Mise à la terre du neutre du transformateur expliquée : comparaison des méthodes de mise à la terre directe, par résistance et en zigzag

Le planning des appareils de coupure prévoyait une mise à la terre à haute résistance de 5 A avec une résistance de 10 secondes. L’entrepreneur a installé exactement ce qui était spécifié. Personne n’a mesuré le courant de charge du système, qui, sur le câble blindé de 5 kV, les parafoudres et les filtres d’entrée des variateurs dans cette usine, atteignait environ 6,8 A. Lors du premier défaut phase-terre, la résistance a supporté l’intégralité du courant capacitif, et le relais de détection n’a jamais enregistré d’augmentation ; l’usine a ainsi fonctionné deux jours avec une phase mise à la terre. Le deuxième défaut, sur une autre phase, a transformé un simple incident en arc électrique phase-phase. Tout avait été construit conformément au plan. Le schéma de mise à la terre restait toutefois erroné.

Mise à la terre du neutre du transformateur est la décision de conception qui détermine l’intensité du courant circulant en cas de défaillance de l’isolation, le déclenchement ou non de la protection (déclenchement ou simple signal d’alarme), ainsi que l’intensité de ce courant que doivent supporter le transformateur, les câbles et les appareillages de commutation. Elle est prise une fois, à la phase de conception, et occupe généralement une seule ligne d’une spécification.

Quatre méthodes couvrent presque tous les systèmes industriels, de réseau public et de centre de données : la mise à la terre directe, la mise à la terre à faible résistance, la mise à la terre à haute résistance, et la mise à la terre par transformateur de mise à la terre en zigzag ou en étoile-triangle. Chacune répond à une question différente, et la bonne réponse dépend de la fonction souhaitée du système lors du premier défaut de mise à la terre.

 

Ce que détermine la mise à la terre du neutre du transformateur

Un défaut à la terre établit un circuit entre un conducteur de phase et la terre. Le courant qui circule est déterminé par l’impédance du chemin de retour, lequel est créé par la liaison entre le neutre du système et le système d’électrodes de mise à la terre. Modifier cette liaison modifie le courant de défaut, la vitesse de détection et l’ampleur des dommages causés pendant la suppression du défaut.

Deux références méritent d’être citées dans la spécification. IEEE Std 3003.1-2019 traite de la mise à la terre des systèmes électriques industriels et commerciaux et constitue le successeur moderne de la série « Green Book » ; IEEE Std C62.92.1-2016 traite de la mise à la terre du neutre pour les réseaux publics dont la tension nominale dépasse 1 000 V. Ces deux normes reposent sur le même compromis : le courant de défaut à la terre doit être suffisamment élevé pour être détecté de façon fiable, tout en restant assez faible pour ne pas endommager les équipements.

Le tableau ci-dessous résume les quatre méthodes.

Méthode	Courant de défaut typique	Philosophie de détection	Où cela s’intègre-t-il
Mise à la terre solide	Jusqu’à la valeur triphasée en court-circuit direct	Surintensité instantanée, déclenchement	480 V et moins, distribution basse tension
Mise à la terre à faible résistance (LRG)	100 A à 1 000 A, couramment 200 A à 400 A	Relais de surintensité, coordination sélective	Distribution moyenne tension industrielle nécessitant un déclenchement sélectif
Mise à la terre à haute résistance (HRG)	5 A à 25 A	Relais sensible, alarme en premier lieu	Installations fortement motorisées, procédés continus, centres de données
Transformateur de mise à la terre en zigzag	Défini par la conception de la résistance ou du transformateur	Relais sensible	Systèmes triangle, sans neutre accessible

 

Mise à la terre solide : le coût le plus bas et le courant de défaut le plus élevé

Dans un système solidement mis à la terre, le neutre est relié directement au système d’électrodes de mise à la terre. Rien ne limite le courant, de sorte qu’un défaut phase-terre peut atteindre une valeur comparable à celle d’un court-circuit triphasé direct au même point — des dizaines de kiloampères sur une unité de 2 000 kVA à 480 V. Ce n’est pas un défaut de conception ; c’est précisément l’objectif. Le défaut est important, tous les dispositifs de protection le détectent, et il est éliminé en quelques cycles.

