiquement.

Solution 3 : commutateur de transfert avec des contacts neutres chevauchants. Il existe des commutateurs de transfert qui permettent le chevauchement des contacts de transfert de neutre. Cela permet de connecter les neutres des sources d’alimentation normale et de secours, mais uniquement pendant la période de transfert. Avec un commutateur de transfert conventionnel à solénoïde et à deux positions, le temps pendant lequel les neutres sont connectés peut être inférieur au temps de fonctionnement du capteur de défaut de terre, qui est généralement réglé n’importe où entre six et 24 cycles.

La figure 5 montre un système typique utilisant un commutateur de transfert tripolaire avec des contacts se chevauchant pour isoler les conducteurs neutres. Il n’y a pas de flux possible de courant de défaut à travers le conducteur neutre qui pourrait détourner ou réduire efficacement la détection des défauts à la terre. En outre, il n’y a pas de circulation possible d’un courant déséquilibré à travers le neutre du générateur pour modifier la prise du capteur de défaut à la terre et éventuellement provoquer des déclenchements intempestifs.

Le neutre de la charge est toujours connecté à l’une ou l’autre des sources d’alimentation. Comme il n’y a pas d’ouverture momentanée du conducteur neutre lorsque le commutateur de transfert fonctionne, les tensions anormales et transitoires sont réduites au minimum. De plus, il n’y a pas d’érosion des contacts superposés due à la formation d’un arc. Cela garantit l’intégrité du transport du courant et n’augmente pas l’impédance du circuit neutre. Comme les contacts chevauchants ne sont pas nécessaires pour interrompre le courant, le coût de l’ajout de tels contacts à un commutateur de transfert est généralement inférieur à celui de l’ajout d’un quatrième pôle.

Il y a plus d’un inconvénient à cette solution, axée principalement sur la mise à niveau des commutateurs de transfert existants. Tout d’abord, il peut être difficile d’adapter les contacts chevauchants aux ensembles de commutateurs de transfert comportant des disjoncteurs à boîtier moulé verrouillés en raison des configurations mécaniques relativement fixes de ces unités. En outre, leur temps de transfert de fonctionnement plus lent pourrait devenir un facteur limitatif. Enfin, il se peut qu’il n’y ait pas assez d’espace dans la cabine abritant un commutateur de transfert conventionnel pour un ensemble de contacts à recouvrement, ou que le mécanisme de fonctionnement du transfert soit inadéquat. Cela dit, la mise à niveau des contacts neutres chevauchants sur un commutateur de transfert existant s’est avérée économiquement faisable dans certaines applications Donc, n’écartez pas cette solution comme une possibilité de mise à niveau sans au moins faire une analyse concertée.

Le traitement des courants de défaut à la terre avec des systèmes dérivés séparément dépend beaucoup de l’application, de la configuration du système, et évidemment des coûts associés. En outre, pour réduire l’ampleur du courant de défaut, il existe des systèmes de mise à la terre par résistance qui sont emballés avec une résistance de mise à la terre, un sectionneur, un dispositif de détection et des commandes. En outre, si le neutre n’est pas disponible, l’ensemble peut inclure une banque de transformateurs dérivant le neutre.

Intérêt de l’industrie pour le GFP. L’intérêt pour le GFP n’a pas diminué au cours des différents cycles du Code. En fait, les entrepreneurs en électricité, le personnel d’entretien électrique des installations de l’usine et les ingénieurs électriciens ont tous demandé des informations plus complètes et plus concises sur le sujet. La valeur monétaire de la perte d’équipement, du temps d’arrêt de production et de la responsabilité personnelle associée à l’arc de défaut à la terre peut être stupéfiante.

En dépit de l’application efficace et compétente des dispositifs de surintensité conventionnels, le problème des défauts à la terre continue d’exister. Ainsi, dans l’intérêt de la sécurité, la conception des systèmes électriques doit également tenir compte de la protection contre les défauts à la terre. Cela exige une compréhension approfondie et détaillée de la nature large et complexe de la circulation du courant de défaut dans les systèmes électriques.

