La myriade de règles concernant la mise à la terre vous semble-t-elle parfois un peu trop difficile à gérer ? Les problèmes de mise en œuvre de la mise à la terre vous laissent-ils parfois hébétés et confus, la bonne solution semblant un peu au-dessus de votre tête ? Si c’est le cas, ne vous sentez pas seul.
Malgré l’abondante littérature sur la mise à la terre, certains de ses concepts importants semblent être absents de la tradition orale et de la pratique régulière de l’industrie électrique – et certaines idées fausses sur la mise à la terre semblent être solidement ancrées à leur place. Par conséquent, de nombreuses conceptions et installations ne sont pas aussi fiables ou aussi sûres qu’elles pourraient l’être.
Mais vous pouvez éviter la confusion si vous comprenez les concepts derrière les règles. Avec une meilleure compréhension, vous pouvez avoir plus de confiance dans le fait que votre système de mise à la terre fonctionnera comme vous l’aviez prévu.
Retour aux bases. La première chose à comprendre est que le courant de défaut à la terre – comme toute électricité – cherche à retourner à sa source d’alimentation. Ce principe est ce qui fait fonctionner les circuits électriques en premier lieu. Quelle est la source du courant de défaut à la terre ? Il ne provient pas de la terre, mais du transformateur électrique.
La loi de Kirchoff stipule que le courant circule en proportion inverse de l’impédance des chemins qui lui sont présentés. Ainsi, les impédances relatives des différents chemins déterminent comment le courant de défaut retourne à sa source.
L’impédance du chemin entre l’électrode de mise à la terre et la source est presque toujours significativement plus élevée que l’impédance du chemin à travers le conducteur de mise à la terre/à la masse.
Si vous n’êtes pas sûr de cela dans votre installation, mesurez l’impédance d’un fil de cuivre de l’électrode à la source et comparez-la à l’impédance à travers la terre.
Cette différence d’impédance signifie que seule une quantité infime de courant de défaut circule à travers l’électrode de mise à la terre. Le défaut se déplace généralement le long de la terre de l’équipement (conducteurs et systèmes de canalisations métalliques), à travers la liaison neutre-terre, et revient à la source par le conducteur mis à la terre (neutre). C’est le courant de défaut élevé à travers le chemin à faible impédance qui provoque le déclenchement d’un dispositif de surintensité – et non la quantité négligeable de courant qui circule dans la terre via une tige de terre (Fig. 1).
Si c’est le cas, quelle est la fonction de l’électrode de terre ? Croyez-le ou non, elle en a plusieurs, dont les suivantes :
-
Limiter les tensions imposées par la foudre, les surtensions ou le contact accidentel avec des lignes à plus haute tension.
-
Stabiliser la tension à la terre pendant le fonctionnement normal, en aidant à maintenir la tension dans des limites prévisibles.
-
Aider le service public à éliminer ses propres défauts en devenant essentiellement une partie du système de mise à la terre multipoint du service public.
-
Fournir un chemin vers la terre pour la dissipation de l’électricité statique.
Espacement des tiges de terre. Supposons que vous enfoncez la première tige de terre d’un système. Si elle présente une résistance de terre de 25 ohms ou plus, l’article 250.56 du NEC 2005 vous oblige à enfoncer une deuxième tige. Mais de nombreux entrepreneurs ne prennent pas la peine de mesurer la résistance de terre. Ils prévoient simplement d’installer deux tiges parce que cela répondra aux exigences de la norme 250.56, quelle que soit la résistance de terre réelle. Ainsi, les installations à deux tiges sont courantes, mais sont-elles nécessairement correctes ?
Le Code exige que vous espaciez les tiges d’au moins 6 pieds . Cependant, cet espacement est un minimum – et loin d’être idéal. Lorsque vous utilisez la tige de terre typique de 8 pieds ou 10 pieds, vous obtenez les meilleurs résultats en espaçant les tiges d’au moins 16 ou 20 pieds, respectivement. C’est beaucoup plus que l’espacement minimum de 6 pieds du Code.
Les tiges de mise à la terre espacées de moins de deux longueurs de tige interfèrent entre elles car leurs zones de résistance effective se chevauchent (figure 2a ci-dessus). Pour référence, voir IEEE-142 et Soares Book on Grounding. Le chevauchement augmente la résistance nette de chaque tige, rendant le système d’électrodes de mise à la terre moins efficace que si les tiges étaient plus espacées (Fig. 2b ci-dessus).
