Exercices Électricité

Schémas de liaison à la terre (TT, TN, IT)

Physique : Comparaison des schémas de liaison à la terre (TT, TN, IT)

Comparaison des schémas de liaison à la terre (TT, TN, IT)

Contexte : La Sécurité avant Tout

La manière dont un réseau électrique est relié à la terre est un choix de conception fondamental qui a des implications directes sur la sécurité des personnes et la continuité de service. Il existe trois principaux schémas de liaison à la terreDéfinit la manière dont le neutre du transformateur et les masses métalliques des appareils sont connectés à la terre. Les principaux schémas sont TT, TN et IT., normalisés par un code à deux lettres. La première lettre indique la situation du neutre du transformateur par rapport à la terre (T = relié à la terre, I = isolé). La seconde lettre indique la situation des masses métalliques des appareils par rapport à la terre (T = reliées à une prise de terre locale, N = reliées au neutre du transformateur).

Remarque Pédagogique : Cet exercice vise à analyser le comportement de chaque schéma lors d'un défaut d'isolement (contact entre une phase et la carcasse métallique d'un appareil). On calculera le courant de défaut et la tension de contact pour comprendre les avantages et inconvénients de chaque solution en termes de sécurité et de fiabilité.

Objectifs Pédagogiques

  • Identifier les trois schémas de liaison à la terre : TT, TN et IT.
  • Comprendre la signification des lettres T, N et I.
  • Analyser la boucle de défaut pour chaque schéma.
  • Calculer le courant de défaut et la tension de contact en cas de défaut d'isolement.
  • Comparer les schémas en termes de sécurité des personnes et de continuité de service.

Données de l'étude

Un moteur est alimenté par un réseau triphasé 230/400 V. On s'intéresse à un défaut d'isolement où une phase touche la carcasse métallique du moteur. La tension simple du réseau est \(V = 230 \, \text{V}\). La résistance de la prise de terre du neutre du transformateur est \(R_n = 10 \, \Omega\). La résistance de la prise de terre des masses de l'installation est \(R_u = 20 \, \Omega\).

Schéma de l'Installation avec Défaut
M Défaut

Questions à traiter

  1. Schéma TT : Le neutre est à la terre (\(R_n\)) et les masses aussi (\(R_u\)). Dessinez la boucle de défaut et calculez le courant de défaut \(I_d\) et la tension de contact \(U_c\).
  2. Schéma TN : Le neutre est à la terre et les masses sont reliées au neutre. La boucle de défaut ne passe plus par la terre. Calculez le nouveau courant de défaut \(I_d\) (en supposant une impédance de boucle de \(0.5 \, \Omega\)).
  3. Schéma IT : Le neutre est isolé de la terre (ou impédant). Que se passe-t-il lors de ce premier défaut ? Quel est l'avantage principal de ce régime ?
  4. Comparez les trois schémas dans un tableau en termes de courant de défaut, de protection des personnes et de continuité de service.

Correction : Comparaison des schémas de liaison à la terre

Question 1 : Analyse du Schéma TT

Principe :
Source Boucle par la Terre Rn Ru

En régime TT (Terre-Terre), le neutre de la source et les masses de l'installation ont chacun leur propre prise de terre, électriquement distinctes. En cas de défaut d'isolement, le courant de défaut \(I_d\) part de la phase, passe par la carcasse métallique, s'écoule dans la terre via la prise de terre des masses (\(R_u\)), remonte par la prise de terre du neutre (\(R_n\)) et retourne à la source. La boucle de défaut inclut donc la terre. La tension de contact \(U_c\) est la tension qui apparaît sur la carcasse, égale à \(R_u \times I_d\).

