Le défaut à la terre expliqué - Principes et fonctions d'un phénomène électrique

Sommaire

1. Qu'est-ce qu'un défaut à la terre ?

2. Causes et exemples de défaut à la terre

3. Conséquences et risques

4. Extinction/compensation du défaut à la terre

5. Localisation du défaut à la terre

6. Avantages de la surveillance

7. FAQ

Défaut à la terre en bref

Un défaut à la terre est une connexion conductrice non intentionnelle entre un conducteur électrique et la terre ou des parties mises à la terre. Sa criticité dépend principalement du traitement du point neutre, de la forme du réseau et de la compensation disponible. Dans les réseaux isolés ou compensés, la poursuite de l'exploitation peut être possible, mais la détection rapide, la localisation du défaut à la terre et la surveillance continue restent essentielles pour réduire les contraintes, les risques et les temps d'arrêt.

Points clés

Un défaut à la terre modifie les tensions conducteur-terre et peut entraîner différents courants de défaut selon la forme du réseau.
Dans les réseaux avec point neutre directement mis à la terre, ce type de défaut entraîne généralement une coupure immédiate.
Dans les réseaux isolés ou compensés, l'exploitation peut se poursuivre sous certaines conditions, mais le réseau reste soumis à une contrainte supplémentaire.
La compensation réduit le courant de défaut capacitif au moyen d'une bobine Petersen correctement accordée.
Plusieurs méthodes de localisation sont disponibles selon la forme du réseau, le comportement du défaut et les conditions de mesure.

Qu'est-ce qu'un défaut à la terre ?

Définition

Un défaut à la terre est une connexion électriquement conductrice non intentionnelle entre un conducteur électrique et la terre ou des parties mises à la terre. Si ce type de défaut se produit dans un réseau dont le point neutre est directement mis à la terre, on parle également de défaut avec court-circuit à la terre, ce qui entraîne généralement une coupure immédiate du réseau.

Dans les réseaux avec point neutre isolé et dans les réseaux compensés, il n'y a pas de courant de court-circuit. Le courant de défaut est déterminé par les capacités conducteur-terre du réseau et, dans le réseau compensé, par le degré de compensation. En cas de défaut à la terre dans les réseaux moyenne tension ou haute tension avec compensation, le réseau peut continuer à fonctionner.

Les réseaux avec point neutre isolé ne peuvent continuer à être exploités en cas de défaut que dans de rares cas, lorsque la taille du réseau est faible et que le courant capacitif de défaut reste limité. Si plusieurs défauts apparaissent simultanément à différents endroits du réseau, il en résulte un double défaut ou un défaut multiple à la terre, ce qui peut entraîner des courants de court-circuit élevés même dans les réseaux isolés et compensés.

Classification technique : Pour évaluer un défaut à la terre, le traitement du point neutre est déterminant. Un réseau directement mis à la terre, isolé ou compensé entraîne des courants de défaut, des conditions de coupure et des exigences de localisation différents.

Que se passe-t-il en cas de défaut à la terre ?

Le comportement des tensions conducteur-terre en cas de défaut dans un réseau isolé ou compensé est présenté ci-dessous :

Triangle de tension symétrique dans un réseau sain
Processus de décharge de la phase défectueuse : la tension conducteur-terre de la phase concernée (ici U_1E) s'effondre ; en cas de défaut franc, U_1E passe à la valeur zéro.
Processus de charge des phases saines : les tensions conducteur-terre des phases saines augmentent d'un facteur √3 pour atteindre la valeur des tensions composées. La tension de déplacement U_NE (somme vectorielle des trois tensions L-E U_ne = U_L1 + U_L2 + U_L3) passe de la valeur de fonctionnement (0 V dans le « réseau idéal », quelques volts en réalité) à une valeur plus élevée.
État stationnaire (uniquement en cas de défaut permanent) : les capacités conducteur-terre C_LE des deux conducteurs sans défaut sont rechargées en continu. Les tensions des phases saines restent à leur valeur augmentée tant que le défaut persiste. La tension de déplacement conserve également sa valeur élevée.