Cavalier de liaison principal. Le cavalier de liaison principal est le lien entre le neutre et les barres de terre de l’équipement dans le service. Cette connexion vitale permet au courant de défaut à la terre de retourner à la source. Sans le cavalier de liaison principal, le défaut devrait passer par la terre à haute impédance plutôt que par le cuivre à basse impédance. Ce chemin à haute impédance limiterait très probablement le courant et empêcherait les disjoncteurs de se déclencher – ou du moins les empêcherait de se déclencher suffisamment tôt pour éviter d’endommager l’équipement.
Dimensionnez le cavalier de liaison principal selon le tableau 250.66. Beaucoup de gens supposent que ce tableau indique que la taille maximale du cavalier de liaison principal est de 3/0 AWG, mais c’est une autre idée fausse courante. Le cavalier de liaison doit représenter au moins 12,5 % de la surface équivalente des conducteurs de phase. Si vous faites passer 11 ensembles de conducteurs de 500 kcmil (un service de 4 000 A, par exemple), le cavalier de liaison principal devrait être de 700 kcmil minimum, et non de 3/0 AWG.
Ce problème est moins préoccupant avec les cavaliers de liaison pour les systèmes dérivés secondaires, comme les transformateurs et les générateurs, car les courants de défaut sont généralement beaucoup plus faibles dans ces systèmes.
Dimensionnement des conducteurs de mise à la terre des équipements. Les concepteurs utilisent généralement le tableau 250.122 pour dimensionner les conducteurs de mise à la terre de l’équipement. Dans la plupart des cas, la taille sera adéquate, surtout pour les petits circuits de dérivation. Mais lorsque le courant de défaut disponible est élevé – disons 100 000 A – et lorsqu’un disjoncteur en amont est réglé pour retarder son déclenchement de plusieurs cycles, vous devez dimensionner les conducteurs de mise à la terre plus soigneusement.
Les canalisations métalliques, qui transportent généralement plus de courant que les conducteurs de mise à la terre de l’équipement, peuvent ne pas être installées correctement ou se désagréger avec le temps. Par conséquent, le conducteur de mise à la terre de l’équipement peut être le seul chemin de retour à la terre disponible. Les conducteurs de mise à la terre sous-dimensionnés peuvent fondre lors d’un défaut avant de remplir leur fonction de fournir un chemin de courant continu à faible impédance vers la source lors d’une condition de défaut.
Il est important de comprendre que les conducteurs ont des indices de résistance. L’Association des ingénieurs des câbles isolés fournit une norme appelée Caractéristiques de court-circuit des câbles isolés, numéro P 32-382 (1994). Cette norme dit que pour une période de 5 secondes, l’indice de résistance d’un conducteur est de 1A par 42,25 mils circulaires.
Par exemple, un conducteur 3/0 AWG peut supporter en toute sécurité 3 972A pendant 5 secondes. L’indice de résistance I2T, 5 secondes, est donc de 78 883 920A. Supposons maintenant qu’un disjoncteur soit réglé pour s’ouvrir en 30 cycles – un délai que vous pourriez voir au service. Vous pouvez rapidement déterminer que le courant maximal qu’un 3/0 AWG peut supporter pendant 30 cycles (0,5 sec) est :
I2T = 78,883,920
I= √ (78,883,920÷T)
I= √ (78,883,920÷0.5)
I=12 560A
Mais si le courant de défaut disponible est de 65 000A ou 100 000A à l’extrémité de charge du conducteur de mise à la terre, ce dernier sera rapidement détruit en cas de défaut, en supposant que le disjoncteur prenne 30 cycles pour s’ouvrir. Vous devez être attentif au courant de défaut disponible et tenir compte du temps d’ouverture des disjoncteurs, en particulier des disjoncteurs principaux et des disjoncteurs d’alimentation dans le tableau de distribution principal. Effectuez les calculs I2T comme décrit ci-dessus, en particulier lorsque le courant de défaut disponible est élevé. Vous pouvez voir que le dimensionnement correct des conducteurs de mise à la terre des équipements n’est pas aussi simple que l’application des minimums du NEC.
Courants du système de mise à la terre. Le courant est présent dans le système de mise à la terre pendant les conditions de fonctionnement normales, et pas seulement pendant une condition de défaut. Cela explique probablement pourquoi le Code permet aux capteurs de défaut à la terre d’être réglés à un niveau aussi élevé que 1 200 A pour prévenir les déclenchements intempestifs.
