La protection et la coordination des systèmes électriques constituent le cœur de la fiabilité et de la sécurité du réseau de distribution. En tant que powerline technician (monteur de lignes), vous devez comprendre comment les dispositifs de protection interagissent pour isoler un défaut tout en minimisant l'impact sur les clients. Ce chapitre couvre les principes fondamentaux, les dispositifs, les calculs de coordination et les exigences réglementaires canadiennes.
Principes fondamentaux de la protection
Objectifs de la protection
La protection d'un réseau électrique vise trois objectifs principaux :
7.Protection des équipements : limiter les dommages causés par les courants de défaut (fusion des conducteurs, dommages aux transformateurs, etc.)
8.Protection du personnel : assurer la sécurité des travailleurs et du public
9.Continuité de service : minimiser l'étendue et la durée des interruptions
Caractéristiques d'un défaut
Un défaut est un chemin non désiré pour le courant. Les types de défauts les plus courants :
Type de défaut
Description
Fréquence relative
Monophasé à la terre
Contact phase-terre
70-80 %
Biphasé
Contact entre deux phases
10-15 %
Biphasé à la terre
Deux phases et la terre
5-10 %
Triphasé
Contact entre trois phases
2-5 %
Le courant de défaut (I_défaut) dépend de :
La tension du réseau
L'impédance de la source (réseau amont)
L'impédance du conducteur jusqu'au point de défaut
L'impédance du défaut lui-même (arc électrique)
Calcul du courant de défaut
Pour un défaut triphasé symétrique :
I_défaut = V_phase / Z_total
Où :
V_phase = tension phase-terre (V)
Z_total = impédance totale du circuit jusqu'au point de défaut (Ω)
Exemple : Pour un réseau de 25 kV (tension phase-phase), avec une impédance totale de 2 Ω :
V_phase = 25 000 V / √3 = 14 434 V
I_défaut = 14 434 / 2 = 7 217 A
Dispositifs de protection
Fusibles
Le fusible est le dispositif de protection le plus simple et le plus économique. Il protège contre les surintensités en fondant son élément calibré.
Caractéristiques principales
Caractéristique
Description
Courant nominal (I_n)
Courant que le fusible peut supporter en continu
Courant minimal de fusion
Courant minimal qui fait fondre l'élément
Courant de rupture
Courant maximal que le fusible peut interrompre
Temps d'ouverture
Temps entre le début du défaut et l'ouverture
Types de fusibles
Fusibles à expulsion : utilisent les gaz produits par l'arc pour souffler l'arc. Courants de rupture limités (jusqu'à environ 8 000 A).
Fusibles à limiteur de courant : contiennent du sable de quartz qui refroidit l'arc. Courants de rupture élevés (jusqu'à 50 000 A+).
Coupe-circuit à fusible (cutout) : montage extérieur avec fusible remplaçable, utilisé sur les réseaux de distribution.
Courbes temps-courant (TCC)
Les courbes temps-courant (TCC) représentent graphiquement le temps de fusion d'un fusible en fonction du courant. Ces courbes sont essentielles pour la coordination.
Courbe minimale de fusion : temps minimal pour que le fusible commence à fondre
Courbe d'ouverture totale : temps maximal pour que le fusible interrompe complètement le courant
Relais de protection
Les relais de protection détectent les conditions anormales et commandent l'ouverture des disjoncteurs. Ils offrent plus de flexibilité que les fusibles.
Relais de surintensité
Relais de surintensité temporisé (51) : fonctionne avec un délai inverse au courant
Relais de surintensité instantané (50) : fonctionne sans délai intentionnel
Relais de surintensité de terre (51N/50N) : détecte les courants de défaut à la terre
Caractéristiques des relais
Paramètre
Description
Pickup (seuil)
Courant minimal qui active le relais
Time Dial (multiplicateur de temps)
Ajuste la courbe de temporisation
Courbe de fonctionnement
Relation temps-courant (inverse, très inverse, extrêmement inverse)
Où T = temps (secondes), I = courant de défaut, I_p = courant de pickup.
