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Le bus de terre à l'intérieur d'un appareillage de commutation sous enveloppe métallique est plus qu'un conducteur passif. Il détermine si le personnel survit aux défauts de mise à la terre, si les relais de protection fonctionnent correctement pendant les transitoires de commutation et si l'équipement passe les tests de type. Une mauvaise conception crée des risques qui restent cachés jusqu'à ce qu'une défaillance se produise.
Ce guide traite de la conception pratique des bus de terre pour les appareillages de commutation moyenne tension, depuis les calculs de dimensionnement et la sélection de la topologie de liaison jusqu'à l'immunité EMI et les tests de vérification sur le terrain.
Un bus de terre d'appareillage de commutation correctement conçu remplit trois fonctions simultanées. La négligence de l'une d'entre elles entraîne des risques pour la sécurité ou des défaillances opérationnelles.
Chemin de retour du courant de défaut. Lorsque des défauts phase-terre se produisent, le courant doit retourner au neutre du transformateur source. Le bus de terre fournit ce chemin à faible impédance. Une capacité insuffisante prolonge le temps d'élimination du défaut car les relais de protection voient l'ampleur du courant réduite. Un ensemble de 31,5 kA nécessite une impédance du bus de terre suffisamment faible pour que le relais soit pris en compte dans les premiers cycles.
Liaison équipotentielle. Chaque surface conductrice qu'un technicien pourrait toucher - panneaux d'enceinte, poignées de porte, mécanismes de fonctionnement, boîtiers de transformateurs d'instruments - est reliée au bus de terre. Cela permet de s'assurer que toutes les surfaces atteignent le même potentiel en cas de défaillance. En l'absence d'une liaison correcte, un panneau peut se trouver à 500 V au-dessus d'un autre panneau situé à quelques centimètres de distance. Un technicien qui franchit ce fossé reçoit la totalité de la tension.
Plan de référence CEM. Les appareillages de commutation modernes contiennent des relais de protection à microprocesseur, des compteurs numériques et des interfaces de communication. Ces composants électroniques ont besoin d'une référence de tension stable. Disjoncteurs à vide génèrent des transitoires particulièrement intenses pendant les temps d'interruption et de montée du courant inférieurs à 200 nanosecondes. En l'absence d'une géométrie appropriée du bus de terre, ces transitoires se couplent aux circuits secondaires et provoquent un mauvais fonctionnement des relais.
Le bus de terre doit remplir ces trois fonctions simultanément. Une conception optimisée pour le seul courant de défaut peut ne pas satisfaire aux exigences de la CEM.
Le dimensionnement des bus de terre suit les principes de résistance thermique. Le conducteur doit absorber l'énergie du défaut sans dépasser les limites de température qui endommagent l'isolation ou affaiblissent les joints mécaniques.
L'équation adiabatique
Pour les défauts de courte durée, la dissipation de chaleur est négligeable. La formule adiabatique régit la section transversale minimale :
A = (I × √t) / k
Où : A = section minimale (mm²), I = courant de défaut (A), t = durée (s), k = constante du matériau
Constantes de matériau pour les conducteurs courants : cuivre k = 226, aluminium k = 148 (pour une température initiale de 30°C à une température finale de 250°C).
Exemple pratique de dimensionnement
Pour un courant de défaut de 31,5 kA avec un dégagement d'une seconde en utilisant du cuivre :
A = (31 500 × √1) / 226 = 139 mm².
La pratique courante ajoute une marge. La plupart des tableaux de 36 kV utilisent des barres de cuivre de 40 mm × 5 mm (200 mm²).
| Paramètre | Cuivre | Aluminium |
|---|---|---|
| Conductivité (% IACS) | 100 | 61 |
| Facteur k (adiabatique) | 226 | 148 |
| Densité (kg/m³) | 8,940 | 2,700 |
| Coût relatif | 1.0 | 0.35-0.45 |
Les bus de terre en aluminium nécessitent une section environ 1,5 fois plus grande que celle du cuivre pour des performances thermiques équivalentes.