A part les défauts à la terre, plusieurs choses peuvent produire du courant dans le système de mise à la terre, notamment :
-
Des courants induits par des fils porteurs de courant adjacents.
-
Les courants induits par les moteurs (notamment monophasés).
-
Le couplage capacitif entre les fils de phase et de neutre aux conducteurs de mise à la terre. Ce phénomène est connu pour provoquer des déclenchements intempestifs des disjoncteurs de fuite à la terre dans les circuits longs.
-
Décharge électrostatique des équipements.
Boucles de terre. Vous pouvez former des boucles de terre par l’interaction de la mise à la terre de l’alimentation et du câblage basse tension. Le câblage basse tension contient souvent un conducteur de mise à la terre des signaux qui peut essentiellement lier ensemble les masses de signaux internes entre différentes pièces d’équipement électronique. Si une liaison interne existe également entre la terre d’alimentation et la terre de signal dans l’équipement électronique, le courant peut circuler dans cette boucle. Bien que les câbles basse tension blindés ne soient généralement mis à la terre qu’à une seule extrémité pour éviter les boucles de masse, un fil de masse de signal séparé dans le blindage peut encore créer une liaison.
Pour un exemple où cela se produit couramment, pensez à un réseau informatique et aux blindages des appareils tels que les imprimantes, les routeurs et les stations de travail. Si vous reliez différents équipements entre eux, vous interconnectez des dispositifs qui ont un potentiel entre leurs broches de masse respectives (figure 3). Si vous avez un circuit complet à travers les fils de signal, vous avez une boucle de terre. Des courants de masse circulent en raison de ce potentiel et créent un bruit électrique qui peut perturber le fonctionnement du système. Les champs électromagnétiques qui passent par cette boucle pourraient également faire circuler du courant.
Pour minimiser ce phénomène, vous devez limiter le potentiel entre ces différents points de mise à la terre. TIA/EIA J-STD-607-A recommande un potentiel maximal de 1V entre les points de mise à la terre. Il est intéressant de noter qu’elle recommande également une grande boucle de terre pour la mise à la terre des bâtiments à plusieurs étages (Fig. 4). Dans les réseaux informatiques, la limitation du potentiel entre les points de mise à la terre a clairement la priorité sur les préoccupations relatives aux boucles de circulation des courants de terre. Les équipements audiovisuels sont cependant beaucoup plus sensibles.
Tout bâtiment donné comporte des centaines, voire des milliers de câbles basse tension, et chacun peut former sa propre boucle de terre en combinaison avec le système de mise à la terre de l’alimentation. Malheureusement, il n’y a pas de moyen pratique dans un bâtiment standard de garantir un plan de masse uniforme dans tout le bâtiment.
Le mieux que vous puissiez faire est de mettre correctement à la terre les pièces clés de l’équipement. Cela signifie fournir des barres de terre dans toutes les salles de télécommunications et audio/vidéo, et s’assurer que chaque pièce d’équipement dans ces salles est liée à ces barres de terre. Cela garantit un plan de masse assez uniforme dans la pièce – au moins dans la gamme des basses fréquences.
Un remède couramment prescrit pour ces types de problèmes de mise à la terre consiste à fournir des plans de masse équipotentiels sur une large gamme de fréquences. Les méthodes comprennent l’utilisation de mailles de terre dans les dalles et de grilles de référence de signaux sous les planchers surélevés. Compte tenu du coût de ces mesures, ces méthodes sont généralement réservées aux installations de communication les plus sensibles, et non aux installations commerciales ou institutionnelles typiques. Un plan de masse équipotentiel n’est cependant qu’une étape. Ce n’est pas une panacée pour les boucles de terre, car des courants peuvent toujours être induits par les champs électromagnétiques qui traversent les conducteurs.
Ne vous laissez pas submerger par la grande quantité de minuties liées à la mise à la terre. Avoir la main sur quelques concepts de base de la mise à la terre devrait vous aider à faire le tri. Une bonne mise à la terre est la clé du succès opérationnel de toute installation, donc plus vos conceptions sont informées, plus l’installation sera fiable et moins de problèmes de qualité de l’énergie feront surface.
Janof, P.E., est associé et chef de projet senior chez Sparling, une société de conseil en ingénierie électrique et en technologie avec des bureaux à Seattle et Portland.