Les piquets de terre - qui en a besoin ?

Piquets de terre - Protection contre les chocs électriques suite à la perte du conducteur PEN dans une installation électrique mise à la terre TN-C-S

Lorsqu'une borne de recharge pour VE est installée, il est important de s'assurer qu'elle est électriquement sûre. Outre la protection normale contre les surintensités et la protection RCD, la plupart des points de charge ont besoin d'une protection supplémentaire contre ce que l'on appelle la "perte du conducteur de terre et du neutre de protection (PEN)". Ce défaut se produit sur le système de distribution d'électricité qui alimente la propriété (en particulier les alimentations qui ont une "terre multiple de protection" (PME) ou un arrangement d'alimentation "TN-C-S"), mais il peut entraîner une tension potentiellement dangereuse sur toute surface conductrice exposée, comme votre véhicule électrique lorsqu'il est branché à la borne de recharge EV.

La façon normale de se protéger contre ce défaut est d'installer une tige de terre supplémentaire dans le sol et de la connecter à une borne de terre dans le point de charge. (En fait, c'est plus compliqué, car la mise à la terre du point de charge doit également être modifiée (mise à la terre dite "TT"), mais il n'en reste pas moins qu'un piquet de terre est normalement nécessaire et que cela implique des travaux et des perturbations supplémentaires).

Myenergi a développé une nouvelle façon de protéger les zappi contre les défauts des conducteurs PEN. Comme il s'agit d'un nouveau développement, nous avons demandé un brevet, mais zappi n'a pas besoin d'un piquet de terre car l'alimentation de zappi sera isolée s'il y a une indication d'un courant de défaut dans le véhicule.

Pourquoi les tiges de terre sont-elles importantes ?

Selon les statistiques du HSE (tableau 1), chaque année, environ 400 incidents de rupture de conducteurs de terre et de neutre de protection (PEN) sur des installations électriques mises à la terre TN-C-S (PME) sont signalés, dont environ 10 % provoquent un choc électrique. Lorsque le conducteur PEN est rompu, la tension du neutre peut s'élever par rapport à la vraie terre et la terre normale de protection constitue la voie de retour de tout courant qui pourrait circuler.

 20142015201620172018Jusqu'en juillet 2019
Blessure27363237418
Non-blessure269305312262348220
Total296341344299389228
Tableau 1 : Défauts signalés sur les conducteurs PEN à circuit ouvert (ESQCR)

 

Pour un chargeur de véhicule électrique, cela signifie que la carrosserie de la voiture constitue la voie de retour, ce qui présente un risque réel de choc électrique pour quiconque touche la voiture. C'est pourquoi la18e édition des règles de câblage de l'IET (BS7671:2018) a renforcé les règles de la clause 722.411.4.1 sur l'installation des points de charge des VE pour les installations domestiques.

Tiges de terre

Figure 1 : Trajet du courant de retour avec un conducteur PEN rompu

 

 

Les nouvelles règles signifient que dans presque toutes les circonstances, l'installateur devra installer une tige de terre dédiée au point de charge et connecter le point de charge en tant qu'installation TT mise à la terre.

Figure 2 : Installation typique d'un piquet de terre

Installer des piquets de terre et s'assurer qu'ils ont une impédance de terre suffisamment faible prend du temps, peut être très difficile, en particulier dans un sol pierreux, et présente de nouveaux dangers s'il y a des services enterrés là où le piquet de terre est installé. Tout cela fait grimper le coût de l'installation.

La clause 722.411.4.1 autorise l'intégration d'une protection dans le point de charge du véhicule électrique, mais cette protection a souvent été appelée "dispositif de la licorne" - certaines personnes prétendent en avoir vu une, mais on pense généralement que c'est un mythe !

La simple mesure de la tension entre les conducteurs de phase et de neutre n'assure pas une protection complète. Dans un système triphasé déséquilibré, la tension ligne-neutre d'une phase peut rester dans les limites réglementaires tandis que la tension neutre s'élève au-dessus du seuil de 70V que l'IET exige pour isoler la charge de l'alimentation, comme le montre la ligne bleue de la figure 3.

Figure 3 : Tension ligne-neutre et neutre-terre due à un déséquilibre sur le réseau de distribution et à la rupture du conducteur PEN.

