Lorsqu'ils sont consultés, les ingénieurs peuvent mentionner des relais, des disjoncteurs ou des transformateurs de courant (CT) pour discuter de la manière dont la protection contre les défauts à la terre est réalisée. Cependant, la décision réelle concernant la force du défaut et si l'ensemble de l'installation doit être arrêté ou seulement un alimentateur est prise par une résistance. La résistance de mise à la terre neutre (NER) est considérée comme l'un des composants les plus critiques liés aux systèmes de moyenne tension (MV), cependant, il y a peu d'informations à ce sujet pour les personnes en dehors du génie électrique. Cet article couvre ce qu'est la NER, comment elle fonctionne, ses parties, comment choisir des NER et combien cela coûte.
Réponse rapide : NER/NGR ou résistance de mise à la terre neutre signifie une résistance qui connecte le neutre du générateur ou du transformateur à la terre. Cet appareil est destiné à limiter le courant de défaut à la terre de court-circuit monophasé dans des limites acceptables et gérables, c'est-à-dire dans la plage de dizaines ou de centaines d'ampères plutôt que de milliers.
Qu'est-ce qu'un résistor de mise à la terre neutre ?
Un résistor de mise à la terre neutre est exactement ce qu'il semble : un résistor connecté entre le point de neutralité d'un générateur ou d'un transformateur et la terre dans les systèmes qui ont des conducteurs neutres (enroulements connectés en étoile). C'est un élément inséré dans le circuit pour limiter le flux de courant de défaut à la terre dans les cas où l'une des phases touche le sol. La quantité de courant limitée est suffisamment grande pour que le relais réagisse et suffisamment faible pour ne pas endommager les câbles électriques ou affecter les personnes.
Le résistor de mise à la terre neutre occupe une position intermédiaire par rapport à deux extrêmes, à savoir, les systèmes solidement mis à la terre (où les courants de défaut provenant du défaut à la terre peuvent atteindre des milliers d'ampères) et les systèmes non mis à la terre (sans le neutre mis à la terre intentionnellement et, par conséquent, le défaut à la terre invisible). Un résistor de mise à la terre neutre permet de contrôler le flux du courant de défaut à la terre, de détecter les défauts et de gérer les transitoires de surtension.
Le tableau plus large de la mise à la terre — pourquoi et comment les neutres des transformateurs sont mis à la terre — est couvert dans notre bases de mise à la terre des transformateurs article ; le NER est le composant qui permet à une philosophie de mise à la terre spécifique de fonctionner.
Comment ça fonctionne
Considérez la situation où il y a un défaut de phase C à la terre dans un transformateur connecté en formation Y. Le chemin du courant de défaut se compose de : le point de défaut, la terre, le NER, le neutre du transformateur et l'enroulement de phase C. Il y a un résistor dans le NER et, selon la loi d'Ohm, la solution est évidente.
Selon la formule appropriée (en effet IEEE Std 32) : R = Vln / (√3 × If), où Vln représente les tensions de ligne du système entre les phases et If fait référence à la valeur souhaitée du courant de défaut à la terre. En d'autres termes, si nous prenons pour calcul le cas du système 6kV avec le connecteur résistif ayant une résistance de 10 Ohm, le courant de défaut passe d'un système efficacement mis à la terre de 1000 A à environ 346 A, ce qui est encore suffisant pour déclencher le relais mais suffisamment bas pour permettre aux câbles, aux équipements de commutation et à la zone de défaut d'être récupérables malgré les dommages.
Trois choses se produisent simultanément lors d'un événement de défaut. Le courant est limité par la résistance, les tensions sont déterminées par l'unité NER appropriée permettant au relais de protection de détecter correctement le défaut, et l'énergie de défaut est dissipée dans la résistance sous forme de chaleur, ce qui prouve que les NER ne sont classés que pour un court laps de temps mais pas pour un fonctionnement continu.