Tensions conducteur-terre lors d'un défaut à la terre dans un réseau isolé ou compensé — Figure 1 : Tensions conducteur-terre en cas de défaut à la terre

Processus de charge et de décharge en cas de défaut à la terre

Le processus de charge et le processus de décharge constituent des phénomènes transitoires de courte durée. Après la fin de ce processus transitoire à haute fréquence, le courant capacitif I_CE circule au point de défaut dans le cas d'un défaut stationnaire dans le réseau isolé. Ce courant se compose de la somme de toutes les capacités conducteur-terre du réseau et est donc notamment corrélé à la taille du réseau. Indépendamment de l'emplacement du défaut, le courant de défaut I_F = I_CE s'applique dans le réseau isolé en cas de défaut franc. Les flux de courant dans le réseau isolé sont illustrés par l'exemple suivant.

Réseau d'exemple avec trois départs et point neutre isolé en cas de défaut à la terre — Figure 2 : Exemple de réseau avec 3 départs et point neutre isolé - courants en cas de défaut à la terre

Causes et exemples de défaut à la terre

Un défaut à la terre peut avoir de nombreuses causes :

des lignes à haute tension qui pendent et touchent la surface du sol ou des objets au sol ;
une isolation vieillie ou endommagée ;
des isolateurs encrassés ;
des corps étrangers tels que des arbres, des branches ou des oiseaux sur les lignes aériennes.

Comment se produit un défaut à la terre ? / Exemples

Les surtensions dans un réseau électrique peuvent endommager l'isolation et provoquer un défaut.
La fatigue ou l'usure des matériaux peut détériorer l'isolation. Si l'isolation (diélectrique) des câbles est endommagée, des défauts de réamorçage peuvent également se produire.
Des défauts transitoires peuvent apparaître sur les lignes aériennes, par exemple par contact avec des arbres.
Le contact direct d'une ligne aérienne avec la terre peut également déclencher ce type de défaut.

Dans quelles situations les défauts à la terre sont-ils particulièrement fréquents ?

Chantiers : la probabilité de dommages mécaniques aux câbles et aux lignes y est souvent plus élevée.
Infrastructures anciennes ou mal entretenues : les installations électriques et réseaux de distribution obsolètes présentent un risque accru de défaillance de l'isolation.
Zones avec lignes à haute tension affaissées : le contact d'une ligne avec le sol ou avec des objets au sol peut provoquer un défaut.
Câblage souterrain : les câbles enterrés peuvent être exposés à des mouvements du sol, à la corrosion et à l'humidité.
Zones résidentielles : des défauts peuvent se produire lorsque l'infrastructure électrique est obsolète ou que des problèmes de câblage existent.
Installations industrielles : les systèmes électriques complexes et les charges élevées augmentent le risque de défauts à la terre.

Conséquences et problèmes des défauts à la terre

Graphique de réseau intelligent pour la surveillance des défauts à la terre et des courts-circuits

Les problèmes ou risques suivants existent en cas de défaut à la terre :

Si le réseau ne possède pas de compensation, des courants électriques élevés peuvent circuler dans le sol à l'endroit du défaut. Ils peuvent provoquer des tensions de pas et des tensions de contact dangereuses pour les personnes et les animaux. Si les valeurs admissibles ne sont pas respectées, le réseau doit être immédiatement coupé.
Le défaut peut provoquer des étincelles, des arcs électriques et donc des incendies.
Les réseaux sans compensation doivent être coupés en cas de défaut, ce qui peut entraîner une interruption de l'alimentation.
Dans le réseau isolé et compensé, les tensions des conducteurs sains augmentent, ce qui constitue une charge supplémentaire pour l'isolation. Les réseaux à très haute tension sont donc exploités avec une mise à la terre directe, car l'effort d'isolation supplémentaire ne serait pas rentable.

