La protection contre les défauts à la terre est l'ensemble des dispositifs et des réglages qui détectent le courant qui fuit vers la terre à travers une isolation endommagée et l'interrompent avant qu'il ne blesse une personne ou n'endommage l'équipement.
Ce n'est pas un seul dispositif, mais deux fonctions distinctes à deux seuils très différents: sauver une vie en millisecondes, ou préserver un moteur et un câble avant que des dommages d'isolation ne dégénèrent en un événement d'arc électrique.
Un défaut à la terre est un chemin non intentionnel à faible impédance entre un conducteur sous tension et la terre (le sol, une enceinte mise à la terre ou un conducteur mis à la terre). Dans un circuit sain, la somme vectorielle des courants en un point quelconque est nulle.
Lorsque l'isolation se détériore, le courant s'échappe vers une surface mise à la terre, allant de quelques milliampères à plusieurs milliers d'ampères. Les défauts commencent souvent petit: un micro-trou dans l'isolation d'un câble ou un enroulement de moteur contaminé peut fuir quelques milliampères pendant des mois avant d'évoluer vers un défaut franc.
Cette fenêtre de croissance est ce que la protection contre les défauts à la terre cherche à détecter tôt.
Un Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI), en français un interrupteur différentiel de fuite à la terre, est un dispositif de protection du personnel.
Les GFCI de classe A, testés selon la norme UL 943, doivent déclencher lorsque le courant de fuite atteint 6 mA et ne doivent pas déclencher en dessous de 4 mA (bande de déclenchement 4, 6 mA), en interrompant le défaut en quelques cycles au haut de cette plage.
Ce seuil se situe en dessous du « courant de lâcher-prise » auquel une personne perd la capacité de lâcher (environ 10 mA pour un adulte moyen, moins pour une personne de faible masse corporelle) et bien en dessous de la plage d'environ 60, 100 mA couramment associée au risque de fibrillation ventriculaire à la fréquence du réseau.
Parce que le seuil est si bas, un GFCI ne peut pas être utilisé sur une alimentation triphasée industrielle normale ou sur un circuit dérivé moteur sans provoquer des déclenchements intempestifs constants; il est donc réservé aux prises et aux équipements portables où une personne pourrait entrer en contact avec une partie sous tension.
La Protection des Équipements contre les Défauts à la Terre (GFPE), souvent réalisée par un relais de défaut à la terre associé à un disjoncteur à déclenchement par bobine (shunt-trip), protège les conducteurs, les appareillages et les moteurs des dommages d'un défaut d'arc soutenu ; elle ne protège pas une personne d'un choc auquel elle pourrait survivre. Les réglages de déclenchement sont bien supérieurs à ceux d'un GFCI, allant de quelques dizaines d'ampères jusqu'à plusieurs milliers. Aux États-Unis, l'article NEC 230.95 exige la GFPE sur les services en étoile (wye) solidement mis à la terre de plus de 150 V par rapport à la terre (sans excéder 1000 V entre phases selon le NEC en vigueur) pour chaque sectionneur de service d'une intensité nominale de 1000 A ou plus, avec des exceptions limitées telles que les processus industriels continus où un arrêt non ordonné introduirait des risques supplémentaires, et les circuits de pompes incendie. Lorsque requis, le réglage maximal est de 1200 A, et les défauts de 3000 A ou plus doivent être éliminés en une seconde ou moins, car un défaut d'arc de faible niveau sur un grand service peut brûler longtemps sans jamais déclencher un disjoncteur ou un fusible standard.
| Dispositif | Protège | Niveau de déclenchement typique | Référence régissant |
|---|---|---|---|
| GFCI (Classe A) | Personnes | 4, 6 mA | UL 943 |
| GFPE / relais de défaut à la terre | Équipements, conducteurs, appareillages | De quelques dizaines d'ampères jusqu'à 1200 A max | NEC 230.95 |
Les enroulements des moteurs et l'isolation des câbles sont les composants du système les plus exposés aux contraintes qui provoquent des défauts à la terre: vieillissement thermique dû à des surtempératures, pénétration d'humidité et de contaminants dans le vernis des enroulements ou la gaine des câbles, et abrasion mécanique.
Une fois que la résistance d'isolement se dégrade suffisamment pour laisser fuir du courant vers une carcasse ou un blindage mis à la terre, cette fuite génère de la chaleur localisée, qui dégrade encore l'isolation, et un défaut non traité tend à évoluer d'une fuite phase-vers-terre à un défaut phase-à-phase ou à un arc destructeur.
Le détecter tôt, associé à des tests périodiques de résistance d'isolement , coûte bien moins cher que de remplacer un stator.
Les moteurs maintenus dans leurs limites de classe d'isolement vieillissent beaucoup plus lentement que des moteurs chauffant en raison de surcharge ou d'un fonctionnement en simple phasage; ainsi, une tendance de défaut à la terre croissante renvoie souvent à une cause racine thermique.
Les grandes installations superposent souvent plusieurs de ces méthodes: un GFCI sur la prise pour le personnel, un relais de défaut à la terre au niveau du service ou du départ pour l'équipement, et des tests de résistance d'isolement sur les moteurs critiques entre les inspections.
Les tests périodiques ne détectent la dégradation que si le test intervient après que les dommages ont progressé.
Une tendance (augmentation du courant de fuite, dérive de la résistance d'isolement, un moteur fonctionnant plus chaud que sa référence) donne à l'équipe de maintenance du temps d'avance, la même logique qui s'applique aux modes de défaillance des roulements et autres défaillances progressives.
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Non. Les GFCI de classe A déclenchent dans la plage 4, 6 mA, bien en dessous des fuites normales de la plupart des circuits moteurs industriels, ce qui provoquerait des déclenchements intempestifs constants. Les circuits moteurs et les départs utilisent des relais de défaut à la terre ou une GFPE réglés à des seuils bien plus élevés, dimensionnés pour protéger l'équipement plutôt qu'une main.
Aux États-Unis, le NEC 230.95 l'exige sur les services en étoile (wye) solidement mis à la terre de plus de 150 V par rapport à la terre (sans excéder 1000 V entre phases selon le NEC en vigueur) pour les sectionneurs de service d'une intensité nominale de 1000 A ou plus, avec des exceptions limitées comme les processus industriels continus et les pompes incendie.
L'isolation se dégrade de manière cumulative à cause du vieillissement thermique, de l'humidité et de la contamination. À mesure que la résistance diminue au fil des années de service, des conditions qu'un enroulement neuf tolérerait facilement peuvent produire des fuites mesurables, c'est pourquoi la tendance de la résistance d'isolement et du courant de défaut à la terre est plus informative qu'un simple test pass/fail ponctuel.
Un court-circuit est une connexion non intentionnelle à faible impédance entre deux conducteurs sous tension, par exemple phase à phase. Un défaut à la terre est spécifiquement une connexion entre un conducteur sous tension et la terre, et il commence souvent par une fuite de faible intensité qui s'aggrave, tandis qu'un court-circuit franc produit typiquement un courant de défaut élevé immédiatement.
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