La facture arrive ailleurs. Le renforcement du bus, les capacités de coupure des disjoncteurs et le calcul de l’énergie incidente dans l’étude d’arc électrique évoluent tous proportionnellement à ce courant. La mise à la terre solide reste le choix pratique pour la plupart des systèmes 480 V, car la tension phase-terre demeure à 277 V et les contraintes sur l’isolation ainsi que sur les parafoudres restent modérées. Ce choix cesse d’être pertinent en moyenne tension, où le même raisonnement conduit à des courants de défaut que le transformateur, les câbles et l’appareillage de coupure préféreraient éviter.

Une conséquence surprend les gens. Sur un système solidement mis à la terre, la plupart des défauts commencent sous forme d’un événement simple phase-terre et sont éliminés avant toute escalade. Sur un système non mis à la terre ou mis à la terre par haute résistance, le premier défaut n’est souvent pas éliminé du tout.

 

Mise à la terre par résistance : faible résistance contre haute résistance

L’insertion d’une résistance entre le neutre et la terre transforme une philosophie de conception en une valeur numérique. La mise à la terre à faible résistance limite généralement le courant à quelques centaines d’ampères — une fourchette de 200 A à 400 A est courante en moyenne tension — ce qui reste toutefois suffisant pour que les relais standards de surintensité détectent le défaut et assurent sa coordination. C’est pourquoi la mise à la terre à faible résistance (LRG) est utilisée là où l’installation exige que le départ défectueux soit déclenché de façon sélective, plutôt que le disjoncteur général.

La mise à la terre à haute résistance va beaucoup plus loin et limite le courant de défaut à la terre à 5 A, 10 A ou 25 A. À ces niveaux, le défaut déclenche habituellement une alarme plutôt qu’un déclenchement, et l’installation continue de fonctionner pendant que la maintenance localise le défaut. Les systèmes industriels fortement équipés de variateurs de fréquence, les installations à procédés continus incapables d’absorber un arrêt intempestif, ainsi que la distribution moyenne tension des centres de données s’appuient toutes sur cette approche. Le transformateur et les câbles n’ont plus besoin de résister à un événement de plusieurs milliers d’ampères, et l’exposition aux risques d’arc électrique liés à un défaut à la terre diminue avec le courant.

Voici la partie que la plupart des acheteurs négligent. Un système mis à la terre à haute résistance ne fonctionne que si le courant de fuite du résistor dépasse le courant de charge du système. Le courant de charge des câbles blindés, des parafoudres et des filtres d’entrée des variateurs est un courant réel, et, en cas de défaut à la terre, il circule conjointement à travers le résistor et le défaut. Si le courant du résistor est inférieur à ce seuil, le relais ne peut pas distinguer un défaut du courant capacitif normal — c’est précisément ce qui s’est produit dans l’exemple présenté au début de cet article. La séquence correcte consiste à mesurer d’abord le courant capacitif de l’installation réelle, à choisir ensuite un courant de résistor supérieur à cette valeur, avec une marge de sécurité, puis, seulement à ce stade, à régler le délai de déclenchement.

 

 

Transformateurs de mise à la terre en zigzag : un neutre là où il n’en existe pas

Tout ce qui précède suppose l’existence d’un point neutre auquel on peut relier une résistance. Une source connectée en triangle, ou un transformateur dont le neutre secondaire n’est pas amené à l’extérieur, ne fournit aucun tel point. Un enroulement en zigzag résout ce problème. Ses enroulements présentent une impédance faible aux courants de séquence homopolaire, créant ainsi un chemin de retour délibéré pour les courants de défaut à la terre, tout en présentant une impédance élevée aux courants de séquence directe et inverse, de sorte que l’unité transporte presque aucun courant de charge en fonctionnement normal. Une unité étoile-triangle remplit la même fonction avec une disposition différente des enroulements.

Ce comportement est la raison pour laquelle un transformateur de mise à la terre est spécifié à partir d'une fiche technique totalement différente de celle d'un transformateur de charge. Les valeurs à préciser sont le courant neutre en régime de courte durée et sa durée — 10 secondes et 1 minute sont les valeurs nominales courantes — ainsi que la capacité de courant neutre continu pour supporter le déséquilibre généré par le fonctionnement normal, qui, sur une unité en zigzag, représente typiquement quelques pour cent de la valeur en régime de courte durée. Si vous ne spécifiez que la valeur en régime de courte durée, un déséquilibre persistant provoquera une surchauffe. Si vous la spécifiez comme pour un transformateur de charge, vous achetez du cuivre que vous n'utiliserez jamais.

