Introduction
La sécurité électrique dans les installations industrielles et commerciales ne consiste pas à choisir entre les méthodes de protection, mais à comprendre comment elles fonctionnent ensemble. De nombreux gestionnaires d'installations et entrepreneurs sont confrontés à une question courante : “ Ces dispositifs ne font-ils pas la même chose ? ” La réponse révèle une vérité fondamentale sur la protection électrique.
La mise à la terre, les DDR (Dispositifs Différentiels Résiduels) et les parafoudres traitent chacun des modes de défaillance distincts dans votre système électrique. Ils ne sont pas redondants ; ce sont des couches complémentaires qui protègent contre différentes menaces. Un système correctement mis à la terre ne protégera pas votre équipement contre les pics de tension induits par la foudre. Un parafoudre n'empêchera pas quelqu'un d'être électrocuté par un défaut à la terre. Et un DDR ne peut pas stabiliser la tension pendant le fonctionnement normal.
Ce guide décompose chaque pilier de protection, explique contre quoi il protège (et contre quoi il ne protège pas) et vous montre comment spécifier un système de sécurité complet qui répond aux normes CEI et NEC tout en protégeant à la fois le personnel et l'équipement.
Pilier 1 : Systèmes de mise à la terre
Ce que fait la mise à la terre
La mise à la terre crée une connexion délibérée à faible impédance entre votre système électrique et la terre. Considérez-la comme le fondement de la sécurité électrique : sans elle, les deux autres piliers ne peuvent pas fonctionner correctement.
Le système de mise à la terre connecte toutes les parties métalliques non conductrices de votre installation (boîtiers d'équipement, chemins de câbles et métal de structure) à une électrode de terre enfouie dans le sol. Cela fournit un chemin sûr pour la circulation du courant de défaut.
Comment la mise à la terre protège
Sécurité du personnel: Lorsqu'un défaut met sous tension les boîtiers d'équipement (un fil desserré touche le boîtier métallique), le conducteur de terre fournit un chemin à faible résistance vers la terre. Cela empêche les tensions de contact dangereuses et assure une circulation rapide du courant de défaut pour déclencher les dispositifs de protection contre les surintensités.
Prévention des incendies: En canalisant les courants de défaut en toute sécurité, la mise à la terre empêche la surchauffe des fils et les arcs électriques qui peuvent provoquer des incendies. Le courant de défaut élevé déclenche les disjoncteurs ou les fusibles, isolant le problème.
Stabilisation de la tension: La mise à la terre établit un point de référence pour votre système électrique, maintenant une tension stable pendant le fonctionnement normal. Ceci est essentiel pour les équipements de contrôle industriel sensibles.
Protection contre les surtensions: Les coups de foudre et les surtensions des lignes électriques ont besoin d'un chemin vers la terre. La mise à la terre fournit ce chemin, bien qu'elle nécessite une coordination avec les parafoudres pour une protection complète.
Exigences des normes CEI 60364 et NEC Article 250
Les normes internationales classent les systèmes de mise à la terre en fonction de la manière dont la source et l'installation sont liées à la terre :
| Type De Système De | Connexion de la source | Connexion des parties exposées | Applications courantes |
|---|---|---|---|
| TN-S | Neutre directement mis à la terre | Connecté via un conducteur PE séparé | Le plus courant dans les nouvelles installations industrielles |
| TN-CS | Conducteur PEN combiné, séparé ultérieurement | Connecté au PEN, puis PE séparé | Configurations d'entrée de service du bâtiment |
| TT | Source mise à la terre | Électrode de terre locale indépendante | Requis lorsque la mise à la terre du service public n'est pas disponible ; nécessite un DDR |
| IT | Terre isolée ou à haute impédance | Connexion de terre locale | Hôpitaux, processus critiques nécessitant une continuité |
L'article 250 du NEC exige la mise à la terre pour les systèmes de plus de 50 V. Les principales exigences comprennent :
- Système d'électrodes de mise à la terre: Les tuyaux d'eau métalliques, l'acier de construction, les électrodes enrobées de béton (terre Ufer) et les piquets de terre doivent être reliés ensemble
- Conducteurs de mise à la terre des équipements (EGC): Requis dans tous les circuits, dimensionnés selon le tableau 250.122 en fonction du calibre du dispositif de protection contre les surintensités
- Chemin de courant de défaut à la terre efficace: Doit être permanent, continu et à faible impédance. La terre seule n'est pas un chemin de défaut à la terre efficace.