Types de NER
Les NER sont classés en fonction de la quantité de courant de défaut qu'ils permettent, et le choix du type de NER est guidé par la philosophie de protection plutôt que par le coût :
| Taper | Courant de défaut | Comportement en cas de défaut | Application typique |
|---|---|---|---|
| NER à faible résistance (LRG) | 100-1 000 A (certaines conceptions jusqu'à 2 500 A) | Le relais se déclenche rapidement ; le feeder est isolé | Réseaux utilitaires et industriels MV, mise à la terre des générateurs |
| NER à haute résistance (HRG) | ≤10 A | Pas de déclenchement ; alarme seulement ; le système continue de fonctionner | Usines de processus continus, où un arrêt est pire qu'un défaut |
| Connecté en permanence | — | Toujours dans le circuit | Sous-stations et réseaux industriels sensibles |
| Connecté temporairement / portable | — | Connecté lors des défauts, ou utilisé pour des tests | Mise en service, maintenance, travaux sur le terrain |
En prenant une décision entre LRG et HRG, la question à laquelle il faut répondre est de savoir si un arrêt est pire qu'un défaut. Si un feeder utilitaire peut se permettre une courte interruption, il optera pour LRG qui est rapide et sélectif. Si une usine chimique est impliquée dans des activités où un arrêt imprévu pourrait entraîner une solidification des matériaux, alors HRG sera choisi pour permettre la reconnaissance du défaut pendant que l'installation se prépare à un arrêt ordonné. Pour la coordination de protection autour de ces choix, notre bases de la protection contre les défauts à la terre article montre comment la valeur de la résistance et les réglages du relais fonctionnent ensemble.
Composants et construction
Un système NER moderne comprend plus qu'un simple élément résistif emballé dans un boîtier. Voici ce que contient une unité typique :
- Les éléments résistifs : grilles en acier inoxydable (304/316/316L) dans la plupart des cas, alliage nickel-chrome (Cr20Ni80) pour les zones difficiles ou fer-chrome-aluminium (FeCrAl) pour des conceptions économiques. Les éléments en acier inoxydable sont capables de fonctionner sous des modes à court terme à une température ne dépassant pas 760ºC (IEEE 32) et ≤385ºC en fonctionnement continu.
- Système d'isolation : le système doit répondre aux exigences de tension et être efficace à la fois pour la tenue à la fréquence de puissance et le niveau d'impulsion de base (BIL) par rapport aux caractéristiques du réseau (par exemple, un NER de 10 kV devrait être capable de résister à 42 kV à la fréquence de puissance et 75 kV d'impulsion).
- Enclosure : IP20/IP23 pour un usage intérieur et IP54/IP55 avec ventilation à lamelles pour un usage extérieur.
- Dispositifs de surveillance : y compris un transformateur de courant pour la mesure du courant de défaut, un isolateur ou un contacteur à vide pour déconnecter le NER et un dispositif de surveillance NGR avec résistance de circuit ouvert, température PT100 et enregistreurs d'événements.
Lorsque vous achetez un NER, le transformateur de courant à l'intérieur est une petite mais essentielle partie — c'est ce que le relais lit, et le gamme de produits de transformateurs de courant explique la famille CT et ses classifications.
Le symbole et la position du circuit
Dans les schémas unifilaires, le résistor de mise à la terre neutre (NER) est représenté par la notation de résistor (soit un rectangle soit un zigzag) reliant une borne au point neutre soit du transformateur soit du générateur et l'autre borne au symbole de mise à la terre (la forme triangulaire à trois lignes). Dans ces cas où le point neutre n'est pas présent (connexion delta), un transformateur de mise à la terre est utilisé pour créer le point neutre ; par la suite, le NER est connecté à ce neutre. Dans tous les cas, le résistor est toujours connecté entre le point neutre et la terre et jamais en série avec les conducteurs de phase.
Si l'on regarde les dessins de projets de transformateurs ou de générateurs, le NER peut être trouvé sur le schéma de mise à la terre neutre avec le transformateur de courant neutre (CT), l'interrupteur de mise à la terre et la protection du barres de distribution neutre, prouvant ainsi le concept de mise à la terre en un instant.