[Regard d'expert : dimensionnement des bus de terre]
- Les mesures effectuées sur le terrain dans plus de 40 sous-stations montrent que les durées réelles des défauts sont généralement comprises entre 60 et 150 ms avec une protection moderne, ce qui est bien inférieur à la base de conception de 1 seconde.
- Spécifier une résistance de 1 seconde pour la coordination de la protection de secours ; 3 secondes uniquement lorsque les normes d'interconnexion des services publics l'exigent.
- L'augmentation de la température des joints dépasse souvent la température à mi-portée de 15 à 25°C en raison de la résistance de contact - dimensionner les joints de manière conservatrice.
Le choix de la topologie de mise à la terre dépend de la fréquence et des dimensions physiques. Un mauvais choix crée soit des courants de circulation, soit des performances inadéquates à haute fréquence.
Mise à la terre en un point
Toutes les liaisons convergent en un seul endroit sur le bus de terre. Cela permet d'éviter la circulation des courants de terre à la fréquence du réseau (50/60 Hz). Appliquer la mise à la terre en un seul point lorsque :
Mise à la terre multipoints
Des liaisons multiples relient les sections de l'enceinte au bus de terre en plusieurs endroits. Cette approche permet de réduire l'impédance à haute fréquence et d'améliorer les performances en matière de compatibilité électromagnétique. Moderne ensembles d'appareillage de connexion avec relais de protection intégrés nécessitent généralement une liaison multipoint.
Le seuil de fréquence
La transition se produit lorsque la longueur du conducteur approche 1/20 de la longueur d'onde. Pour les transitoires de commutation avec un contenu de 1 MHz :
λ = c/f = 3×10⁸ / 10⁶ = 300 m
À 1/20 de longueur d'onde (15 m), une mise à la terre multipoint devient nécessaire.
| Demande | Topologie recommandée | Justification |
|---|---|---|
| Anciens relais électromécaniques | Point unique | Évite les courants de circulation 50/60 Hz |
| Relais de protection à microprocesseur | Multi-points | Fournit un plan de référence HF |
| Commutation de batteries de condensateurs | Multi-points | Contenu à haute fréquence transitoire |
| Connexions par câble > 15 m | Multi-points | Dépasse le seuil de longueur d'onde |
Approche hybride
La plupart des installations modernes utilisent une liaison multipoint pour les panneaux de l'armoire et une mise à la terre monopoint pour les circuits secondaires des transformateurs de mesure. Cette combinaison permet de répondre aux exigences en matière de fréquence d'alimentation et de compatibilité électromagnétique.
Lorsque le courant de défaut traverse le bus de terre, le potentiel de l'enceinte s'élève au-dessus de la terre réelle. La tension de contact - la différence de potentiel qu'une personne ressent entre ce qu'elle touche et l'endroit où elle se trouve - doit rester dans des limites acceptables pour la survie.
IEC 61936-1 Limites admissibles
| Temps d'élimination des défauts | Tension de contact maximale |
|---|---|
| ≤ 0.1 s | 700 V |
| 0.2 s | 430 V |
| 0.5 s | 220 V |
| 1.0 s | 110 V |
| > 1.0 s | 80 V |
Ces valeurs supposent des conditions sèches et tiennent compte de l'impédance du corps conformément à la norme IEC 60479-1.
Calcul de la conception
La tension de contact dépend du courant de défaut et de l'impédance de liaison :
V_touch = I_f × Z_bond
Pour un courant de défaut de 31,5 kA avec effacement en 1 seconde (limite de 110 V) :
Z_bond ≤ 110 / 31 500 = 3,5 mΩ
Cette impédance extrêmement faible nécessite des connexions de mise à la terre courtes et directes avec des conducteurs de grande section et de multiples chemins parallèles.