Ce que la mise à la terre ne peut pas faire
Ne détecte pas les fuites de courant: Une personne touchant un conducteur sous tension tout en se tenant sur une surface isolée ne sera pas protégée : il n'y a pas de chemin vers la terre pour que le système de mise à la terre puisse le détecter. C'est là que les DDR sont essentiels.
Ne limite pas les surtensions transitoires: Bien que la mise à la terre fournisse un chemin pour le courant de surtension, elle ne limite pas la tension à des niveaux sûrs. Vous avez besoin de parafoudres pour cela.
N'empêche pas tous les chocs: Si vous contactez simultanément le fil sous tension et le neutre, le courant ne circule pas à travers la terre, de sorte que le système voit un courant équilibré et ne se déclenche pas.
Pilier 2 : Protection GFCI/DDR
Ce que font les DDR
Les Dispositifs Différentiels Résiduels (DDR)—appelés Disjoncteurs de fuite à la terre (GFCI) en Amérique du Nord—sont des dispositifs de sauvetage conçus spécifiquement pour protéger les personnes contre les chocs électriques. Ils surveillent l'équilibre du courant et réagissent en quelques millisecondes aux fuites dangereuses.
Contrairement à la mise à la terre, qui fournit un chemin de défaut passif, les DDR surveillent activement le circuit et se déclenchent dès qu'ils détectent un courant circulant dans un chemin non intentionnel, tel que le corps d'une personne.
Comment fonctionnent les DDR
Un DDR utilise un transformateur de courant différentiel (transformateur d'équilibre de noyau) avec les conducteurs sous tension et neutre le traversant. En fonctionnement normal, le courant sortant par le conducteur sous tension est égal au courant revenant par le neutre. Les champs magnétiques s'annulent.
Lorsqu'un défaut à la terre se produit (quelqu'un touche une partie sous tension ou l'isolation tombe en panne), le courant fuit à la terre. Cela crée un déséquilibre. La bobine de détection détecte cette différence, induit un courant dans l'enroulement secondaire et déclenche le mécanisme de relais. L'ensemble du processus prend 10 à 30 millisecondes.
Sensibilité et temps de réponse
La norme CEI 61008 définit la sensibilité du DDR par le courant différentiel résiduel assigné de fonctionnement (IΔn) :
| Classe de sensibilité | Calibre IΔn | Application Typique | Temps de déclenchement |
|---|---|---|---|
| Haute sensibilité | 5 mA, 10 mA, 30 mA | Protection du personnel, protection supplémentaire contre les contacts directs | 10-30 ms typique ; 300 ms maximum |
| Sensibilité moyenne | 100 mA, 300 mA, 500 mA, 1000 mA | Protection contre l'incendie dans les installations industrielles | Selon la courbe temps-courant de la norme IEC 61008 |
| Basse sensibilité | 3 A, 10 A, 30 A | Protection des machines, isolation des équipements | Spécifique à l'application |
Pour la protection du personnel, 30 mA est la norme. Ce seuil est suffisamment bas pour prévenir la fibrillation ventriculaire chez les adultes en bonne santé, tout en étant suffisamment élevé pour éviter les déclenchements intempestifs dus aux fuites normales dans les grandes installations.
Types de DDR selon IEC 61008/61009
Type AC: Détecte uniquement les courants résiduels alternatifs sinusoïdaux. Convient aux charges résistives comme le chauffage et l'éclairage.
Type A: Détecte les courants résiduels alternatifs et continus pulsés. Requis pour l'électronique moderne, les entraînements à vitesse variable et les charges à base de redresseurs qui peuvent produire des composantes de défaut CC.
Type B: Détecte les courants résiduels alternatifs, continus pulsés et continus lisses. Obligatoire pour les bornes de recharge de VE, les onduleurs solaires et les convertisseurs de fréquence industriels selon IEC 61851 et IEC 62196.
Type F: Type A amélioré avec immunité aux interférences haute fréquence. Utilisé pour les équipements informatiques et les centres de commande de moteurs.
Ce que les DDR ne peuvent pas faire
Aucune protection pour le contact ligne à ligne: Si quelqu'un touche simultanément le fil de phase et le neutre, le DDR voit un courant équilibré et ne se déclenchera pas. Le courant ne fuit pas à la terre.
Pas de protection contre les surintensités: Les DDR ne protègent pas contre les surcharges ou les courts-circuits. Ils doivent être installés en aval des disjoncteurs MCB ou MCCB, ou utiliser des RCBO (dispositifs combinés).