Extinction/compensation du défaut à la terre

Dans les réseaux à moyenne et haute tension, des bobines Petersen sont utilisées afin qu'en cas de défaut unipolaire à la terre, le courant capacitif passant par le point de défaut soit compensé par un courant inductif d'amplitude approximativement identique mais de sens opposé. Pour ce faire, la bobine doit être réglée, lorsque le réseau est sain, sur une réactance inductive X_L qui correspond approximativement à la réactance capacitive X_C du réseau.

La compensation de défaut à la terre dans le réseau triphasé est représentée dans l'exemple suivant de manière analogue à l'exemple du réseau isolé. En cas de compensation totale par la bobine, le courant capacitif I_CE est entièrement compensé et, en cas de défaut, le courant au point de défaut devient I_F = 0.

Compensation du défaut à la terre avec bobine Petersen dans un réseau d'exemple — Figure 3 : Explication de la compensation sur un exemple de réseau - courants en cas de défaut à la terre

En règle générale, les réseaux réels ne sont pas entièrement compensés, mais plutôt légèrement surcompensés, car en cas de compensation totale (au point de résonance), la tension de déplacement est la plus élevée et l'une des tensions des conducteurs prend donc la valeur la plus élevée.

Le degré de surcompensation ou de sous-compensation est indiqué par le degré de désaccord v.

v = (I_L - I_C) / I_L

Le point de résonance et donc le point d'accord idéal pour la bobine d'extinction changent dans les réseaux réels, car la capacité du réseau varie en raison des commutations. Pour que la bobine soit toujours adaptée au mieux à l'état actuel du réseau, une régulation automatique est importante. Celle-ci peut être effectuée avec le régulateur de bobine de compensation REG-DP d'A. Eberle. Le calcul correct de la compensation est effectué automatiquement et en continu avec le REG-DP en mesurant la courbe de résonance.

Localisation du défaut à la terre

Dans les réseaux compensés, il est certes possible de continuer à exploiter le réseau, mais le défaut à la terre représente une charge supplémentaire en raison de l'augmentation des tensions des phases saines. C'est pourquoi une détection rapide et fiable ainsi qu'une localisation précise sont nécessaires.

Pour constater le défaut et le localiser, il existe une multitude d'algorithmes de localisation en fonction des conditions générales respectives.

Afin d'utiliser de manière optimale les avantages des différents procédés dans les diverses situations de défaut, formes de réseau et conditions de mesure, plusieurs méthodes sont implémentées dans les indicateurs de défaut à la terre et les appareils de localisation d'A. Eberle :

Procédé transitoire (procédé qu2)
Procédé Qui pour défauts intermittents / défauts de réamorçage
Méthode du courant réactif / méthode sin(phi)
Procédé wattmétrique / procédé cos(phi) (avec ou sans augmentation du courant résiduel actif)
Méthode des harmoniques
Localisation par impulsions

Distinction de nos appareils de localisation selon la méthode utilisée

Le tableau suivant donne une vue d'ensemble des appareils de localisation d'A. Eberle et des procédés mis en œuvre pour la localisation du défaut à la terre. Les indicateurs combinés de court-circuit et de défaut à la terre EOR-3DS et EOR-1DS possèdent, en plus des fonctions de localisation, une fonction de détection des courts-circuits pour l'affichage et le signalement.

Une autre caractéristique importante des appareils de localisation d'A. Eberle est leur grande flexibilité et leur capacité d'adaptation à différents domaines d'application. Les appareils sont conçus pour être utilisés dans différents environnements industriels, que ce soit dans la production d'énergie, la distribution ou l'automatisation industrielle. Ils offrent également des possibilités de diagnostic avancées qui permettent une surveillance et une analyse précises des réseaux électriques.