Conception des zones équipotentielles
À l'intérieur de la salle de l'appareillage, une grille de mise à la terre sous le sol est reliée au bus de mise à la terre de l'appareillage. Le personnel qui se tient sur cette grille reste pratiquement au même potentiel que l'équipement qu'il touche. Section minimale des pontets de liaison : 35 mm² de cuivre reliant toutes les surfaces métalliques accessibles.
Les opérations de commutation génèrent des interférences électromagnétiques qui menacent l'intégrité des circuits de commande. La géométrie du bus de terre détermine si les transitoires provoquent un dysfonctionnement du relais de protection.
Sources transitoires dans l'appareillage électrique
| Source | Temps de montée | Fréquence Contenu |
|---|---|---|
| Découpage de l'interrupteur à vide | 50-200 ns | 5-20 MHz |
| Fonctionnement du déconnecteur | 5-50 ns | 20-200 MHz |
| Contacteur à vide commutation | 100-500 ns | 2-10 MHz |
| Mise sous tension du banc de condensateurs | 1-10 μs | 100 kHz-1 MHz |
Géométrie à faible inductance
À haute fréquence, l'inductance domine la résistance. Principes de conception :
Terminaison du blindage du câble
Les câbles de commande blindés nécessitent une terminaison appropriée :
CT/PT Mise à la terre secondaire
Les circuits secondaires des transformateurs d'instrumentation doivent être mis à la terre en un seul point pour éviter que des courants circulants ne faussent les mesures. La mise à la terre doit être effectuée au niveau du panneau de relais ou de la borne du transformateur, jamais aux deux endroits.
[Regard d'expert : l'expérience sur le terrain d'EMC]
- Dans les installations pétrochimiques côtières, nous avons mesuré des erreurs de fonctionnement des relais réduites de 85% après la conversion d'une terminaison en queue de cochon à une terminaison avec blindage à 360°.
- Les liaisons de communication par fibre optique entre les baies d'appareillage éliminent entièrement les problèmes de boucle de terre pour la signalisation de protection.
- Les câbles secondaires de TC acheminés parallèlement au bus de terre (à moins de 50 mm) présentent un couplage transitoire 40% inférieur à celui des câbles acheminés perpendiculairement.
La performance des bus de terre dépend entièrement de la qualité des joints. Le choix du matériel et les pratiques d'installation déterminent si le système conserve une faible impédance pendant sa durée de vie de 30 ans.
Comparaison des types de connexion
| Méthode | Résistance des contacts | Entretien | Coût |
|---|---|---|---|
| Boulonné (Cu nu) | 10-50 μΩ | Resserrage périodique | Faible |
| Boulonné (étamé) | 5-20 μΩ | Minimal | Moyen |
| Soudure exothermique | < 5 μΩ | Aucun | Élevé |
| Connecteur à compression | 10-30 μΩ | Inspection périodique | Moyen |
Traitement des joints bimétalliques
Les connexions cuivre-aluminium requièrent une attention particulière :
Sans ces précautions, la corrosion galvanique augmente la résistance des joints de 10 à 100 fois en l'espace de 5 à 7 ans.
Spécifications de couple
| Taille du boulon | Acier (8.8) | Inox |
|---|---|---|
| M8 | 20-25 N-m | 15-18 N-m |
| M10 | 40-50 N-m | 30-35 N-m |
| M12 | 70-85 N-m | 50-60 N-m |
Les rondelles Belleville maintiennent la pression de contact grâce aux cycles thermiques. Interrupteurs de mise à la terre conçus pour les applications de commutation intègrent des systèmes de contact optimisés qui maintiennent une faible résistance pendant des milliers d'opérations.
Protection de l'environnement
Les essais de vérification confirment les performances du bus de terre dans des conditions de défaillance et en fonctionnement normal. La norme CEI 62271-200 spécifie les exigences en matière d'essais de type ; la mise en service sur le terrain ajoute une vérification pratique.
