ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE (Les installations électriques)

Ivan FRANCOIS Électricité industrielle

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ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE

(Les installations électriques)

1 REALISATION DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES .......................................................... 2

2 LE SECTIONNEMENT .................................................................................................................. 3

2.1 Le sectionnement à coupure visible : ...................................................................................... 3

2.2 Le sectionnement à coupure pleinement apparente : ............................................................... 3

3 LA PROTECTION ELECTRIQUE DES MATERIELS ................................................................ 4

3.1 Les surintensités passagères : .................................................................................................. 4

3.2 Les surintensités anormales : ................................................................................................... 4

3.2.1 Les surcharges : ............................................................................................................... 4

3.2.2 Les courts-circuits : ......................................................................................................... 4

3.3 Protections des conducteurs .................................................................................................... 4

3.3.1 Dimensionnement des câbles électriques ........................................................................ 5

3.3.2 Protection des câbles électriques : le disjoncteur ............................................................ 7

4 LA PROTECTION DES PERSONNES ....................................................................................... 12

4.1 Effets physiologiques du courant électriques (CEI 479-1) .................................................... 12

4.2 Schéma de liaison à la Terre .................................................................................................. 14

4.2.1 Distribution de l’énergie électrique ............................................................................... 14

4.2.2 Identification des régimes de neutre .............................................................................. 15

4.2.3 Le régime TT ................................................................................................................. 15

4.2.4 Le régime TN ................................................................................................................ 17

4.2.5 Le régime IT .................................................................................................................. 20


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1 REALISATION DES INSTALLATIONS ELECTRIQUES

L'électricité pouvant être dangereuse, la réalisation des installations électriques, en basse tension, est régie par la norme NF C 15-100 établie par l'Union Technique de l'Electricité (U.T.E.).

Au plan général, elle assure :

• Que toutes les réalisations permettent la sécurité des personnes, des animaux et des biens. • Que toutes nouvelles réalisations ne perturbent pas les installations déjà existantes.

• Que chaque environnement spécifique soit pris en compte et pour cela édicte des règles spécifiques en fonction des locaux recevant les installations électriques.

Pour les locaux domestiques, par exemple, elle a permis la réalisation d'un document, bien connu de tous les électriciens, définissant les sections de conducteurs et les calibres des protections à utiliser dans chaque pièce.


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2 LE SECTIONNEMENT

Son but est de séparer et d’isoler un circuit de toute source de courant. La NF C15-100 impose la présence d’un tel dispositif à l’origine de toute installation.

Cette fonction de sectionnement est nécessaire à la sécurité du personnel devant intervenir sur l’installation électrique.

Les appareils de sectionnement doivent être à coupure omnipolaire et simultanée.

2.1 Le sectionnement à coupure visible :

La séparation des contacts doit être visible de l’opérateur.

Sectionneurs sans dispositif contre la marche en monophasé

Sectionneurs avec dispositif contre la marche en monophasé

Le DPMM pour Dispositif de Protection contre la Marche en Monophasé est utilisé dans les sectionneurs porte-fusibles pour empêcher le moteur asynchrone triphasé de fonctionner sur 2 phases. Cette configuration peut se présenter si un fusible fond indépendamment des 2 autres.

2.2 Le sectionnement à coupure pleinement apparente : L’appareil comporte un indicateur de position qui ne peut indiquer la position « hors tension » que lorsque tous les contacts sont effectivement ouverts et séparés d’une distance minimale (2,5 mm en 230 V et 3,5 mm en 400V.).

C'est le cas du disjoncteur-sectionneur ci-contre.


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3 LA PROTECTION ELECTRIQUE DES MATERIELS

Le but est d’éviter ou de limiter les conséquences destructrices des surintensités et de séparer la partie défectueuse du reste de l’installation sans perturber cette dernière.

Toute protection comporte deux aspects liés ou séparés :

• la détection des surintensités ;

• la coupure du circuit.

La détection de la surintensité est généralement installée sur tous les conducteurs de phase. Elle ne provoque pas nécessairement la coupure omnipolaire à l'exception d'une installation électrique régit par un schéma de liaison à la terre de type TI.