Aucune protection contre les surtensions: Les DDR détectent le déséquilibre de courant, pas les pics de tension. Une surtension due à la foudre peut endommager l'équipement même avec une protection DDR.
Nécessite une alimentation fonctionnelle: Les DDR standard ont besoin de la tension de ligne pour actionner le mécanisme de déclenchement. Des types indépendants de la tension existent pour les applications critiques.
Pilier 3 : Parafoudres
Ce que font les parafoudres
Les parafoudres (SPD) protègent les équipements contre les surtensions transitoires, des pics de tension brefs mais destructeurs causés par la foudre, la commutation du réseau ou les changements de charge. Ces surtensions peuvent atteindre des milliers de volts et détruire l'électronique sensible en quelques microsecondes.
Les parafoudres détectent la tension excessive et la détournent vers le système de mise à la terre, limitant la tension à un niveau sûr. C'est pourquoi une mise à la terre correcte est essentielle : sans un chemin à faible impédance vers la terre, le parafoudre n'a nulle part où envoyer l'énergie de la surtension.
Comment fonctionnent les SPD
Les parafoudres utilisent trois technologies principales :
Varistances à oxyde métallique (MOV): Dispositifs semi-conducteurs avec une résistance dépendant de la tension. À tension normale, ils sont essentiellement ouverts. Lorsque la tension dépasse le seuil, la résistance chute considérablement, shuntant la surtension à la terre. Temps de réponse : <25 nanosecondes.
Tubes à décharge de gaz (GDT): Tubes en céramique remplis de gaz qui s'ionisent et conduisent à haute tension. Gèrent des courants de surtension massifs mais ont une réponse plus lente (microsecondes) et une tension de limitation plus élevée. Souvent utilisés dans la protection des télécommunications.
Diodes de suppression (SAD/TVS): Dispositifs semi-conducteurs à action rapide pour une protection de précision à basse tension. Courantes dans les lignes de données et les circuits de commande sensibles.
Les parafoudres industriels combinent souvent des technologies : GDT pour les impacts à haute énergie, MOV pour les surtensions moyennes et diodes pour la limitation finale.
Classification IEC 61643
La norme IEC 61643-11 définit trois types de parafoudres pour une protection coordonnée :
| Type de SPD | Lieu d'installation | Forme d'onde de test | Courant d'impulsion (Iimp) | Décharge nominale (In) | Niveau de protection de tension (Up) | But |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Type 1 (Classe I) | Arrivée de service principale, en amont du disjoncteur principal | 10/350 µs | 10-200 kA | — | 1,5-2,0 kV | Protection directe contre la foudre |
| Type 2 (Classe II) | Tableaux de distribution, sous-tableaux | 8/20 µs | — | 10-60 kA | ≤1,6-2,0 kV | Foudre indirecte, surtensions de commutation |
| Type 3 (Classe III) | Point d'utilisation, près de l'équipement | 1,2/50 µs (Uoc) + 8/20 µs (In) | — | <5 kA | 1,0-1,5 kV | Protection finale pour les équipements sensibles |
Installation coordonnée est cruciale. Le type 1 gère l'énergie massive des impacts directs. Le type 2 protège contre les surtensions qui pénètrent au-delà de l'arrivée de service. Le type 3 assure la limitation finale pour les charges sensibles.
Principales spécifications
Niveau de protection de tension (Up): La tension maximale que le parafoudre laisse passer. Doit être inférieure à la tension de tenue aux impulsions de l'équipement. Pour les systèmes 230V avec un équipement évalué à 2,5 kV de tenue aux impulsions, spécifiez des parafoudres avec Up ≤ 2,0 kV.
Courant de décharge nominal (In, 8/20 µs): Le courant que le parafoudre peut supporter de manière répétée. Les applications industrielles nécessitent généralement 20-40 kA pour les dispositifs de type 2.
Courant de décharge maximal (Imax): Le courant de crête pour un événement de surtension unique. Important pour les installations à forte exposition.
Le Temps De Réponse: Les parafoudres à MOV réagissent en nanosecondes, assez rapidement pour la plupart des menaces. Les dispositifs à GDT prennent des microsecondes mais gèrent une énergie plus élevée.