Encadré : Quand vous devez mettre à la terre et commuter le neutre du générateur

Lorsque le service relève des exigences de 230.95, vous devez mettre à la terre le neutre à chaque source, et le commuter là où le Code exige une coordination de détection des défauts à la terre. Lorsque la puissance du service est égale ou supérieure à 1 000 A (833 kVA), 230.95 exige une protection contre les défauts à la terre sur le sectionneur de service. Mais qu’en est-il si votre charge est suffisamment importante pour justifier une source d’alimentation alternative et un commutateur de transfert ? Dans ce cas, vous voudrez peut-être étendre le schéma de protection contre les défauts à la terre à une protection de circuit de dérivation de deuxième niveau, conformément à 230.95(C), FPN n°2.

Lorsque le NEC exige une protection contre les défauts à la terre – et que vous disposez d’une alimentation alternative – vous devez commuter le neutre. Si vous avez un service supérieur à 1 000 A, le NEC exige une protection contre les défauts à la terre au niveau du sectionnement du service principal. Si la mise à la terre du neutre du groupe électrogène passe par une connexion solide au neutre du service principal et que le groupe électrogène subit un défaut à la terre pendant qu’il alimente la charge, le déconnecteur du service principal s’ouvrira. Cela ne déconnectera pas le défaut d’arc du générateur, et la coordination sera perdue.

Si les neutres des deux sources sont mis à la terre séparément, vous devez commuter le conducteur neutre de la charge vers la source alimentant la charge, conformément à 230.95(C), FPN n° 3. Le courant de défaut à la terre retournera uniquement à la source d’où il provient, ce qui permet de coordonner le schéma de protection contre les défauts à la terre.

Il n’est pas toujours nécessaire de mettre séparément à la terre le conducteur neutre du générateur. Cependant, si vous le faites, vous pouvez avoir besoin de commuter un neutre de charge avec ses conducteurs de phase lors du transfert des charges entre les sources d’alimentation, en particulier lorsque vous utilisez une protection contre les défauts à la terre. Le NEC exige une protection contre les défauts à la terre pour les services 480/277 V, triphasés, à 4 fils, connectés en étoile, d’une valeur nominale de 1 000 A ou plus, mais elle est facultative dans d’autres configurations qui n’incluent pas de protection contre les défauts à la terre. Cependant, lorsqu’un conducteur neutre de circuit de dérivation transfère entre les sources, le moyen de commutation doit assurer que le contact de commutation du conducteur neutre n’interrompt pas le courant.

Quand vous ne devez pas mettre à la terre le neutre du générateur

Parmi les raisons de ne pas mettre à la terre séparément un neutre de générateur, il y a le fait que le NEC n’exige pas de détection de défaut à la terre. En général, une connexion solide du neutre du groupe électrogène au neutre de service préféré empêchera de mettre séparément à la terre le neutre du groupe électrogène.

Maintenant, il est possible de mettre à la terre les neutres de source du groupe électrogène des systèmes d’alimentation qui ne relèvent pas de l’article 250.20(B) en les connectant au neutre de service de source préféré. Par conséquent, pour les systèmes électriques 480/277V, triphasés, à 4 fils, connectés en étoile et dont la valeur nominale est inférieure à 1 000 A (833 kVA), vous pouvez connecter le conducteur neutre du générateur directement au neutre de service préféré. Vous pouvez également connecter le conducteur neutre du groupe électrogène directement au neutre de service préféré pour tous les systèmes électriques 208/120V, triphasés, à 4 fils, connectés en étoile.

Avec les pénuries d’électricité et le télétravail en hausse, le nombre de résidences équipées de groupes électrogènes de secours augmente également. La broche de terre de ces prises est reliée au cadre du groupe électrogène, qui est relié au point neutre de l’enroulement du groupe électrogène. Par conséquent, tout défaut ou passage de courant involontaire entre le cadre et un conducteur de phase entraînera la déconnexion du réceptacle. Lorsque le câblage des locaux est connecté au générateur, le neutre devient effectivement mis à la terre lorsque les conducteurs neutres sont connectés.

Si le service est 480/277V, triphasé, 4 fils, connecté en étoile – et que le générateur est installé de façon permanente – vous pouvez éliminer le besoin de commutation du neutre. Si vous limitez un tel service à moins de 833kVA, vous pouvez solidement connecter le neutre du générateur au neutre du service – le cavalier de liaison entre le neutre du tableau de service principal et le bus de terre met à la terre le neutre du service.