Disjoncteurs
Le disjoncteur est un appareil mécanique capable d'établir, de supporter et d'interrompre les courants dans des conditions normales et anormales.
Types de disjoncteurs
Type
Tension
Application
Disjoncteur à huile
Moyenne tension
Postes de distribution
Disjoncteur à vide
Moyenne tension
Postes modernes
Disjoncteur SF6
Haute tension
Postes de transport
Disjoncteur à air comprimé
Haute tension
Anciens postes
Pouvoir de coupure
Le pouvoir de coupure est le courant maximal que le disjoncteur peut interrompre sans dommage. Il doit être supérieur au courant de défaut maximal au point d'installation.
Sectionneurs et interrupteurs
Sectionneur : appareil sans pouvoir de coupure en charge, utilisé pour isoler un équipement hors tension
Interrupteur : capable de couper le courant nominal, mais pas les courants de défaut
Interrupteur-sectionneur : combine les deux fonctions, avec pouvoir de coupure en charge
Coordination de la protection
Principes de coordination
La coordination consiste à sélectionner et régler les dispositifs de protection de manière que seul le dispositif le plus proche du défaut fonctionne, laissant le reste du réseau en service.
Règle de base
Le dispositif de protection en amont doit avoir un temps d'opération supérieur au dispositif en aval pour un même courant de défaut.
Marges de coordination
Entre fusibles : marge minimale de 0,25 seconde entre la courbe d'ouverture totale du fusible aval et la courbe minimale de fusion du fusible amont
Entre relais : marge de 0,3 à 0,4 seconde (incluant le temps d'ouverture du disjoncteur)
Entre relais et fusible : marge de 0,2 à 0,3 seconde
Étapes de coordination
74.Identifier les points de défaut possibles (début de ligne, fin de ligne, postes)
75.Calculer les courants de défaut à chaque point
76.Tracer les courbes TCC de tous les dispositifs sur un même graphique
77.Vérifier les marges entre les courbes
78.Ajuster les réglages (pickup, time dial) si nécessaire
79.Vérifier la protection des équipements (transformateurs, conducteurs)
Coordination fusible-fusible
Pour une coordination correcte entre deux fusibles en série :
Le fusible amont doit avoir un courant nominal supérieur au fusible aval
Les courbes doivent être espacées d'au moins 0,25 seconde
Le rapport des courants nominaux est généralement de 1,5 à 2
Coordination relais-relais
La coordination entre relais utilise le time dial pour créer un décalage temporel :
Le relais le plus proche de la source a un time dial plus élevé
Chaque relais en amont ajoute un délai supplémentaire
Protection des transformateurs
Protection contre les surcharges
Les transformateurs de distribution sont protégés contre les surcharges par des fusibles ou des relais. La capacité de surcharge dépend de la température ambiante et de la charge antérieure.
Protection contre les défauts internes
Relais Buchholz (transformateurs à huile) : détecte l'accumulation de gaz
Relais de pression : détecte les variations rapides de pression
Relais différentiel : compare les courants primaire et secondaire
Règle de protection des transformateurs
Selon le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (règle 5-102), chaque transformateur doit être protégé contre les surintensités. Le fusible primaire doit être calibré pour :
Ne pas fondre au courant nominal du transformateur
Fondre en cas de défaut secondaire
Protéger le transformateur contre les défauts internes
Calcul du courant nominal du transformateur
I_nominal = S / (√3 × V)
Où :
S = puissance apparente (kVA)
V = tension phase-phase (V)
Exemple : Transformateur de 300 kVA, 25 kV :
I_nominal = 300 000 / (√3 × 25 000) = 6,93 A
Fusible recommandé : 10 A (environ 1,5 × I_nominal)
Protection des lignes de distribution
Protection des conducteurs
Les conducteurs doivent être protégés contre les courants de défaut qui pourraient les endommager. La courbe de dommage du conducteur (I²t) doit être au-dessus de la courbe d'ouverture du dispositif de protection.
