Analyse de la protection contre les défauts à la terre dans les systèmes de distribution basse tension pour les centres de données
Les lignes de distribution d'énergie à basse tension sont largement utilisées dans divers secteurs, et les environnements de distribution sont complexes et variés. Ces lignes sont non seulement accessibles aux professionnels, mais aussi fréquemment aux non-spécialistes, augmentant considérablement le risque de pannes. Un design ou une installation inappropriés peuvent facilement conduire à des chocs électriques (particulièrement par contact indirect), à l'endommagement du câblage, voire à des incendies électriques.
Le système de mise à la terre est un composant critique des réseaux de distribution à basse tension - un élément d'ingénierie techniquement complexe et essentiel pour la sécurité. Le type de système de mise à la terre est étroitement lié à l'efficacité de la protection contre les défauts de mise à la terre.
Actuellement, les systèmes de distribution à basse tension dans les centres de données en Chine adoptent principalement la configuration de mise à la terre TN-S. Ces systèmes impliquent de nombreux dispositifs de distribution à basse tension et un câblage étendu, représentant un investissement en capital substantiel. Toute panne, si elle n'est pas rapidement traitée, peut entraîner des blessures graves au personnel et des dommages matériels importants, exigeant ainsi une fiabilité extrêmement élevée du système de distribution.
Pour fournir une explication plus complète et systématique de la protection contre les défauts de mise à la terre dans les systèmes de distribution à basse tension, la section suivante présente une analyse comparative des différentes configurations de mise à la terre et de leurs méthodes de protection correspondantes.
Exigences générales pour la protection contre les défauts de terre
- Le système de protection contre les défauts de terre doit être conçu pour prévenir efficacement les chocs électriques indirects au personnel, ainsi que les accidents tels que les incendies électriques et les dommages au câblage.
- Les parties conductrices apparentes des équipements électriques doivent être reliées de manière fiable au conducteur de protection (conducteur PE) conformément aux conditions spécifiques du système. Les parties conductrices externes accessibles qui peuvent être touchées simultanément doivent être connectées au même système de mise à la terre pour assurer l'égalisation de potentiel.
- Lorsque la protection contre les défauts de terre d'une installation électrique ne peut pas satisfaire à l'exigence de déconnexion automatique du circuit de défaut dans le délai spécifié, un raccordement équilibré supplémentaire doit être mis en œuvre dans la zone locale pour réduire la tension de contact et améliorer la sécurité.
Protection contre les défauts de terre dans les systèmes TN
Dans les systèmes TN, les caractéristiques de fonctionnement de la protection contre les défauts de terre pour les circuits de distribution doivent satisfaire à la condition suivante :
Zs × Ia ≤ Uo
Où :
- Zs — Impédance totale de la boucle de défaut de terre (Ω);
- Ia — Courant nécessaire pour provoquer la déconnexion automatique du circuit de défaut par le dispositif de protection dans le délai spécifié (A);
- Uo — Tension nominale entre phase et terre (V).
Comme illustré dans la figure ci-dessous, lorsque se produit un défaut de terre sur la phase L3, le courant de défaut (Id) circule à travers le conducteur de phase L3, l'enveloppe métallique de l'équipement et le conducteur de protection PE, formant une boucle fermée. Zs représente l'impédance totale de la boucle phase-conducteur de protection, et Uo est de 220V.
Exigences de temps de déconnexion pour la protection contre les défauts de terre dans les systèmes TN
Pour les circuits de distribution des systèmes TN avec une tension nominale phase-terre de 220V, le temps requis pour que la protection contre les défauts de terre déconnecte le circuit de défaut doit respecter les exigences suivantes :
- Pour les circuits de distribution ou les circuits finaux alimentant des équipements électriques fixes, le temps de déconnexion ne doit pas dépasser 5 secondes;
- Pour les circuits alimentant des équipements portatifs ou mobiles, ou les circuits de prises de courant, le temps de déconnexion ne doit pas dépasser 0,4 seconde.