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Le courant de défaut en TT est limité par les résistances des prises de terre. Il est souvent trop faible pour déclencher les protections contre les surintensités (disjoncteurs magnétothermiques), mais il est suffisamment élevé pour être dangereux pour les personnes. C'est pourquoi la protection en régime TT repose obligatoirement sur un **dispositif différentiel à haute sensibilité (DDR)**.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ I_d = \frac{V}{R_{\text{boucle}}} = \frac{V}{R_n + R_u} \]
\[ U_c = R_u \times I_d \]
Donnée(s) :
  • Tension simple \(V = 230 \, \text{V}\)
  • Résistance de terre du neutre \(R_n = 10 \, \Omega\)
  • Résistance de terre des masses \(R_u = 20 \, \Omega\)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} I_d &= \frac{230}{10 + 20} = \frac{230}{30} \approx 7.7 \, \text{A} \\ \\ U_c &= 20 \times 7.7 \approx 154 \, \text{V} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Tension de Sécurité : Une tension de contact de 154 V est extrêmement dangereuse, voire mortelle. La tension limite de sécurité en milieu sec est de 50 V. Cela montre bien que le schéma TT n'est sûr que s'il est associé à un dispositif différentiel (ex: 30 mA) qui coupera le circuit bien avant que la tension de contact n'atteigne une valeur dangereuse.

Le saviez-vous ?

Le schéma TT est le plus répandu en France pour la distribution publique basse tension (celui qui arrive chez les particuliers). Chaque habitation possède sa propre prise de terre.

FAQ en rapport avec la question :
La résistance de la terre est-elle vraiment constante ?

Non, la résistance d'une prise de terre dépend énormément de la nature du sol (rocheux, humide, argileux...) et des conditions météorologiques. C'est l'une des faiblesses du schéma TT : la qualité de la protection dépend de la qualité des prises de terre, qui peut varier dans le temps.

Résultat : En schéma TT, le courant de défaut est de 7.7 A et la tension de contact dangereuse de 154 V, nécessitant une protection différentielle.

Question 2 : Analyse du Schéma TN

Principe :
Source Boucle par le conducteur PE

En régime TN (Terre-Neutre), le neutre de la source est relié à la terre, et les masses de l'installation sont directement reliées à ce même neutre par un conducteur de protection (PE ou PEN). En cas de défaut, le courant ne boucle plus par la terre mais par ce conducteur de protection. Cela crée un court-circuit franc phase-neutre. L'impédance de cette boucle est très faible, ce qui entraîne un courant de défaut très élevé, suffisant pour faire déclencher instantanément les protections contre les surintensités (disjoncteurs magnétiques).

Remarque Pédagogique :

Point Clé : La sécurité en TN ne repose pas sur des dispositifs différentiels (même s'ils sont souvent ajoutés pour une protection complémentaire), mais sur la certitude que tout défaut d'isolement se transforme en un court-circuit violent qui sera coupé très rapidement par les disjoncteurs classiques.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ I_d = \frac{V}{Z_{\text{boucle}}} \]
Donnée(s) :
  • Tension simple \(V = 230 \, \text{V}\)
  • Impédance de la boucle de défaut \(Z_{\text{boucle}} = 0.5 \, \Omega\) (valeur typique incluant câbles et source)
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} I_d &= \frac{230}{0.5} \\ &= 460 \, \text{A} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Continuité du Conducteur de Protection : La sécurité du schéma TN repose entièrement sur la qualité et la continuité du conducteur de protection (PE). Une rupture de ce conducteur rendrait le système extrêmement dangereux, car un défaut ne serait plus détecté.

Le saviez-vous ?

Il existe plusieurs variantes du schéma TN. En TN-C, la fonction de neutre et de protection est assurée par un seul conducteur (PEN). En TN-S, ces deux fonctions sont assurées par des conducteurs séparés (PE et N). Le TN-S est plus sûr et est la norme pour les installations neuves.

FAQ en rapport avec la question :
Quelle est la tension de contact en TN ?

Théoriquement, comme la masse est reliée au neutre (lui-même à la terre), la tension de contact est très faible. En pratique, à cause de la chute de tension dans le conducteur PE parcouru par le fort courant de défaut, une tension peut apparaître brièvement, mais elle est éliminée en quelques millisecondes par le déclenchement du disjoncteur.

Résultat : En schéma TN, le courant de défaut est très élevé (460 A), assurant un déclenchement rapide des protections magnétiques.