Protection des lignes aériennes
Fusibles de branche : protègent les dérivations
Réenclencheurs (reclosers) : interrompent et referment automatiquement le circuit
Sectionneurs : isolent les sections en défaut
Réenclencheurs
Le réenclencheur est un disjoncteur automatique avec séquence de réenclenchement. Il distingue les défauts temporaires (branches sur les lignes, foudre) des défauts permanents.
Séquence typique de réenclenchement
Opération
Temps
Description
1er déclenchement
0,1 s
Détection du défaut
1er réenclenchement
2 s
Test du défaut
2e déclenchement
0,1 s
Si le défaut persiste
2e réenclenchement
15 s
Nouveau test
3e déclenchement
0,1 s
Si le défaut persiste
Verrouillage
—
Défaut permanent
Coordination avec les fusibles de branche
Le réenclencheur doit être coordonné avec les fusibles de branche :
Mode de coordination : le fusible fond avant le réenclencheur (pour les défauts permanents)
Mode de non-coordination : le réenclencheur fonctionne avant le fusible (pour les défauts temporaires)
Mise à la terre et protection contre la foudre
Mise à la terre
La mise à la terre est essentielle pour :
Limiter les surtensions
Assurer le fonctionnement des protections
Protéger le personnel
Types de mise à la terre
Type
Description
Application
Mise à la terre de service
Relie le neutre à la terre
Postes, transformateurs
Mise à la terre de protection
Relie les masses métalliques
Équipements
Mise à la terre de travail
Protège les travailleurs
Travaux sous tension
Parafoudres
Le parafoudre (surge arrester) protège les équipements contre les surtensions de foudre et de manœuvre.
Caractéristiques
Tension de fonctionnement continu (MCOV) : tension maximale en service continu
Tension de décharge résiduelle : tension aux bornes lors de l'écoulement du courant de foudre
Courant de décharge nominal : 5 kA, 10 kA, 20 kA selon l'application
Coordination de l'isolation
La coordination de l'isolation consiste à choisir des niveaux d'isolation compatibles avec les parafoudres. Le niveau de protection du parafoudre doit être inférieur au niveau de tenue des équipements.
Exigences réglementaires canadiennes
Code canadien de l'électricité, Chapitre V
Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (édition en vigueur) régit les installations électriques des réseaux de distribution. Les règles principales concernant la protection :
Règle
Exigence
Règle 5-100
Protection contre les surintensités
Règle 5-102
Protection des transformateurs
Règle 5-104
Protection des conducteurs
Règle 5-106
Protection des moteurs
Règle 5-200
Mise à la terre
Règle 5-300
Protection contre la foudre
CSA B149.1
Le CSA B149.1 (Code canadien sur le gaz naturel et le propane) est pertinent pour les installations de gaz près des lignes électriques, mais ne s'applique pas directement à la protection électrique.
Normes CSA pertinentes
CSA C22.2 : normes pour les équipements électriques
CSA C411 : parafoudres
CSA C571 : transformateurs de distribution
Procédures de travail
Vérification des dispositifs de protection
Avant toute intervention, vérifier :
153.L'état physique des fusibles et coupe-circuits
154.Les réglages des relais (pickup, time dial)
155.L'indicateur de fonctionnement des disjoncteurs
156.L'état des parafoudres
Remplacement de fusibles
158.Identifier le fusible défectueux (indicateur visuel, test)
159.Vérifier l'absence de tension (détecteur de tension)
160.Mettre à la terre les conducteurs (perches de mise à la terre)
161.Retirer le fusible avec la perche universelle
162.Installer le nouveau fusible de même calibre
163.Retirer les mises à la terre et vérifier le fonctionnement
Réglage des relais
165.Calculer les courants de défaut aux points critiques
166.Sélectionner la courbe appropriée (inverse, très inverse)
167.Régler le pickup à 1,25 × le courant nominal maximal
168.Régler le time dial pour assurer la coordination
169.Documenter les réglages et vérifier avec un test de fonctionnement
Pour un défaut phase-terre avec impédance de défaut nulle :
I_défaut = V_phase / (Z_source + Z_ligne)
Calcul de la chute de tension
ΔV = √3 × I × L × (R × cos φ + X × sin φ)
Où :
I = courant (A)
L = longueur de la ligne (km)
R = résistance par km (Ω/km)
X = réactance par km (Ω/km)
cos φ = facteur de puissance
Exemple de coordination complet
Situation : Ligne de distribution 25 kV avec :
Fusible de branche : 15 K (courbe rapide)
Fusible de tête de ligne : 40 T (courbe lente)
Courant de défaut au bout de la branche : 800 A
Courant de défaut au début de la ligne : 3 500 A
Vérification :
190.Pour un défaut de 800 A dans la branche :
Temps de fusion du fusible 15 K : 0,05 s
Temps de fusion du fusible 40 T : 0,5 s
Marge : 0,45 s > 0,25 s ✓
194.Pour un défaut de 3 500 A au début de la ligne :
Temps de fusion du fusible 40 T : 0,02 s
Le fusible de branche n'est pas concerné (défaut en amont)
Pièges à éviter
198.Confondre courant nominal et courant de fusion : le courant nominal est le courant continu admissible ; le courant de fusion est généralement 1,5 à 2 fois plus élevé.