 

 

Myenergi a développé une solution qui offre une protection complète contre un choc électrique potentiellement dangereux lorsque le conducteur PEN est rompu. Le dispositif de protection en attente de brevet qui est intégré dans le nouveau chargeur EV zappi isole la sortie si la tension est en dehors des limites légales. Une protection supplémentaire est assurée par le déclenchement de la sortie du point de charge en cas d'indication d'un courant de défaut - étendant le concept de protection RCD à cette nouvelle application.

Le résultat est un point de charge intelligent pour les VE, simple à installer et doté de nombreuses fonctionnalités, telles que l'intégration de la production d'énergie renouvelable, l'équilibrage de la charge et la protection contre la surcharge du circuit, pour créer un produit que les installateurs électriques et les clients finaux apprécient.

La partie technique détaillée

La mise à la terre TN-C-S (également appelée PME ou "Protective Multiple Earthing") est largement utilisée sur les réseaux électriques basse tension (230V monophasé ou 400V triphasé) où les fonctions de neutre et de terre de protection sont combinées dans un seul conducteur (PEN)i. Une prise de terre locale est alors fournie par la société de distribution à la propriété pour le câblage du circuit final afin de garantir que tout courant de défaut à la terre provenant de l'installation du consommateur est renvoyé à la source en toute sécurité.

Toutefois, dans certaines conditions de défaillance du réseau d'alimentation (conducteur PEN de l'alimentation endommagé ou circuit ouvert extérieur à l'installation), une tension peut se développer entre les parties conductrices reliées à la borne de terre du PME et la masse générale de la terre. La protection standard RCD ne fonctionnera pas si un courant circule entre les parties conductrices et la terre (par exemple, si une personne touche une pièce métallique exposée qui serait normalement considérée comme étant mise à la terre) ; la perte du conducteur PEN peut donc entraîner un choc électrique mortel.

Comme il y a plusieurs points de mise à la terre sur le réseau d'alimentation et que la mise à la terre est assurée dans le bâtiment conformément à la norme BS 7671, le risque pour une personne à l'intérieur du bâtiment est considéré comme faible.

Le prolongement du câble de terre (appelé à juste titre "conducteur de protection du circuit" ou CPC) en dehors de la zone de liaison n'est généralement pas autorisé.ii en raison du risque de choc électrique si le conducteur PEN se retrouve en circuit ouvert. En effet, cette liaison étendue ne protégera pas les personnes extérieures au bâtiment qui sont simultanément en contact avec des pièces conductrices reliées à la terre du PME (partie de cette liaison) et à la vraie terre.

Les règles de câblage de l'IET (BS7671) définissent comment le point de charge pour VE doit être mis à la terre s'il est monté à l'extérieur du bâtiment et s'il est connecté à un système PME. Dans presque toutes les circonstances, l'installation nécessitera un piquet de terre local. La mise à la terre principale de la propriété ne doit pas être connectée au point de charge, mais à l'aide de la tige de terre.

Les exigences de la norme BS7671 visent à garantir que la tension entre tout ouvrage métallique exposé et la terre est maintenue en dessous de 70 V, soit la tension à laquelle un choc électrique peut causer des blessures.iii.

L'analyse

Considérons le circuit illustré à la figure 4. Ceci représente un transformateur de distribution triphasé générique et une charge avec une rupture dans le conducteur PEN.

L'impédance forfaitaire Z1Z2Z3 représente une combinaison de charges triphasées et monophasées connectées après la rupture du conducteur PEN. Si la charge sur les trois phases n'est pas équilibrée, la tension neutre VN ne sera plus proche de la vraie Terre (0V).

Figure 4 : Circuit équivalent de distribution triphasé avec le conducteur PEN coupé.

 

Pour garder l'analyse simple, considérons le cas où Z2 et Z3 ont la même magnitude et où Z1 peut varier. Donc Z2= Z3= αZ1

Figure 5 : Diagramme du vecteur tension pour des charges déséquilibrées et un conducteur PEN déplacé.

 

On peut montrer que la tension neutreVN varie avec α comme suit

où V1 est la tension ligne-neutre au niveau du transformateur de distribution.