3.1 Les surintensités passagères : Elles surviennent lors du démarrage :

• des moteurs ;

• de la mise sous tension des transformateurs ;

• de l’allumage des tubes fluorescents ;

• etc. …

Ces surintensités inévitables et liées au comportement du récepteur ne doivent pas provoquer le déclenchement des dispositifs de protection.

3.2 Les surintensités anormales :

3.2.1 Les surcharges : Ces courants de surcharge sont dus généralement à une anomalie de fonctionnement momentanée ou persistante de récepteurs en service (ex : appel anormale de puissance mécanique d'un moteur électrique). Dans ce cas, les circuits électriques sont sains mais les valeurs des courants appelés sont dangereuses, à long terme, pour la préservation des isolants des conducteurs électriques. On désigne par surcharge, des courants électriques de l’ordre de 1,5 à 3 In sans jamais dépasser 10 In.

3.2.2 Les courts-circuits : Ces courants sont consécutifs à un défaut dans un circuit (erreur de connexion, détérioration de l’isolement … ). La destruction de l'isolant peut intervenir dans un temps très bref et être la source d'un début d'incendie.

On désigne par court-circuit, des courants électriques supérieurs à 10 In et qui peuvent atteindre 100 In ou plus.

3.3 Protections des conducteurs Le passage du courant électrique dans un conducteur provoque inévitablement un échauffement de celui-ci. Toutes les méthodes de dimensionnement et de protection des installations électriques cherchent à maîtriser la température de fonctionnement des composants de l'installation et à isoler toutes ou partie de l'installation si cette maîtrise n'est plus assurée.

L’expression classique attribuée à l’élévation de température d’un corps peut s’écrire :

dtSKdCMtw ).(...)( 0θθθ −+=


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Dans le cas d'un conducteur parcouru par un courant l'apport d'énergie est lié à l'effet Joule que l'on

peut exprimer sous la forme simple : dttiRtwdW j ).(.)( 2==

avec R : résistance du conducteur dont l'expression est S

lR

.ρ= en Ω

ρ: résistivité du matériau conducteur en Ω.m2/m

S : section du conducteur en m2

L : longueur du conducteur en m

i(t) : expression du courant traversant le conducteur

Si l'on pose δ : densité de courant en A/mm2 dont l'expression est S

I=δ

L'apport d'énergie calorifique s'exprime SlWc ...2 ρδ= ou par unité de volume ρδ .2/ =volcW

3.3.1 Dimensionnement des câbles électriques Un câble électrique est composé d'une âme conductrice généralement enrobée d'une matière isolante comme l'indique la représentation ci-dessous.

Ame conductrice en cuivre ou aluminium

Enveloppe isolante en PVC (polychlorure de vinyle), PR (polyéthylène réticulé), PRC (caoutchouc butyle vulcanisé)

Gaine de bourrage : les matériaux de gainage sont:

• soit des matériaux isolants (PRC, PVC, Caoutchouc synthétique)

• soit des matériaux métalliques (plomb, aluminium, feuillard d’acier)

La chaleur dégagée par l'âme conductrice est transmise à l'enveloppe isolante, par contact avec la

surface latérale du conducteur lrSlat ...2 π= , qui elle-même la transmet à l'air ambiant par la surface

exprimée lerSext )..(.2 += π .

L'épaisseur ne dépend que de la tension d'isolement du câble. Pour de forte section de câble, la surface latérale de l'isolant a une valeur proche de la surface latérale de l'âme du conducteur.


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Il est facile de constater que si l'on conserve une même densité de courant dans l'âme conductrice, l'isolant aura plus de difficulté à évacuer les calories au fur et à mesure que l'on choisit des sections de câbles de plus en plus importantes.

Le tableau suivant permet de constater que la densité de courant maximale admissible dans un câble décroît avec l'accroissement de section.

