Défaut électrique

Dans un système électrique , un défaut ou un courant de défaut est un courant électrique anormal . Par exemple, un court-circuit est un défaut dans lequel un fil sous tension touche un fil neutre ou de terre. Un défaut de circuit ouvert se produit si un circuit est interrompu par une défaillance d'un fil porteur de courant (phase ou neutre) ou par un fusible ou un disjoncteur grillé . Dans les systèmes triphasés , un défaut peut concerner une ou plusieurs phases et la terre, ou peut se produire uniquement entre les phases. Dans un « défaut de terre » ou « défaut de terre », le courant circule dans la terre. Le courant de court-circuit présumé d'un défaut prévisible peut être calculé pour la plupart des situations. Dans les systèmes électriques, les dispositifs de protection peuvent détecter les conditions de défaut et actionner les disjoncteurs et autres dispositifs pour limiter la perte de service due à une défaillance.

Dans un système polyphasé , un défaut peut affecter toutes les phases de manière égale, il s'agit alors d'un « défaut symétrique ». Si seules certaines phases sont affectées, le « défaut asymétrique » qui en résulte devient plus compliqué à analyser. L'analyse de ces types de défauts est souvent simplifiée en utilisant des méthodes telles que les composantes symétriques .

La conception de systèmes permettant de détecter et d'interrompre les défauts du système électrique constitue l'objectif principal de la protection du système électrique .

Un défaut transitoire est un défaut qui n'est plus présent si l'alimentation est coupée pendant une courte période puis rétablie ; ou un défaut d'isolation qui n'affecte que temporairement les propriétés diélectriques d'un appareil qui sont rétablies après une courte période. De nombreux défauts sur les lignes électriques aériennes sont de nature transitoire. Lorsqu'un défaut se produit, l'équipement utilisé pour la protection du système électrique fonctionne pour isoler la zone du défaut. Un défaut transitoire disparaît alors et la ligne électrique peut être remise en service. Voici quelques exemples typiques de défauts transitoires :

• contact momentané avec l'arbre
• contact avec un oiseau ou un autre animal
• coup de foudre
• conflit de conducteurs

Les systèmes de transmission et de distribution utilisent une fonction de réenclenchement automatique, couramment utilisée sur les lignes aériennes pour tenter de rétablir le courant en cas de défaut transitoire. Cette fonctionnalité n'est pas aussi courante sur les systèmes souterrains, car les défauts y sont généralement de nature persistante. Les défauts transitoires peuvent néanmoins causer des dommages à la fois sur le site du défaut d'origine ou ailleurs dans le réseau lorsque le courant de défaut est généré.

Un défaut persistant est présent quelle que soit la puissance appliquée. Les défauts dans les câbles électriques souterrains sont le plus souvent persistants en raison de dommages mécaniques au câble, mais sont parfois de nature transitoire en raison de la foudre.

Un défaut asymétrique ou déséquilibré n'affecte pas chaque phase de la même manière. Types courants de défauts asymétriques et leurs causes :

• Défaut de ligne à ligne : court-circuit entre lignes provoqué par l'ionisation de l'air ou lorsque les lignes entrent en contact physique, par exemple en raison d'un isolant cassé . Dans les défauts de lignes de transmission, environ 5 à 10 % sont des défauts de ligne à ligne asymétriques.
• Défaut ligne-terre - court-circuit entre une ligne et la terre, très souvent causé par un contact physique, par exemple en raison de la foudre ou d'autres dommages causés par un orage . Dans les défauts de lignes de transmission, environ 65 à 70 % sont des défauts ligne-terre asymétriques.
• défaut double ligne-terre - deux lignes entrent en contact avec le sol (et l'une avec l'autre), ce qui est également fréquent en raison de dommages causés par une tempête. Dans les défauts de lignes de transmission, environ 15 à 20 % sont des défauts doubles ligne-terre asymétriques.

Un défaut symétrique ou équilibré affecte chacune des phases de manière égale. Dans les défauts de lignes de transmission, environ 5 % sont symétriques. Ces défauts sont rares par rapport aux défauts asymétriques. Il existe deux types de défauts symétriques : les défauts de ligne à ligne à ligne (LLL) et les défauts de ligne à ligne à terre (LLLG). Les défauts symétriques représentent 2 à 5 % de tous les défauts du système. Cependant, ils peuvent causer des dommages très graves aux équipements même si le système reste équilibré.

Un cas extrême est celui où le défaut a une impédance nulle, ce qui donne le courant de court-circuit potentiel maximal . En théorie, tous les conducteurs sont considérés comme reliés à la terre comme s'ils étaient reliés par un conducteur métallique ; on parle alors de « défaut boulonné ». Il serait inhabituel dans un système électrique bien conçu d'avoir un court-circuit métallique à la terre, mais de tels défauts peuvent se produire par hasard. Dans un type de protection de ligne de transmission, un « défaut boulonné » est délibérément introduit pour accélérer le fonctionnement des dispositifs de protection.