Question 3 : Analyse du Schéma IT

Principe :
Source Boucle non fermée Isolé

En régime IT (Isolé-Terre), le neutre de la source est "isolé" de la terre (ou relié via une forte impédance). Les masses de l'installation sont, elles, reliées à la terre. Lors d'un premier défaut d'isolement, la boucle de défaut n'est pas fermée car le neutre n'offre pas de chemin de retour. Le courant de défaut est donc très faible, limité aux courants de fuite capacitifs des câbles. Il n'y a pas de danger immédiat et pas de déclenchement.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : L'avantage majeur du schéma IT est la **continuité de service**. Un premier défaut n'interrompt pas l'alimentation. Il est simplement signalé par un appareil appelé "Contrôleur Permanent d'Isolement" (CPI), et le personnel de maintenance peut rechercher et réparer le défaut sans arrêter la production. Cependant, un second défaut sur une autre phase devient un court-circuit phase-phase et doit être éliminé.

Formule(s) / Concepts Clés :
\[ \text{1er défaut : } I_d \approx 0 \Rightarrow \text{Pas de déclenchement} \]
\[ \text{2ème défaut : } I_{cc} = \frac{U_n}{Z_{\text{boucle phase-phase}}} \Rightarrow \text{Déclenchement} \]
Donnée(s) :

Cette question est descriptive.

Calcul(s) :

Pas de calcul numérique pour cette question descriptive.

Points de vigilance :

Maintenance Obligatoire : Le schéma IT n'est sûr que si le premier défaut est recherché et éliminé rapidement. Ignorer le signal du CPI et continuer à fonctionner avec un défaut latent est extrêmement dangereux, car un second défaut peut provoquer un court-circuit violent et imprévisible.

Le saviez-vous ?

Le schéma IT est obligatoire dans les locaux à risques médicaux (salles d'opération) ou dans les industries où un arrêt de production est inacceptable (verreries, hauts fourneaux). Il garantit une continuité de service maximale.

FAQ en rapport avec la question :
Comment localise-t-on le premier défaut en IT ?

C'est la principale difficulté. Puisque le courant de défaut est très faible, il n'est pas facile à repérer. On utilise des "localisateurs de défauts d'isolement" qui injectent des signaux de test dans le réseau pour identifier la branche défaillante sans avoir à couper l'alimentation.

Résultat : En schéma IT, un premier défaut n'est pas dangereux et ne provoque pas de coupure, garantissant une excellente continuité de service.

Question 4 : Tableau Comparatif

Principe :
TT TN IT

On synthétise les caractéristiques de chaque régime de neutre dans un tableau pour comparer leurs avantages et inconvénients respectifs sur les critères de sécurité, de coût, de continuité de service et de complexité d'exploitation.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Il n'y a pas de "meilleur" schéma dans l'absolu. Le choix dépend de l'application : le TT est un bon compromis pour la distribution publique, le TN est très sûr pour les sites industriels bien entretenus, et l'IT est réservé aux applications critiques où la continuité de service est la priorité numéro un.

Formule(s) / Concepts Clés :

Synthèse des résultats précédents.

Donnée(s) :

Les conclusions des questions 1, 2 et 3.

Calcul(s) :
Critère Schéma TT Schéma TN Schéma IT
Courant de 1er Défaut Moyen (dangereux) Très élevé (court-circuit) Très faible (non dangereux)
Protection Principale Différentiel (DDR) Disjoncteur Magnétique Contrôleur d'Isolement (CPI)
Continuité de Service Moyenne (coupure au 1er défaut) Faible (coupure au 1er défaut) Excellente (pas de coupure au 1er défaut)
Complexité / Coût Simple et peu coûteux Moyen (nécessite un conducteur PE) Élevé (CPI, personnel qualifié)
Points de vigilance :

Pas de solution universelle : Le tableau montre bien qu'il s'agit d'un compromis. Ce qui est un avantage pour l'un (ex: faible courant de défaut en IT) devient un inconvénient pour un autre critère (complexité de localisation).

Le saviez-vous ?

Les lettres du code des schémas de liaison à la terre viennent du français : T pour "Terre", N pour "Neutre", I pour "Isolé". C pour "Combiné" et S pour "Séparé" dans les variantes TN-C et TN-S.