Sections normalisées :

0.5; 0.75; 1; 1.5; 2.5; 4; 6; 10; 25; 35; 50; 70

Densité

A/mm2

Câble enterré

Section

nominale

(2)

Intensité

Câble enterré

admissible

Câble posé

sur tablettes

Chute

de tension

par ampère

et par km

(cos ϕ = 0,8)

Cu Al mm2 Cu

A

Alu

A

Cu

A

Alu

A

Cu

V

Alu

V

TENSION ASSIGNEE 12/20 (24) kV

7,81

6,6

5,57

4,6

4

3,53

3,21

2,87

2,65

2,33

2,13

1,80

1,62

5

4,29

3,6

3,14

2,74

2,5

2,23

2,05

1,83

1,67

1,42

1,28

16

25

35

50

70

95

120

150

185

240

300

400

500

125

165

195

230

280

335

385

430

490

560

640

720

810

125

150

180

220

260

300

335

380

440

500

570

640

130

170

200

245

305

375

425

485

560

660

750

870

1 000

130

160

190

235

290

330

375

430

510

590

680

790

2,2

1,4

1,1

0,82

0,60

0,46

0,39

0,33

0,29

0,24

0,22

0,19

0,17

2,3

1,7

1,3

0,92

0,69

0,57

0,48

0,40

0,35

0,28

0,24

0,21

Une autre constatation met en évidence l'importance de l'environnement du câble sur la densité de courant admissible. En effet, si celui-ci est confiné dans une goulotte ou est accolé à d'autres câbles sa dissipation thermique s'en trouve perturbée et l'équilibre de température de l'âme conductrice n'est plus


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respectée (ici 90°C). Dans ce cas, il convient d'appliquer des coefficients qui viendront minorer la densité maximale de courant admissible.

Dans un câble électrique, c'est l'isolant qui est le plus fragile. Ses performances se dégradent après une surcharge thermique.

Les câbles sont le siège de chutes de tension qui peuvent amener les récepteurs à ne pas travailler dans les conditions optimales et voir leur rendement se dégrader. La norme NF C 15-100 impose des limites qui obligent, dans le cas de dépassements, à augmenter la section des câbles d'alimentation.

3.3.2 Protection des câbles électriques : le disjoncteur Lors de court-circuit aux extrémités des câbles, la densité de courant croît brutalement et la température s'élève très vite. Il est donc impératif qu'un dispositif de protection interrompe rapidement la circulation du courant dans ce câble. C'est le rôle du dispositif de détection magnétique des surintensités des disjoncteurs.

Celui-ci doit avoir interrompu le courant avant que la charge thermique de l'isolant ne soit suffisante pour commencer à le dégrader. Le terme le plus représentatif de cette charge est la contrainte

thermique notée ∫= dttiCth ).(2

La règle pratique de temps de coupure donnée par la norme NF C 15-100 s'exprime : I

Skt .= avec

• S section des conducteurs à protéger en mm2

• I valeur efficace de l'intensité de court-circuit présumée en A

• k constante définie par le tableau ci-dessous

Nature de l'isolant Nature du métal conducteur Cuivre Aluminium PVC Caoutchouc, PR, EPR, Silicone

115 135

74 87

3.3.2.1 Fonctions et constitution d’un disjoncteur

Un disjoncteur est un appareil mécanique de connexion capable d’établir, de supporter et d’interrompre un courant dans un circuit électrique

Constitution générale (cas d’un disjoncteur bipolaire : 2 pôles protégés) :


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Un disjoncteur protège l’installation :

• Contre les surcharges (action du déclencheur thermique)

• Contre les courts-circuits (action du déclencheur magnétique)

Les déclencheurs sont de deux sortes :

• Les déclencheurs « magnéto-thermiques » : En condition de surcharge, l’échauffement significatif fonction de l’intensité provoque le déclenchement grâce à un élément « thermomécanique » : le bilame. En condition de court-circuit, à partir d’une certaine intensité (supérieure au courant de surcharge), le déclenchement est assuré quasi instantanément par un circuit magnétique qui actionne un noyau.

• Les déclencheurs « électroniques » dont l’intérêt est d’obtenir : - Une plus grande précision des seuils de déclenchement (courbes de déclenchement

réglables selon l’utilisation). - Des possibilités d’information locale ou à distance.