Un défaut à la terre est une défaillance qui permet une connexion involontaire des conducteurs du circuit électrique à la terre. De tels défauts peuvent provoquer des courants de circulation indésirables ou peuvent alimenter les boîtiers des équipements à une tension dangereuse. Certains systèmes de distribution d'énergie spéciaux peuvent être conçus pour tolérer un seul défaut à la terre et continuer à fonctionner. Les codes de câblage peuvent exiger qu'un dispositif de surveillance de l'isolement donne une alarme dans un tel cas, afin que la cause du défaut à la terre puisse être identifiée et corrigée. Si un deuxième défaut à la terre se développe dans un tel système, il peut entraîner une surintensité ou une défaillance des composants. Même dans les systèmes qui sont normalement connectés à la terre pour limiter les surtensions , certaines applications nécessitent un disjoncteur de fuite à la terre ou un dispositif similaire pour détecter les défauts à la terre.

En réalité, la résistance d'un défaut peut être proche de zéro ou assez élevée par rapport à la résistance de charge. Une grande quantité d'énergie peut être consommée dans le défaut, par rapport au cas d'impédance nulle où la puissance est nulle. De plus, les arcs sont très non linéaires, donc une simple résistance n'est pas un bon modèle. Tous les cas possibles doivent être pris en compte pour une bonne analyse.

Lorsque la tension du système est suffisamment élevée, un arc électrique peut se former entre les conducteurs du système électrique et la terre. Un tel arc peut avoir une impédance relativement élevée (par rapport aux niveaux de fonctionnement normaux du système) et peut être difficile à détecter par une simple protection contre les surintensités. Par exemple, un arc de plusieurs centaines d'ampères sur un circuit transportant normalement un millier d'ampères peut ne pas déclencher les disjoncteurs de surintensité, mais peut causer d'énormes dommages aux barres omnibus ou aux câbles avant de devenir un court-circuit complet. Les systèmes électriques des services publics, industriels et commerciaux disposent de dispositifs de protection supplémentaires pour détecter les courants relativement faibles mais indésirables qui s'échappent vers la terre. Dans le câblage résidentiel, les réglementations électriques peuvent désormais exiger des disjoncteurs de défaut d'arc sur les circuits de câblage des bâtiments, pour détecter les petits arcs avant qu'ils ne causent des dommages ou un incendie. Par exemple, ces mesures sont prises dans les endroits où l'eau coule.

Les défauts symétriques peuvent être analysés par les mêmes méthodes que tout autre phénomène dans les réseaux électriques. En fait, de nombreux outils logiciels existent pour réaliser ce type d'analyse automatiquement (voir étude du flux de puissance ). Cependant, il existe une autre méthode qui est tout aussi précise et généralement plus instructive.

Tout d'abord, quelques hypothèses simplificatrices sont formulées. On suppose que tous les générateurs électriques du système sont en phase et fonctionnent à la tension nominale du système. Les moteurs électriques peuvent également être considérés comme des générateurs, car lorsqu'un défaut se produit, ils fournissent généralement de l'énergie au lieu d'en consommer. Les tensions et les courants sont ensuite calculés pour ce cas de base .

Ensuite, on considère que l'emplacement du défaut est alimenté par une source de tension négative, égale à la tension à cet emplacement dans le cas de base, tandis que toutes les autres sources sont réglées à zéro. Cette méthode utilise le principe de superposition .

Pour obtenir un résultat plus précis, ces calculs doivent être effectués séparément pour trois plages de temps distinctes :

• le subtransitoire est le premier et est associé aux courants les plus importants
• le transitoire se situe entre le subtransitoire et l'état stable
• l'état stable se produit après que tous les transitoires ont eu le temps de se stabiliser

Un défaut asymétrique brise les hypothèses sous-jacentes utilisées dans le domaine des réseaux triphasés, à savoir que la charge est équilibrée sur les trois phases. Par conséquent, il est impossible d' utiliser directement des outils tels que le schéma unifilaire , où une seule phase est prise en compte. Cependant, en raison de la linéarité des réseaux électriques, il est courant de considérer les tensions et les courants résultants comme une superposition de composantes symétriques , à laquelle l'analyse triphasée peut être appliquée.

Dans la méthode des composantes symétriques, le système électrique est considéré comme une superposition de trois composantes :

• une composante de séquence positive , dans laquelle les phases sont dans le même ordre que le système d'origine, c'est-à-dire abc
• une composante de séquence négative , dans laquelle les phases sont dans l'ordre opposé au système d'origine, c'est-à-dire acb
• un composant homopolaire , qui n'est pas véritablement un système triphasé, mais dans lequel les trois phases sont en phase les unes avec les autres.