Sous forme vectorielle, les tensions peuvent être représentées dans la figure 5.

La figure 6 montre la variation des tensions en fonction du déséquilibre de la charge triphasée, dans ce cas avec le transformateur de distribution fonctionnant vers le haut de la plage de tension autorisée. L'axe x (déséquilibre ou "α") s'étend vers la droite en direction de où la tension du conducteur de protection du circuit (VN) tend vers la tension de phase.

Le site figure montre également

    1. la limite de 70 V eff. requise par la norme BS7671:2018 722.411.4.1(iii) pour que la protection contre les défauts PEN fonctionne si la tension entre le conducteur de protection du circuit et la terre augmente (ligne pointillée rouge) et

    2. le seuil théorique de tension entre la ligne et le neutre (ligne pointillée verte) qui serait utilisé pour déclencher un dispositif qui n'a pas de référence de terre (c'est-à-dire une barre de terre locale).

    3. la zone de fonctionnement "sûre" dans laquelle la tension entre le conducteur de protection et la terre véritable est inférieure à 70V. En dehors de cette zone, il peut sembler que tout fonctionne correctement, mais un potentiel dangereux est présent sur la surface conductrice exposée de l'EV.

Figure 6 : Variation des tensions due à la rupture d'un conducteur PEN et à des charges déséquilibrées sur le système de distribution.

 

Qu'est-ce qui est différent chez zappi ?

Dans le zappi, nous avons adopté une approche différente pour assurer la protection contre un conducteur PEN endommagé, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser un piquet de terre. Notre approche a été discutée avec l'IET et avec les sociétés de distribution britanniques. Son fonctionnement a également été testé dans le laboratoire d'ingénierie de l'Université de Nottingham.

Zappi inclut déjà un RCD pour fournir une protection contre un défaut dans le câblage ou le chargeur de la voiture. La protection supplémentaire "PEN Fault Protection" (brevet en instance) combine les caractéristiques suivantes.

      1. Protection contre les surtensions et les sous-tensions, sur la base de la tension nominale du réseau de 230 V. ±12% (afin d'éviter les déclenchements intempestifs si l'alimentation sort temporairement des limites de tension harmonisées de l'UE de 230V ±10%). L'utilisation de ces paramètres garantira que zappi se déclenchera si la tension de la ligne vers le neutre s'effondre (ou augmente) lorsque la tension de la ligne vers le neutre vers la terre augmente.

      2. Mesure du courant circulant vers vrai La terre via le chemin de défaut (qui, pour un chargeur de VE, comprend le châssis et la carrosserie du véhicule en cours de charge). Cette protection fonctionne si elle détecte ne serait-ce que quelques mA de courant de défaut, garantissant que la personne en contact avec le VE ou le point de charge soit protégé dans toutes les circonstances où un courant supérieur à 30mA circule vers la terre, même si la tension neutre-terre est inférieure à 70V.

      3. Isolation des conducteurs de phase, de neutre et de terre en cas de détection d'un défaut.

      4. Isolation galvanique bentre l'entrée et la sortie, y compris tous les conducteurs allant vers l'EV (iy compris les fils de signalisation CP et PP). Pour ce faire, il faut l'isolation galvanique assurée par les composants électroniques du point de charge qui restent sous tension afin de fournir des informations sur le défaut et la possibilité de réinitialiser le chargeur une fois le défaut éliminé.

      5. Réinitialisation manuelle de la protection.

En adoptant cette approche, qui s'appuie sur les principes reconnus de la protection contre les courants résiduels, mais les applique ensuite en combinaison avec d'autres composants clés dans une nouvelle application, le système "PEN Protection FL'"unction" offre une protection plus complète qu'une électrode de terre mal installée ou qu'une simple mesure de la tension entre la ligne et le neutre.


i) Earthing : Your questions answered, Geoff Cronshaw, IEE Wiring Matters Autumn 2005https://www.ee.iitb.ac.in/course/~emlab/assets/earthing.pdf

ii) Code de pratique IET sur la charge des véhicules électriques, page 31, section 5.3.1.

(iii) Tableau 2c de la norme IEC 60479-5 Effets du courant sur les êtres humains et les animaux d'élevage - Partie 5 : Valeurs seuils tactiles pour les effets physiologiques