3.3.2.2 Caractéristiques d’un disjoncteur :

Un disjoncteur est caractérisé essentiellement par son intensité nominale, sa tension nominale, son nombre de pôles, son pouvoir de coupure, le type de déclencheur utilisé et sa courbe de déclenchement.

Exemple de schéma unifilaire d’une installation protégée par disjoncteurs

Généralement, on ne représente pas les déclencheurs.


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Disj A :Disjoncteur tétrapolaire (3 phases +neutre) ; calibre fonction de l’intensité nominale du réseau amont.

Disj. B : Disjoncteur bipolaire (phase + neutre) ; calibre fonction de l’intensité nominale du récepteur 1.

Disj. C : Disjoncteur tripolaire (3 phases) ; calibre fonction de l’intensité nominale du récepteur 2.

* La tension nominale de chaque disjoncteur correspond à la tension entre 2 phases du réseau amont.

* La courbe de déclenchement d’un disjoncteur est fonction de la nature de la charge vue en aval de celui-ci.

* Le pouvoir de coupure d’un disjoncteur doit être supérieur à l’intensité le traversant lors d’un court-circuit apparaissant à ses bornes.

3.3.2.3 Courbes de déclenchement

Rappel : la principale fonction d’un disjoncteur est d’assurer la protection des circuits qu’il alimente. La protection des circuits doit être assurée contre :

• Les surcharges (déclencheur thermique à bilame)

• Les courts-circuits (déclencheur magnétique instantané ou à retard).

Courbe typique de déclenchement : elle représente la variation du temps de déclenchement du disjoncteur en fonction du rapport I/In

• I= intensité réelle traversant le disjoncteur

• In = calibre du disjoncteur


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Un courant supérieur à In (I/In > 1) entraine le déclenchement du disjoncteur.

Exemples : • I/In = 3 : la protection est assurée par le déclencheur thermique (temps de déclenchement = t1)

• I/In = 15 : la protection est assurée par le déclencheur magnétique (temps de déclenchement = t2)

3.3.2.4 Réglage des disjoncteurs

Il existe au moins deux valeurs de courant à régler :

• Ir (réglage du seuil de déclenchement du thermique) réglable de 0,4 à 1 fois I nominale du disjoncteur.

• Im (réglage du seuil de déclenchement du magnétique) réglable de 2,5 à 15 fois In selon le type de déclencheur.

1 Courbe de déclenchement thermique

2 Courbe de déclenchement magnétique


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Voici la caractéristique d'un disjoncteur d'usage général (Courbe C protection des câbles alimentant des récepteurs classiques)

La protection des câbles est efficace pour un courant de court-circuit dans le rapport 10≥n

cc

I

I

Pour des valeurs inférieures du rapport de surintensité, on considère que l'on a affaire à une surcharge du récepteur et dans ce cas c'est le dispositif "image thermique" du récepteur qui prend le relais.


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4 LA PROTECTION DES PERSONNES

Il faut assurer la protection des personnes et des animaux contre tout risque de contact, même accidentel, avec le courant électrique.

On distingue deux types de choc électrique (électrisation) :

CHOC PAR CONTACT DIRECT CHOC PAR CONTACT INDIRECT

C'est le contact direct avec un ou plusieurs conducteurs nus sous tension.

C'est la mise accidentelle sous potentiel d'une masse métallique

4.1 Effets physiologiques du courant électriques (CEI 479-1) La caractéristiques Ih=f(t) qui concourt à déterminer les moyens de protection de la personne est la suivante :


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C'est la courbe S qui détermine le seuil de dangerosité du courant électrique traversant le corps humain.

La résistance du corps humain varie en fonction de la tension appliquée à ses bornes mais aussi en fonction de l'état de la peau. Les caractéristiques retenues sont souvent celles représentées ci-dessous :

L'effet varie aussi en fonction de la fréquence du courant :

La résistance du corps humain

Elle varie avec: la surface de contact la pression de contact l’épaisseur de la peau la présence d’humidité le poids, la taille, la fatigue...