Sur les systèmes fortement chargés en variateurs de vitesse, l'unité en zigzag est généralement associée à une résistance. Cette résistance détermine le courant de défaut autorisé ; le transformateur fournit le neutre nécessaire à la résistance.

 

Dimensionnement de la résistance : quatre valeurs décisives pour son bon fonctionnement

Une résistance de mise à la terre du neutre est un dispositif conçu pour un usage en régime de courte durée, doté d’un petit nombre de caractéristiques critiques. Ces quatre valeurs déterminent si le dispositif fonctionnera correctement en service :

• Courant capacitif mesuré. Mesurez-le sur l’installation réelle, à la tension réelle. Les valeurs du tableau constituent un point de départ, pas une réponse définitive.
• Courant de passage. 5 A, 10 A ou 25 A pour la mise à la terre à haute résistance ; 200 A à 400 A pour la mise à la terre à faible résistance. Dans les deux cas, il doit dépasser le courant capacitif mesuré, avec une marge.
• Durée nominale. Dix secondes et une minute sont des valeurs typiques. Une résistance de 400 A, 10 secondes, sur un réseau de 13,8 kV dissipe environ 3,2 MW pendant le défaut — soit environ 32 MJ d’énergie en dix secondes. Un défaut laissé en place détruirait le système.
• Tension nominale et tenue diélectrique. Pendant un défaut de terre, la résistance supporte en continu la tension simple du réseau pendant toute la durée de l’événement.

Deux autres éléments entrent dans le même cadre de réflexion, mais ne figurent pas sur la fiche technique de la résistance : le schéma de détection — c’est-à-dire la façon dont le relais interprète le courant qu’il mesure, et s’il déclenche une alarme ou un déclenchement — et, dans le cas de la mise à la terre à faible résistance, la question de savoir si l’étude de coordination reste valide une fois que le courant est limité.

 

Comment Ryan Electric soutient la conception de la mise à la terre pour les commandes sur mesure

La conception de la mise à la terre commence au niveau du transformateur, car la configuration des enroulements détermine si un neutre existe ou non. Sur un transformateur triphasé personnalisé transformateur à secondaire en étoile, nous ramenons le neutre sur une borne isolée dimensionnée pour la tenue aux défauts à la terre spécifiée par l’étude, et nous fournissons les données relatives à la configuration des enroulements et au groupe vectoriel nécessaires aux études de mise à la terre et de coordination. Lorsque le schéma d’un client exige une mise à la terre par résistance ou par transformateur zig-zag, nous confirmons l’arrangement du neutre dès l’étape de devis, et non lors du test d’acceptation en usine. Il s’agit d’un échange de quinze minutes en amont, contre une commande de retouche si cette étape est manquée.

Nous construisons dans une installation de 120 000 mètres carrés équipée de plus de 180 ensembles d’équipements de production et de test, ainsi que de 37 brevets. Nous détenons les certifications UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS et CE. Depuis 2023, Ryan Electric opère en tant que partenaire officiel de coentreprise d’Eaton. Le rapport d’essai systématique fourni avec chaque unité contient les données relatives à la résistance d’enroulement et au rapport de transformation, nécessaires à l’équipe de mise en service pour confirmer sur site les connexions du neutre et de la mise à la terre.

 

Envoyez le schéma de mise à la terre avec la demande de devis pour le transformateur

Veuillez nous transmettre le schéma unifilaire, la méthode de mise à la terre, le courant neutre et sa durée prévus, ainsi que la puissance nominale du transformateur. Notre équipe d’ingénierie vous proposera un dispositif de mise à la terre du neutre du transformateur conforme à l’étude — y compris le plot neutre — afin que l’ingénieur de mise en service valide une conception plutôt que de la découvrir. Bien établir ces fondations dès la phase de devis ne coûte rien. En revanche, les découvrir après le premier défaut de mise à la terre entraîne une coupure d’alimentation.

 

À propos de l'auteur : Cet article a été rédigé par l’équipe d’ingénierie de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), fabricant de transformateurs en résine coulée, immergés dans l’huile et montés sur socle, qui dessert depuis 2007 les clients des secteurs des services publics, des centres de données, de la production renouvelable et de l’industrie. L’équipe travaille quotidiennement avec les exigences IEEE C57 et IEC 60076 et accompagne les développeurs ainsi que les entrepreneurs EPC tout au long de la phase de spécification, des essais en usine et de la mise en service sur site.