Sélection des méthodes de protection contre les défauts de terre dans les systèmes TN :
a. Lorsque les exigences de temps de déconnexion ci-dessus peuvent être satisfaites, la protection contre les surintensités peut également servir de protection contre les défauts de terre;
b. Lorsque la protection contre les surintensités ne peut pas satisfaire aux exigences, mais que la protection par courant de séquence zéro peut, la protection par courant de séquence zéro doit être utilisée. La valeur de réglage de la protection doit être supérieure au courant déséquilibré maximal dans des conditions de fonctionnement normales;
c. Lorsque ni l'une ni l'autre des méthodes ci-dessus ne peuvent satisfaire aux exigences, la protection différentielle résiduelle (DDR, ou "protection contre les fuites de courant") doit être employée.
Protection contre les défauts de terre dans les systèmes TT
La caractéristique de fonctionnement de la protection contre les défauts de terre dans les circuits de distribution des systèmes TT doit satisfaire à la condition suivante :
RA × Ia ≤ 50 V
Où :
- RA — Somme de la résistance de l'électrode de terre des parties conductrices apparentes et de la résistance de terre du conducteur neutre (N) (Ω);
- Ia — Courant nécessaire pour assurer la déconnexion fiable du circuit de défaut par le dispositif de protection (A).
Comme indiqué dans la figure ci-dessous, lorsque se produit un défaut de terre sur la phase L3, le courant de défaut (Id) circule à travers le conducteur L3, l'enveloppe métallique de l'équipement, la résistance de l'électrode de terre de l'équipement, la terre, et retourne à la source via la résistance de mise à la terre du point neutre, formant la boucle de défaut. La valeur de 50 V représente la limite de sécurité pour la tension de contact, garantissant que la tension à laquelle une personne peut être exposée pendant un défaut ne présente pas de danger.
Sélection de la protection contre les défauts de terre pour les systèmes TT :
- Lorsque des dispositifs de protection contre les surintensités sont utilisés, le courant Ia doit être la valeur qui assure la déconnexion du circuit de défaut dans un délai de 5 secondes;
- Lorsque des dispositifs de protection contre les surintensités à déclenchement instantané sont utilisés, Ia doit être le courant minimum nécessaire pour assurer le déclenchement instantané;
- Lorsque des dispositifs de protection différentielle résiduelle (DDR, ou "protection contre les fuites de courant") sont utilisés, Ia doit être pris comme leur courant de fonctionnement résiduel nominal In.
Protection contre les défauts de terre dans les systèmes IT
En fonctionnement normal, le courant de fuite de chaque phase d'un système IT est constitué de courant capacitif vers la terre - noté Iac, Ibc, Ica - et la somme vectorielle de ces trois courants de capacité terrestres triphasés est nulle. Par conséquent, la tension du point neutre peut être considérée comme 0V.
Lorsqu'un premier défaut de terre se produit, la tension par rapport à la terre des phases saines (non défectueuses) augmente d'un facteur √3. Cela indique que les systèmes IT imposent des exigences de niveau d'isolation plus élevées sur les équipements électriques par rapport aux systèmes TN et TT. Cependant, comme le courant lors du premier défaut de terre est très faible (principalement courant capacitif), le système peut continuer à fonctionner. Néanmoins, un dispositif de surveillance d'isolement doit être installé pour fournir une alarme lors de la détection du premier défaut, permettant au personnel d'exploitation et de maintenance de localiser et de corriger le défaut rapidement.
- Lorsque les parties conductrices apparentes sont mises à la terre individuellement, la déconnexion du circuit de défaut lors d'un second défaut sur une phase différente doit satisfaire aux exigences de protection contre les défauts de terre des systèmes TT;
- Lorsque les parties conductrices apparentes sont connectées à un système de mise à la terre commun, la déconnexion du circuit de défaut lors d'un second défaut sur une phase différente doit satisfaire aux exigences de protection contre les défauts de terre des systèmes TN;
- Le système IT ne doit pas avoir un conducteur neutre (ligne N) dérivé.
En résumé, différents systèmes d'alimentation en terre présentent des caractéristiques distinctes de défaut de terre. Seulement en comprenant pleinement le comportement de défaut de chaque système, peut-on concevoir un schéma de protection contre les défauts de terre approprié et compatible, assurant un fonctionnement sûr et fiable des systèmes d'alimentation et d'utilisation d'énergie.