25 50 250 400 (V)

Peau sèche

Peau humide

Peau mouillée

Peau immergée

5000

2000

1000

3000

4000

Rh Ω


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Pour des fréquences supérieures à 50 Hz, les courants deviennent moins dangereux. Ceci ne veut pas dire que le danger disparait mais qu’il y a moins de risque de fibrillation avec plus de brulures profondes

Toutes ces constatations ont amenées à définir un seuil de tension de contact à partir duquel il faut interrompre la source d'énergie très rapidement sous peine de choc électrique grave.

La tension de seuil retenue pour des locaux secs est de 50 V avec un temps de coupure < 150 ms (courant industriel).

Trois schémas de liaison de Terre existent pour assurer la protection des personnes contre les risques liés à une mise accidentelle sous tension des masses métalliques.

4.2 Schéma de liaison à la Terre

4.2.1 Distribution de l’énergie électrique La distribution de l’énergie électrique est souvent assurée en triphasé à partir de transformateurs :

Terre

Ligne haute tension

Centrale :

Production de l’énergie électrique

Transformateur

élévateur

Installation

Triphasé

3ph+N

Transformateur abaisseur

Exemple 20kV/400V

Charges

(Moteurs, chauffage,

éclairage,…)


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4.2.2 Identification des régimes de neutre Il existe 3 régimes de neutres caractérisés par 2 lettres

1ère lettre : représentation de la position du neutre de l’alimentation par rapport à la terre.

2ème lettre : représentation de la position des masses de l’installation par rapport à la terre.

4.2.3 Le régime TT Dans ce SLT, le neutre de la source de l’alimentation est mis à la terre, les masses sont reliées entre elles et mises à la terre.


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Le neutre de l’alimentation est relié à la terre. Les masses de l’installation sont aussi reliées à la terre. Cette solution simple à l’étude et à l’installation est celle qui est employée par E.D.F. pour les réseaux de distribution basse tension. Aussitôt qu’un défaut d’isolement survient, il doit y avoir coupure: c’est la coupure au premier défaut.

Lors d’un défaut (par exemple une phase de l’appareil touche la masse), il s’établit un courant de défaut Id (en rouge)

RT : résistance de la prise des masses= 20Ω

RN : résistance de la prise terre neutre = 10Ω

Rd : résistance du défaut (court circuit) =0Ω

Ud : tension de défaut

Id : courant de défaut

Id = VnRn + Rt + Rd =

23020 + 10 + 0 = 7,67A

Tension de défaut :


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Ud=RT.Id= 20X7,67=153V

Cette tension pouvant être dangereuse pour les personnes, il faut prévoir un appareillage de déclenchement différentiel au premier défaut, on utilise généralement le DDR (Dispositif à courant différentiel résiduel ou les disjoncteurs différentiels)

Règles de protection:

• Coupure automatique de l’alimentation par DDR au premier défaut. • Masses interconnectées entre elles et reliées à une même prise de terre.

• Satisfaire cette relation : Rt x Id ≤ UL ( UL = 50 V en milieu sec )

La sensibilité d’un disjoncteur différentiel est indiquée par le symbole I∆n, qui indique le système de protection qui peut être un interrupteur ou un disjoncteur. Le temps de déclenchement doit être inférieur à celui donné par les courbes de sécurité.

Lorsque In ≠ Iph un champ magnétique est créé dans le Torre ce qui provoque l’ouverture de l’interrupteur

4.2.4 Le régime TN Dans ce régime le neutre est mis à la terre et les masses sont reliées au neutre par un conducteur de protection. Deux cas qui se présentent :

4.2.4.1 Le régime TNC

Le conducteur de protection de PE et le conducteur N de l’alimentation peuvent être confondus en un seul conducteur PEN. Le régime TNC (Conducteur Terre et Neutre Confondus) est choisi lorsque les conducteurs sont supérieurs à 10 mm2 en cuivre et 16 mm2 en aluminium.