Comparaison des méthodes de localisation du défaut à la terre — Figure 4 : Comparaison des procédés de localisation pour différentes situations de défaut

Distinction de nos dispositifs de localisation selon leurs caractéristiques principales

Voici les principales caractéristiques des différents appareils de localisation d'A. Eberle, présentées de manière claire :

EOR-1DS

Variante économique avec les procédés de localisation suivants :
Procédé transitoire qu2
Localisation par impulsions
Détection de court-circuit supplémentaire
Utilisation et paramétrage faciles sans logiciel
Connexion Modbus RTU intégrée

En savoir plus sur EOR-1DS

EOR-3DS

Fonctionnalité étendue de localisation des défauts à la terre (algorithmes comme EOR-D)
Procédures de localisation supplémentaires par rapport à l'EOR-1DS :
Procédé Qui pour défauts de réamorçage
Méthode des harmoniques
Fonctionnalité étendue pour la station locale intelligente (SCADA, sécurité, commutation)
Utilisable comme unité de numérisation pour les stations locales

En savoir plus sur EOR-3DS

Localisation précise des défauts à la terre et analyse complète du réseau

Les évaluations des procédés fournissent une information directionnelle pour chaque ligne surveillée (défaut vers l'avant/départ en défaut ou vers l'arrière/départ sans défaut). L'ensemble des indications permet de localiser et de trouver le défaut à la terre. Plus il y a d'appareils de localisation répartis dans le réseau, plus l'emplacement du défaut peut être délimité avec précision.

Les appareils de localisation avancés d'A. Eberle offrent non seulement une information directionnelle précise pour les défauts détectés, mais permettent également une analyse et une surveillance complètes de l'ensemble du réseau électrique. Grâce à l'intégration de technologies de capteurs et d'algorithmes modernes, ces appareils permettent une saisie et une évaluation continues des paramètres du réseau. Ils contribuent ainsi à une localisation fiable, à l'efficacité et à la fiabilité du réseau électrique.

Détection directionnelle pour la localisation du défaut à la terre dans le réseau — Figure 5 : Détection directionnelle pour délimiter le départ en défaut

Méthodes de localisation du défaut à la terre

La partie suivante décrit brièvement les différentes procédures permettant de localiser le défaut à la terre :

Procédé transitoire

Le seuil de réponse de la tension de déplacement Uen est réglable.
Évaluation du processus transitoire à l'apparition du défaut à la terre.
Détection extrêmement fiable grâce à l'évaluation intégrative (procédé qu2).
Fonctionne aussi bien dans un réseau compensé que dans un réseau isolé.
Contrairement aux procédés stationnaires, tous les défauts, y compris les défauts transitoires courts, peuvent être détectés.

Procédé Qui

Extension de la méthode qu2 afin de détecter de manière ciblée et séparée les défauts de réamorçage.
Méthodologie de la méthode qu2 appliquée à une fenêtre d'observation glissante et observation du nombre de réamorçages.

Méthode du courant réactif / méthode sin(φ)

Le seuil de réponse de la tension de déplacement Uen est réglable.
Applicable dans un réseau isolé.
L'angle entre la tension de déplacement et le courant homopolaire est évalué. Dans le réseau isolé, il permet de déterminer si le départ surveillé est en défaut (I₀ et U₀ se comportent de manière inductive) ou sans défaut (I₀ et U₀ se comportent de manière capacitive).

Méthode wattmétrique (avec ou sans augmentation du courant résiduel actif)

Évaluation du courant résiduel actif, qui circule encore par le point de défaut même dans un réseau entièrement compensé.
Mesure précise nécessaire pour déterminer l'angle entre I₀ et U₀ afin de déterminer correctement le courant résiduel actif.
Prise en compte possible des erreurs des transformateurs de mesure par paramétrage.
Le seuil de réponse de la tension de déplacement Uen est réglable, tout comme le seuil du courant résiduel actif par départ.
L'augmentation du courant résiduel actif au moyen d'une résistance parallèle à la bobine de compensation peut simplifier la détermination correcte du sens du courant wattmétrique.