Exigences en matière d'installation
Selon la norme IEC 61643-11 :
- Longueur du câble < 0,5 mètre: Les longs câbles créent une inductance, augmentant la Up effective et annulant la protection
- Protection de secours contre les surintensités: Les fusibles ou les disjoncteurs protègent contre la défaillance du parafoudre
- Mise à la terre correcte: L'efficacité du parafoudre dépend entièrement de l'impédance du système de mise à la terre
- Coordination entre les types: Les parafoudres de type 1 et de type 2 nécessitent une séparation minimale de 10 mètres de câble ou une inductance de découplage
Ce que les parafoudres ne peuvent pas faire
Aucune protection contre les chocs électriques pour le personnel: Les parafoudres protègent les équipements contre les surtensions, pas les personnes contre les chocs électriques. Ils ne se déclencheront pas si quelqu'un touche un conducteur sous tension.
Aucune protection sans mise à la terre: Un parafoudre dévie le courant de surtension vers la terre. Si votre système de mise à la terre a une impédance élevée ou est déconnecté, le parafoudre est inutile.
Aucune protection contre les surtensions soutenues: Les parafoudres gèrent les transitoires qui durent de quelques microsecondes à quelques millisecondes. Ils ne peuvent pas protéger contre les surtensions de longue durée dues à des problèmes de réseau - vous avez besoin de relais de sur/sous-tension pour cela.
Durée de vie limitée: Les parafoudres se dégradent à chaque surtension. La plupart comprennent des indicateurs visuels ou des contacts à distance pour signaler la fin de vie.
Tableau de comparaison
| Caractéristique de protection | Système de mise à la terre | GFCI/DDR | Dispositif de protection contre les surtensions (SPD) |
|---|---|---|---|
| Objectif principal | Chemin du courant de défaut, référence de tension | Protection du personnel contre les chocs électriques | Protection des équipements contre les transitoires |
| Contre quoi il protège | Défauts d'équipement, incendie, permet le fonctionnement du dispositif de surintensité | Choc électrique dû à des défauts à la terre (fuite de 4 à 30 mA) | Foudre, surtensions de commutation, pics de tension |
| Ce contre quoi il ne protège PAS | Fuite de courant < seuil du disjoncteur, pics de tension, choc entre phases | Surcharge, court-circuit, surtensions, contact entre phases | Risques de choc, surintensité, surtension soutenue |
| Le Temps De Réponse | Instantané (chemin toujours présent) | 10-30 ms typique, 300 ms max | < 25 ns (MOV), 1-5 µs (GDT) |
| Seuil d'activation | N/A (conducteur passif) | 5 mA à 30 A (dépend du calibre) | Dépasse la tension nominale (par exemple, > 350 V pour un système 230 V) |
| Normes clés | IEC 60364, NEC Article 250 | IEC 61008/61009, NEC 210.8 | CEI 61643-11, UL 1449 |
| Lieu d'installation | Dans tout le système : service, panneaux, équipement | Tableaux de distribution, circuits présentant un risque de choc (zones humides, équipements) | Entrée de service (Type 1), panneaux (Type 2), équipement (Type 3) |
| Nécessite une autre protection | Non, mais permet aux autres de fonctionner | Oui - nécessite un MCB/MCCB en amont | Oui - nécessite une mise à la terre et un fusible/disjoncteur de secours |
| Calibres industriels typiques | < 1 Ω résistance d'électrode ; EGC selon le tableau 250.122 du NEC | 30 mA (personnel), 100-300 mA (incendie), Type A/B pour l'industrie | Type 2 : 20-40 kA In ; Up ≤ 2,0 kV |
| Maintenance | Test périodique de résistance | Bouton de test mensuel, test de déclenchement annuel | Vérification de l'indicateur visuel, remplacement après une surtension importante |
| Mode de Défaillance | Corrosion progressive ; détectable par des tests | Sécurité intégrée (la plupart se déclenchent en cas de défaillance) ; test trimestriel | Dégradation après les surtensions ; surveiller l'indicateur |
| Considération du coût | Modéré ; coût de conception/installation | Faible à modéré par appareil | Modéré (Type 2) à élevé (Type 1) |
| Exigences du code | Obligatoire selon NEC/IEC pour tous les systèmes > 50V | Obligatoire pour les emplacements humides/extérieurs, les machines selon la norme IEC 60204 | Recommandé pour les équipements critiques ; obligatoire pour les zones exposées à la foudre |
Section FAQ
Q: Puis-je faire l'impasse sur la mise à la terre si j'ai des DDR et des parasurtenseurs ?