Pour déterminer les courants résultant d'un défaut asymétrique, il faut d'abord connaître les impédances de séquence nulle, directe et inverse des lignes de transmission, des générateurs et des transformateurs concernés. Trois circuits distincts sont ensuite construits à l'aide de ces impédances. Les circuits individuels sont ensuite connectés ensemble selon un agencement particulier qui dépend du type de défaut étudié (cela se trouve dans la plupart des manuels sur les systèmes électriques). Une fois les circuits de séquence correctement connectés, le réseau peut alors être analysé à l'aide de techniques d'analyse de circuit classiques. La solution donne des tensions et des courants qui existent sous forme de composants symétriques ; ceux-ci doivent être transformés en valeurs de phase à l'aide de la matrice A.

L'analyse du courant de court-circuit présumé est nécessaire pour sélectionner les dispositifs de protection tels que les fusibles et les disjoncteurs . Pour protéger correctement un circuit, le courant de défaut doit être suffisamment élevé pour faire fonctionner le dispositif de protection dans le délai le plus court possible. Le dispositif de protection doit également être capable de résister au courant de défaut et d'éteindre les arcs électriques qui en résultent sans être lui-même détruit ou sans entretenir l'arc électrique pendant une durée significative.

L'amplitude des courants de défaut varie considérablement en fonction du type de système de mise à la terre utilisé, du type d'alimentation et du système de mise à la terre de l'installation, ainsi que de sa proximité avec l'alimentation. Par exemple, pour une alimentation domestique britannique de 230 V, 60 A TN-S ou américaine de 120 V/240 V, les courants de défaut peuvent atteindre quelques milliers d'ampères. Les grands réseaux basse tension avec plusieurs sources peuvent avoir des niveaux de défaut de 300 000 ampères. Un système de mise à la terre à haute résistance peut limiter le courant de défaut ligne-terre à seulement 5 ampères. Avant de sélectionner des dispositifs de protection, le courant de défaut présumé doit être mesuré de manière fiable à l'origine de l'installation et au point le plus éloigné de chaque circuit, et cette information doit être appliquée correctement à l'application des circuits.

Les lignes électriques aériennes sont les plus faciles à diagnostiquer car le problème est généralement évident, par exemple, un arbre est tombé sur la ligne ou un poteau électrique est cassé et les conducteurs reposent sur le sol.

La localisation des défauts dans un système de câbles peut être effectuée soit avec le circuit hors tension, soit dans certains cas, avec le circuit sous tension. Les techniques de localisation des défauts peuvent être globalement divisées en méthodes terminales, qui utilisent des tensions et des courants mesurés aux extrémités du câble, et en méthodes de traçage, qui nécessitent une inspection sur toute la longueur du câble. Les méthodes terminales peuvent être utilisées pour localiser la zone générale du défaut, afin d'accélérer le traçage sur un câble long ou enterré.

Dans les systèmes de câblage très simples, l'emplacement du défaut est souvent trouvé par inspection des fils. Dans les systèmes de câblage complexes (par exemple, le câblage des avions) où les fils peuvent être cachés, les défauts de câblage sont localisés à l'aide d'un réflectomètre temporel . Le réflectomètre temporel envoie une impulsion le long du fil, puis analyse l'impulsion réfléchie de retour pour identifier les défauts dans le fil électrique.

Dans les câbles télégraphiques sous-marins historiques, des galvanomètres sensibles étaient utilisés pour mesurer les courants de défaut ; en testant aux deux extrémités d'un câble défectueux, l'emplacement du défaut pouvait être isolé à quelques kilomètres près, ce qui permettait de récupérer le câble et de le réparer. La boucle Murray et la boucle Varley étaient deux types de connexions permettant de localiser les défauts dans les câbles

Parfois, un défaut d'isolation dans un câble électrique ne se manifeste pas à des tensions plus basses. Un ensemble de test « thumper » applique une impulsion à haute énergie et haute tension au câble. La localisation du défaut se fait en écoutant le bruit de la décharge au niveau du défaut. Bien que ce test contribue à endommager le câble, il est pratique car l'emplacement défectueux devrait être réisolé une fois trouvé dans tous les cas.

Dans un système de distribution avec mise à la terre à haute résistance, un circuit d'alimentation peut développer un défaut à la terre, mais le système continue de fonctionner. Le circuit d'alimentation en défaut, mais sous tension, peut être trouvé avec un transformateur de courant de type annulaire collectant tous les fils de phase du circuit ; seul le circuit contenant un défaut à la terre affichera un courant net déséquilibré. Pour faciliter la détection du courant de défaut à la terre, la résistance de mise à la terre du système peut être commutée entre deux valeurs de sorte que le courant de défaut soit pulsé.

Le courant de défaut potentiel des batteries plus grandes, telles que les batteries à décharge profonde utilisées dans les systèmes d'alimentation autonomes , est souvent indiqué par le fabricant.

En Australie, lorsque cette information n'est pas fournie, le courant de défaut potentiel en ampères « doit être considéré comme étant 6 fois la capacité nominale de la batterie au taux C ₁₂₀ A·h », conformément à la partie 2 de la norme AS 4086 (annexe H).