Méthode des harmoniques

Le seuil de réponse de la tension de déplacement Uen est réglable.
Application du principe de la méthode du courant réactif pour les réseaux compensés grâce à l'utilisation de fréquences plus élevées (par ex. 250 Hz).
Dans l'EOR-D, une comparaison des valeurs de courant de plusieurs départs est également possible (évaluation comparative).
Il est possible de choisir entre différentes harmoniques, par exemple la 5e harmonique à 250 Hz. Une fréquence harmonique libre peut également être paramétrée.

Localisation par impulsions

En cas de défaut à la terre, la commutation cyclique d'un condensateur ou d'une inductance en parallèle à la bobine de compensation génère un modèle d'impulsions qui est reconnu par l'appareil de localisation.
Une localisation en profondeur jusqu'au point de défaut est possible.
En option, un seuil pour la tension de déplacement Uen peut être paramétré.
Avec l'indicateur de défaut EOR-1DS, la variation angulaire due à l'impulsion est évaluée en plus de la valeur du courant. Il n'est donc plus nécessaire de respecter un degré de compensation spécifique pour reconnaître correctement le modèle d'impulsion.

Avantages de la surveillance des défauts à la terre

avec les indicateurs combinés de court-circuit et de défaut à la terre d'A. Eberle

Nos indicateurs de court-circuit et de défaut à la terre permettent une surveillance continue :

La surveillance continue dans les installations électriques et les réseaux électriques offre plusieurs avantages :

Prévention des pannes : l'identification rapide des défauts et leur élimination contribuent à prévenir ou à minimiser les interruptions d'alimentation.
Réduction des temps d'arrêt : une réparation plus rapide réduit les temps d'arrêt et améliore la productivité.
Réduction des coûts : la prévention de dommages importants et de pannes permet d'éviter des coûts de réparation élevés et des pertes financières.
Planification de la maintenance : la surveillance de l'état des installations aide à planifier les interventions nécessaires.
Respect des prescriptions de sécurité : la compensation et la surveillance continue aident à réduire les courants de défaut et les tensions de contact admissibles.
Analyse des données : les données collectées peuvent être utilisées pour analyser et optimiser le fonctionnement du réseau.
Globalement, la surveillance des défauts à la terre contribue à augmenter la fiabilité et la sécurité des installations électriques et à améliorer l'efficacité d'exploitation.

Qu'est-ce qui est important dans la surveillance des défauts à la terre ?

Capacité de détection : le système doit détecter et signaler les défauts à la terre de manière fiable. Les appareils A. Eberle disposent de nombreux algorithmes de localisation qui peuvent être combinés selon l'application, la forme du réseau, la précision de mesure disponible et la philosophie d'exploitation.

Rapidité de la détection : les dispositifs de surveillance doivent détecter et signaler rapidement les dysfonctionnements afin de permettre une réaction rapide avant que des dommages importants ne surviennent. Le procédé transitoire détecte le défaut en quelques centaines de millisecondes, tandis que les procédés stationnaires évaluent la direction du défaut en environ une seconde.

Localisation : le système doit déterminer avec précision l'emplacement du défaut ou du courant de fuite afin de faciliter la localisation et la réparation. Les procédés fournissent donc une indication directionnelle.

Alarme : le système doit pouvoir déclencher des alarmes visuelles, sonores ou via des réseaux et systèmes de communication. Plusieurs possibilités de couplage aux systèmes de contrôle-commande sont disponibles, notamment les sorties binaires, Modbus pour EOR-1DS ainsi que différents protocoles de contrôle-commande pour EOR-3DS et EOR-D.

Enregistrement des données : les dispositifs de surveillance doivent enregistrer et stocker les données relatives aux défauts détectés et aux courants de fuite afin de permettre une analyse ultérieure. Les dispositifs de localisation A. Eberle enregistrent des journaux de bord et des rapports d'incidents.