FAQ en rapport avec la question :
Quel schéma est utilisé dans les avions ?

Les avions utilisent un schéma de type IT. La carlingue de l'avion sert de masse commune, mais elle est isolée de toute "terre" extérieure. La continuité de service est absolument critique, on ne peut pas se permettre une coupure de courant en plein vol pour un premier défaut. Le défaut est signalé et sera traité à la prochaine escale.

Résultat : Le tableau comparatif met en évidence les compromis entre sécurité, coût et continuité de service pour chaque schéma.

Simulation : Comportement en cas de Défaut

Choisissez un schéma de liaison à la terre, puis cliquez sur le moteur pour simuler un défaut d'isolement. Observez la boucle de défaut, le courant généré et la réaction de la protection.

Paramètres du Réseau
Courant de Défaut (Id) :
Tension de Contact (Uc) :
Action de la Protection :
Visualisation du Défaut

Pièges à Éviter

Confondre les Schémas : Chaque schéma a une boucle de défaut et un mode de protection radicalement différents. Il est essentiel de bien les visualiser et de ne pas appliquer les formules de l'un à l'autre.

Sécurité du Schéma IT : Ne pas conclure que le schéma IT est "plus sûr" dans l'absolu. Il n'est sûr que si le premier défaut est traité. Un second défaut non maîtrisé peut être plus difficile à localiser et à éliminer qu'un défaut simple en régime TN ou TT.

Pour Aller Plus Loin

Réseaux de Distribution HTA : Les réseaux publics de distribution HTA (ex: 20 kV) sont souvent exploités en régime IT (neutre impédant) pour garantir une meilleure continuité de service à l'échelle d'une ville. Un défaut sur une ligne souterraine ne provoque pas de coupure immédiate, laissant le temps aux équipes d'intervenir.

Le Saviez-Vous ?

Le choix du schéma de liaison à la terre est un sujet de débat historique entre les pays. La France et l'Europe du Sud privilégient historiquement le TT pour la distribution publique, tandis que l'Allemagne et l'Europe du Nord ont largement adopté le TN. Les États-Unis utilisent un système de type TN avec des tensions et des configurations encore différentes.

Foire Aux Questions (FAQ)

Quel est le schéma le plus sûr pour les personnes ?

Correctement mis en œuvre, tous les schémas offrent un haut niveau de sécurité. Cependant, le schéma TT, grâce à l'utilisation systématique de dispositifs différentiels à haute sensibilité (30 mA), est souvent considéré comme offrant la meilleure protection contre les contacts directs et indirects pour les installations domestiques et tertiaires.

Qu'est-ce qu'un défaut "franc" ?

Un défaut "franc" (ou "solide") est un court-circuit idéal où la résistance au point de défaut est nulle (un contact métallique parfait). C'est le scénario le plus pessimiste qui donne le courant de court-circuit le plus élevé possible. En réalité, un défaut (comme un arbre touchant une ligne) a souvent une certaine résistance, ce qui réduit légèrement le courant.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Quel schéma de liaison à la terre privilégie la continuité de service avant tout ?

2. En régime TT, la protection principale des personnes contre les contacts indirects est assurée par :

Glossaire

Schéma de Liaison à la Terre
Définit la manière dont le neutre du transformateur et les masses métalliques des appareils sont connectés à la terre. Les principaux schémas sont TT, TN et IT.
Défaut d'Isolement
Contact accidentel entre un conducteur actif (une phase) et une masse métallique (carcasse d'une machine) qui n'est normalement pas sous tension.
Tension de Contact (Uc)
Différence de potentiel qui apparaît entre la masse d'un appareil en défaut et la terre. C'est la tension à laquelle une personne peut être soumise si elle touche l'appareil.
Dispositif Différentiel Résiduel (DDR)
Appareil de protection qui mesure la différence entre le courant entrant et le courant sortant d'un circuit. S'il détecte une fuite de courant vers la terre, même faible, il coupe l'alimentation.
Comparaison des schémas de liaison à la terre (TT, TN, IT)

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