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4.2.4.2 Le régime TNS

Le conducteur de protection PE et le conducteur N du côté de l’alimentation peuvent être séparés. Le régime TNS est choisi lorsque les conducteurs sont inférieurs à 10mm2.

4.2.4.3 Défaut d’isolement

Lors d’un défaut (par exemple une phase de l’appareil touche la masse), il s’établit un courant de défaut Id (en rouge) :


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Si l'on ne tient compte que des résistances des conducteurs mises en jeu dans le circuit de circulation du courant de défaut, on peut modéliser le circuit de la façon suivante :

La tension d’alimentation est estimée à 0,8 fois la tension simple (chute de tension dans les enroulements du transformateur)

Rd et RB sont faibles devant les autres résistances.

Le courant de défaut s'exprime :

= , . + =

, . +

La tension de contact s'exprime :

=, . . + "

Conditions de déclenchement :

En cas de défaut franc (phase masse) dans le régime de neutre TN, il faut couper immédiatement le circuit en défaut. Le disjoncteur doit être calibré tel que Im <Id

Soit

Im < 0,8. Vρ LS)* + ρ

LS)+

On peut donc donner la longueur maximale des câbles :

Lmax = 0,8. V. ρS)* +

ρS)+/ . Im

Exemple:

N PE

Rd

Ud

Id

Id

0.8 V

RphRPE

RB


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Transformateur U=400V soit V=230V

Câbles en cuivre ρ=22,5 mΩ.mm2/m de longueur 40m et de section 50mm2

Id = 0,8. VR)* + R01 =

0,8.2302.22,5. 1034. 4050

= 5111A

Comme Rpe=Rph

Ud = 0,8V/2= 92V

Ce qui est une tension dangereuse

4.2.5 Le régime IT Une entreprise souhaite obtenir une continuité de service prioritaire. Elle désire que la coupure de l’installation ait lieu non pas au premier défaut mais au second défaut. Cette entreprise possède bien sûr un service d’entretien compétent.

Dans ce régime, le neutre de la source de tension est isolé ou relié à la terre par une forte impédance, les masses d’installation sont reliées à la terre.

4.2.5.1 Premier défaut

Lors d’un défaut (par exemple une phase de l’appareil touche la masse), il s’établit un courant de défaut Id (en rouge) :


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On constate que le courant de défaut Id est faible, en effet ;

Id = VRt + Rn + Z + Rd

Rt : résistance de prise des masses ;

Rn : résistance de la prise de terre neutre ;

Rd : résistance de défaut (cas le plus défavorable Rd = 0Ω) ;

Z : Impédance d'isolement ;

Id : courant de défaut ;

V : tension de défaut.

Notons que, Rd peut être nulle, Rt est très faible ; Rn << Z , avec Z (impédance du câble + impédance de la sortie du transformateur et la capacité de ceux entre phase et terre).

Exemple :

V=220V, Rd=0Ω, Rt=0Ω, Rn=0Ω et Z =10KΩ ;

Id=220/10000= 22mA

Conclusion : dans ce cas, il se présente un courant de défaut très faible. Ce dernier n'est pas dangereux pour l'utilisateur, mais il faut être vigilant devant un deuxième défaut.

4.2.5.2 Second défaut

Lorsqu’un deuxième appareil est en défaut, le principe est le suivant:


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Premier appareil :défaut sur ph3

Second appareil : défaut sur ph1

Le courant de défaut est ABCDEFGHJK

UBJ : tension entre phases. On prendra 0,8. UBJ pour prendre en compte la chute de tension dans le transformateur.

La résistance de la ligne est RBC + RHJ

Si les 2 appareils ont la même section S et même longueur de câble L

9:; + 9ℎ= = 2. > ?@

La partie DEFG passe par la terre donc la résistance est très faible

Id = U2. > ?@

Exemple

U=400V

Câbles en cuivre ρ=22,5 mΩ.mm2/m de longueur 40m et de section 50mm2

Id = 0,8.4002.22,5. 1034 4050

Id=8888 A

La tension de contact est 0,8.UBJ/2 = 160V qui est une tension de contact dangereuse.

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