Maintenance et diagnostic : le système doit disposer de fonctions d'autodiagnostic et de vérification afin de signaler les besoins de maintenance. Les dispositifs de localisation A. Eberle disposent d'une surveillance active de l'état et de mises à jour logicielles régulières.

Intégration dans le système global : la surveillance doit s'intégrer dans l'installation électrique afin de permettre un contrôle efficace. Les indicateurs de court-circuit et de défaut à la terre sont disponibles en différents formats matériels.

Surveillance à distance : dans certains cas, il est utile de surveiller les dispositifs à distance afin de réagir aux pannes même lorsque le personnel d'exploitation n'est pas sur place. Avec l'EOR-3DS, l'accès à distance « Management and Operations » est possible via MQTT.

Évolutivité : selon la taille et la complexité du réseau, le dispositif de surveillance doit être évolutif. Avec l'EOR-3DS, les mises à jour en masse et la gestion automatisée en groupes d'appareils sont possibles via MQTT.

Analyse des données et rapports : les données collectées doivent être analysées afin d'identifier des tendances et de contribuer à l'optimisation de l'exploitation. L'EOR-1DS et surtout l'EOR-3DS fournissent de nombreuses valeurs de mesure, également via MQTT et IoT.

Compensation de défaut à la terre

Régulation fiable en cas de défaut à la terre

Détection de défaut à la terre et de court-circuit combinée dans un seul appareil

Pour les stations locales numériques et analogiques

FAQ - Questions fréquentes

Qu’est-ce qu’un défaut à la terre ?

Un défaut à la terre est une liaison conductrice involontaire entre un conducteur électrique et la terre ou une partie mise à la terre. Ses conséquences dépendent notamment du mode de mise à la terre du neutre et de la configuration du réseau.

Que se passe-t-il en cas de défaut à la terre ?

En cas de défaut franc à la terre, la tension entre la phase concernée et la terre chute pratiquement à zéro. Dans un réseau à neutre isolé ou compensé, les tensions phase-terre des phases saines atteignent alors la valeur de la tension composée.

Quelles sont les causes possibles d’un défaut à la terre ?

Les causes possibles comprennent une isolation endommagée ou vieillissante, des isolateurs encrassés, des surtensions et des corps étrangers sur les lignes aériennes. Un défaut peut également survenir lorsqu’une ligne entre en contact avec la terre ou avec un objet mis à la terre.

Pourquoi la compensation du défaut à la terre est-elle importante ?

La compensation du défaut à la terre réduit le courant capacitif de défaut. Pour cela, une bobine de Petersen fournit un courant inductif de valeur approximativement égale et de sens opposé, ce qui réduit nettement le courant au point de défaut dans un réseau compensé.

Pourquoi localiser le défaut si le réseau peut continuer à fonctionner ?

Même si l’exploitation peut se poursuivre dans un réseau compensé, le défaut à la terre continue de soumettre le réseau à des contraintes supplémentaires. Une localisation rapide permet d’identifier le départ en défaut et de préparer une élimination ciblée du défaut.

Quelles méthodes sont utilisées pour localiser un défaut à la terre ?

L’article présente notamment l’algorithme transitoire qu2, l’algorithme qui pour les défauts réamorçants et intermittents, la méthode directionnelle de puissance réactive (sin φ), la méthode directionnelle de puissance active (cos φ), la méthode des harmoniques et la localisation par impulsions. Le choix de la méthode dépend du régime du réseau, du type de défaut et des signaux de mesure disponibles.

Qu’est-ce qui est important pour la surveillance des défauts à la terre ?

Une surveillance efficace exige une détection fiable, une signalisation rapide et une indication directionnelle permettant d’identifier le départ en défaut. L’alarme, l’enregistrement des données, le diagnostic, la maintenance et l’intégration au système de conduite sont également essentiels.