Comment dimensionner et sélectionner un NER
Choisir la bonne unité est un processus en six étapes, omettre l'une d'elles peut compromettre la sécurité ou entraîner des coûts élevés :
- Tension nominale — la tension mesurée de la terre à la phase dans le système (Vln), ainsi que la tension d'impulsion de tenue correspondant aux exigences de l'installation.
- La cible de courant de défaut (If) doit être supérieure au courant de charge capacitive du système (pour éviter les arcs ou les surtensions de résonance) mais inférieure aux limites de capacité thermique des câbles et équipements, tout en étant considérablement au-dessus de l'activation du relais (pas moins de 10A).
- Valeur de résistance = R = Vln / (√3 × If).
- Classification temporelle = 10s-30s pour LRG, continue en ce qui concerne HRG et conduisant à la détermination de la conception thermique et de la classification d'énergie I²t (par exemple, capable de résister à 400 kA²s à 10kA/0.4s).
- Matériau des éléments = acier inoxydable pour les applications générales, alliages nickel-chrome pour une utilisation dans les régions côtières.
- Enceinte et surveillance = que ce soit à l'intérieur ou à l'extérieur, et valeur des unités CT et de surveillance intégrées (degré de protection IP).
De plus, il existe une recommandation pratique de l'IEEE 32 concernant l'utilisation de la capacité continue d'un système sain = 5%-10% du courant à pleine charge pour les installations qui sont constamment connectées. Et lorsque vous choisissez l'appareil, indiquez toujours la durée : “ évaluation de 10 secondes, 400A ” est un produit complètement différent de “ continu, 10A ” – un exemple d'erreur de spécification. Pour obtenir de l'aide pour transformer une étude de système en spécification de composant, contactez notre équipe d'ingénierie avec votre tension, philosophie de mise à la terre et paramètres de protection.
Avantages et comparaison avec d'autres mises à la terre
Quels sont les avantages d'utiliser la NER au lieu d'un système de mise à la terre solide ou d'aucun système de mise à la terre ?
| Méthode de mise à la terre | Courant de défaut | Détection de défaut | Contrôle de surtension | Continuité |
|---|---|---|---|---|
| Solidairement mis à la terre | Très élevé (1 000s A) | Excellente | Bonne | Déclenche sur défaut |
| NER (LRG) | 100-1 000A | Excellente | Bon (suppression des arcs) | Déclenche sur défaut, de manière sélective |
| NER (HRG) | ≤10 A | Basé sur alarme | Excellente | Continue de fonctionner |
| Non mis à la terre | Aucun (premier défaut) | Mauvais | Mauvais — surtensions d'arc | Fonctionne, mais dangereusement |
Le principal avantage de l'utilisation de la NER est la sécurité (la tension de contact maximale est inférieure à 50V selon la norme IEC 60479), la protection contre les dommages aux équipements (il n'y aura pas de surtensions de l'ordre du kilovolt), la limitation des dommages lors de la survenance d'un défaut (le courant de défaut sera limité), la protection sélective (le relais fonctionnera sans opération inutile) et la stabilité du système (les phases non défectueuses auront des tensions égales jusqu'à 10% de la tension normale, ce qui signifie que plus de 90% du système sera opérationnel). Dans les cas où tout temps d'arrêt n'est pas acceptable pour l'entreprise, l'utilisation de la NER fait la différence entre un arrêt imprévu et une occurrence d'alarme contrôlée.
Plages de prix
Le prix des NER dépend du degré de tension, de la capacité de courant et de la durée de fonctionnement, ainsi que de tout accessoire requis.
| Configuration | Prix Typique |
|---|---|
| Unité HRG basse tension (petite, intérieure) | $1,500-5,000 |
| NER moyenne tension, 10s de capacité, boîtier de base | $3,000-12,000 |
| NER moyenne tension avec CT + unité de surveillance | $8,000-20,000 |
| Unité haute spécification (classe 35kV, éléments NiCr, extérieur IP55, surveillance complète) | $15,000-30,000+ |
De plus, il y aura des coûts d'installation tels que l'embauche d'une équipe agréée, les terminaisons de câbles et les tests de mise en service, qui ajouteront environ 10%-25% à vos coûts totaux. En outre, acheter le résistor et le relais auprès d'une seule source garantira la compatibilité des pièces dans votre système.