Essais de type (vérification de la conception)
Essai de résistance aux courts-circuits
Le bus de terre doit résister à un courant de courte durée sans que l'on ait besoin de l'utiliser :
Procédure :
Tests de routine (production)
Chaque assemblage d'appareillage est soumis à un contrôle :
Essais de mise en service sur le terrain
Continuité du réseau de terre
Après l'installation, mesurer :
Vérification de la tension de contact
Pour les installations critiques :
[VERIFIER LA NORME : l'article 6.6 de la norme CEI 62271-200 spécifie les critères d'acceptation exacts pour les essais du circuit de mise à la terre].
L'intégrité du bus de mise à la terre dépend des composantes conçues pour l'environnement exigeant à l'intérieur d'un appareillage de commutation à enveloppe métallique. XBRELE fabrique des pièces d'appareillage de commutation en tenant compte des exigences de mise à la terre :
Chaque composant est testé pour vérifier la compatibilité du système de mise à la terre. Les ingénieurs qui spécifient les composantes XBRELE reçoivent de la documentation technique détaillant les exigences de mise à la terre et les pratiques d'installation.
Pour les projets d'appareillage nécessitant des solutions de mise à la terre fiables, contacter l'équipe d'ingénieurs de XBRELE pour discuter de vos besoins en matière d'applications.
Q : Quelle section dois-je spécifier pour un bus de terre de 25 kA ?
R : Pour une durée de défaut d'une seconde avec du cuivre, calculez environ 110 mm² au minimum ; la pratique courante arrondit à 150-200 mm² (comme une barre de 40×5 mm) afin de laisser une marge pour le chauffage des joints et les futures mises à niveau du système.
Q : Comment choisir entre une mise à la terre monopoint et une mise à la terre multipoints ?
R : Choisissez la mise à la terre multipoint lorsque l'appareillage de commutation contient des relais à microprocesseur ou lorsqu'un parcours de câble dépasse 15 mètres ; la mise à la terre monopoint ne s'applique qu'aux installations simples avec protection électromécanique et courtes distances internes.
Q : Quelle est la tension de contact acceptable pour les appareillages de commutation extérieurs ?
A : Pour une élimination de défaut typique de 0,5 seconde, la norme IEC 61936-1 autorise une tension maximale de 220 V ; les zones humides ou à fort trafic peuvent nécessiter une limite continue de 80 V, en fonction des réglementations locales et de l'évaluation des risques.
Q : À quelle fréquence les joints des bus de terre doivent-ils être resserrés ?
R : Les installations intérieures nécessitent généralement une vérification du couple tous les 3 à 5 ans ; les environnements extérieurs ou à fortes vibrations justifient des vérifications annuelles, avec une mesure de la résistance de contact tous les 5 ans pour détecter les dégradations.
Q : Puis-je utiliser des bandes tressées à la place des cavaliers de liaison en cuivre massif ?
R : Les bandes tressées conviennent bien pour les connexions nécessitant une certaine souplesse (comme les liens de porte) mais présentent une impédance plus élevée à haute fréquence ; utilisez des conducteurs rigides pour les bus de terre principaux et les connexions critiques en matière de CEM.
Q : Quelle résistance de contact indique une défaillance du joint de bus de terre ?
R : Les joints boulonnés individuels doivent mesurer moins de 50 μΩ lorsqu'ils sont neufs ; une résistance dépassant 100 μΩ ou montrant une augmentation de plus de 50% par rapport à la ligne de base indique une dégradation nécessitant un entretien.
Q : Ai-je besoin d'une mise à la terre séparée pour les relais numériques et les circuits d'alimentation ?
R : La pratique non moderne relie toutes les masses à un bus commun, mais utilise des conducteurs séparés entre les composants électroniques sensibles et le bus de terre, ce qui permet de maintenir une séparation physique avec les circuits de courant de défaut d'alimentation tout en obtenant un potentiel de référence commun.