Non. La mise à la terre est la base. Les DDR détectent un déséquilibre de courant en comparant la phase et le neutre ; ils ont besoin d'une référence de terre pour fonctionner. Les parasurtenseurs dévient la tension excessive vers la terre ; sans un système de mise à la terre approprié, ils n'ont nulle part où envoyer l'énergie. Les trois fonctionnent ensemble.
Q: Un parasurtenseur empêchera-t-il les chocs électriques ?
Non. Les parasurtenseurs traitent les dommages causés aux équipements par les pics de tension, et non la sécurité du personnel. Si quelqu'un touche un conducteur sous tension, le parasurtenseur ne réagira pas car il n'y a pas de surtension, mais un courant normal qui emprunte un chemin non intentionnel à travers une personne. C'est ce que les DDR empêchent.
Q: Ai-je besoin de DDR de type B pour toutes les installations industrielles ?
Pas tous, mais de plus en plus courant. Les DDR de type B sont obligatoires pour les charges susceptibles de produire des courants de défaut continus : bornes de recharge pour véhicules électriques, onduleurs solaires, variateurs de fréquence et systèmes de freinage à récupération. Pour les charges résistives et inductives standard, le type A est suffisant. Vérifiez la norme IEC 60204-1 pour les exigences relatives aux machines.
Q: Comment savoir quand utiliser des parafoudres de type 1 ou de type 2 ?
L'emplacement d'installation détermine cela. Le Type 1 se place à l'entrée principale de service si vous avez une protection externe contre la foudre ou si vous êtes dans une zone à forte exposition. Le Type 2 s'installe au niveau des tableaux de distribution et des sous-tableaux - c'est le SPD industriel le plus courant. Utilisez les deux dans une protection coordonnée pour une couverture complète.
Q: Les DDR peuvent-ils provoquer des déclenchements intempestifs dans les grandes installations ?
Oui, si la sensibilité est trop élevée. Les grandes installations ont un courant de fuite cumulatif provenant de la capacitance des câbles et des circuits de filtrage. Pour un tableau industriel de 400A, spécifiez des DDR de 300 mA pour la protection contre l'incendie plutôt que de 30 mA. Utilisez 30 mA uniquement pour les circuits terminaux présentant un risque de contact direct avec le personnel. Les DDR de type S à temporisation empêchent les déclenchements intempestifs dus aux fuites transitoires.
Q: Quelle est la différence entre la mise à la terre et la liaison équipotentielle ?
La mise à la terre relie votre système électrique à la terre. La liaison équipotentielle relie toutes les parties métalliques non conductrices de courant (enveloppes, chemins de câbles, acier de construction) afin d'éliminer les différences de potentiel dangereuses. Les deux sont obligatoires. L'article 250 du NEC couvre les deux ; la norme IEC 60364-5-54 traite spécifiquement de la liaison équipotentielle.
Conclusion
La sécurité électrique n'est pas un simple dispositif ou une exigence du code : c'est un système où la mise à la terre, la protection GFCI/DDR et la protection contre les surtensions fonctionnent comme des couches complémentaires. Chacune traite des modes de défaillance spécifiques que les autres ne peuvent pas prévenir.
La mise à la terre fournit la base : un chemin de courant de défaut, une référence de tension et l'infrastructure essentielle au fonctionnement des autres dispositifs de protection. Les DDR sauvent des vies en détectant les fuites de courant en quelques millisecondes, protégeant ainsi le personnel contre les risques de choc que la mise à la terre seule ne peut prévenir. Les parasurtenseurs protègent les investissements en équipements contre les surtensions transitoires qui détruiraient autrement les appareils électroniques sensibles.
Lors de la spécification de la protection électrique pour les installations industrielles ou commerciales, la question n'est pas “lequel ?” mais “comment intégrer les trois ?”. Concevez une protection coordonnée : une mise à la terre appropriée selon l'article 250 du NEC ou la norme CEI 60364, des DDR sur les circuits présentant un risque de choc selon les normes CEI 61008/61009 et une coordination des parafoudres à plusieurs étages selon la norme CEI 61643-11.
Chez VIOX Electric, nous fabriquons des DDR de qualité industrielle, des dispositifs de protection contre les surtensions et des solutions de protection complètes conçues pour fonctionner ensemble. Notre équipe technique peut vous aider à spécifier la bonne combinaison pour votre application, en assurant la conformité aux normes internationales tout en protégeant le personnel et l'équipement.