199.Négliger la marge de coordination : une marge insuffisante entre deux dispositifs peut causer un fonctionnement simultané.
200.Oublier le courant de défaut minimal : la coordination doit être vérifiée pour le courant de défaut minimal (fin de ligne), pas seulement pour le courant maximal.
201.Ignorer la température ambiante : les fusibles ont des caractéristiques différentes selon la température. Un fusible fonctionne plus rapidement à haute température.
202.Utiliser un fusible de calibre incorrect : toujours remplacer un fusible par un fusible de même calibre et de même type.
203.Confondre les courbes minimales et maximales : la courbe minimale de fusion et la courbe d'ouverture totale ne sont pas identiques.
204.Négliger la protection de terre : les défauts à la terre sont les plus fréquents et nécessitent une protection spécifique.
205.Oublier la vérification du pouvoir de coupure : le dispositif doit pouvoir interrompre le courant de défaut maximal au point d'installation.
206.Ne pas documenter les réglages : les réglages des relais doivent être documentés et vérifiés périodiquement.
207.Confondre les types de courbes de relais : les courbes inverse, très inverse et extrêmement inverse ont des pentes différentes.
Résumé
La protection des réseaux électriques vise à protéger les équipements, le personnel et à assurer la continuité de service.
Les fusibles sont simples et économiques, mais offrent moins de flexibilité que les relais.
Les courbes temps-courant (TCC) sont l'outil fondamental pour la coordination.
La coordination exige que le dispositif en amont ait un temps d'opération supérieur au dispositif en aval.
Les marges de coordination sont de 0,25 s entre fusibles et 0,3-0,4 s entre relais.
Les réenclencheurs distinguent les défauts temporaires des défauts permanents.
La mise à la terre et les parafoudres protègent contre les surtensions.
Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (règles 5-100 à 5-300) régit les installations de distribution.
Les calculs de courant de défaut et de coordination doivent être maîtrisés pour l'examen.
La sécurité du personnel est primordiale : toujours vérifier l'absence de tension et mettre à la terre avant d'intervenir.
Questions de révision
220.Quels sont les trois objectifs principaux de la protection d'un réseau électrique ?
221.Quelle est la différence entre un fusible à expulsion et un fusible à limiteur de courant ?
222.Comment calcule-t-on le courant nominal d'un transformateur triphasé ?
223.Quelle est la marge minimale de coordination entre deux fusibles en série ?
224.Qu'est-ce qu'un réenclencheur et comment fonctionne-t-il ?
225.Quelles sont les règles principales du Code canadien de l'électricité, Chapitre V concernant la protection ?
226.Pourquoi la coordination doit-elle être vérifiée pour le courant de défaut minimal ?
227.Quelle est la différence entre un sectionneur et un interrupteur ?
228.Comment choisit-on le calibre d'un fusible de protection de transformateur ?
229.Quels sont les trois types de courbes de relais normalisées et leurs équations ?