FAQ
Quelle est la différence entre la mise à la terre et la résistance neutre ?
La mise à la terre représente la pratique habituelle de réaliser des connexions pour la sécurité, en reliant le point neutre, les cadres et les boîtiers du système. D'autre part, la résistance neutre est la méthode dans laquelle un résistor est utilisé entre le neutre et la terre pour limiter le courant de défaut à la terre. La mise à la terre par résistance est l'un des types de philosophie de mise à la terre, tandis que d'autres incluent la mise à la terre solide, la mise à la terre par impédance et les systèmes non mis à la terre.
Comment calculer le résistor de mise à la terre neutre ?
Le calcul doit être effectué en utilisant la formule suivante R=Vln/(√3 × If), où Vln est la tension entre deux phases d'une alimentation électrique et If est le courant de défaut à la terre sélectionné. Le courant de défaut à la terre sélectionné doit être supérieur au courant capacitif du système et ne pas dépasser les limites du câble et de l'équipement, et être significativement supérieur au courant détecté par le relais. Ensuite, la limite d'énergie I²t de l'unité doit correspondre à la durée du défaut.
Pourquoi ai-je 230V entre le neutre et la terre ?
La tension neutre à terre dans des conditions de fonctionnement appropriées devrait être égale à zéro en raison de la connexion du neutre à la terre. La valeur de 230 volts observée sur une période prolongée indique une connexion neutre à terre perdue ou à haute résistance, ou un neutre manquant dans un circuit multi-fils ou un neutre déconnecté dans un système correctement mis à la terre. Toutes ces situations doivent être vérifiées par un électricien ou un ingénieur qualifié.
Quel est le but de la mise à la terre neutre ?
La mise à la terre neutre permet de lier la tension du système à un point de référence afin que les tensions entre les phases et la terre puissent être prédites et que les défauts puissent être détectés.
Références
- OMO — Guide approfondi sur la technologie des résistors de mise à la terre neutre
- DiGi Electronics — Guide des résistors de mise à la terre neutre
- Orion Resistors — Calcul des résistors de mise à la terre neutre (6kV-35kV)
- Captech — Qu'est-ce qu'un résistor de mise à la terre neutre ?
- IEEE Std 32 — Exigences, terminologie et procédures de test pour les dispositifs de mise à la terre neutre
Conclusion
Le résistor de mise à la terre neutre est le dispositif discret qui décide du sort d'un défaut à la terre, déterminant si cela serait un événement gérable et reconnaissable par opposition à un arc électrique ou une panne totale de l'installation. L'essence du résistor de mise à la terre neutre peut être brièvement décrite en termes de loi d'Ohm — R = Vln / (√3 × If). De plus, le principe de mise à la terre neutre est réalisé de deux manières. La première méthode est le système de mise à la terre à faible résistance qui déclenche à 100-1,000 A, tandis que la deuxième méthode est le système à haute résistance qui fonctionne sous 10 A permettant d'alerter l'utilisateur sans arrêter le processus. En tout, six paramètres doivent être pris en compte lors de la sélection d'un résistor de mise à la terre neutre sûr et efficace : tension, courant de défaut, résistance, durée de fonctionnement, matériau du composant et matériau du boîtier ; ainsi, si l'un des paramètres est incorrect, le dispositif de sécurité devient un danger d'incendie. Le prix du résistor de mise à la terre neutre est d'environ $1,500 pour un petit dispositif basse tension et au-dessus de $30,000 pour un système 35kV entièrement surveillé, ce qui en fait l'une des formes d'assurance les moins coûteuses pour un système d'énergie électrique, pouvant sauver des générateurs et des transformateurs précieux ainsi que résoudre le problème d'un accident qui aurait pu les détruire.