Chapitre 05 · Sujet 3 sur 6
Les schémas TN (TN-S, TN-C, TN-C-S)
En TN, les masses sont reliées par un conducteur au neutre mis à la terre de la source ; un défaut d'isolement devient un court-circuit que les disjoncteurs ou fusibles doivent couper à temps.
Niveau 1
L'essentiel
- TN : un point du réseau (en pratique le neutre du transformateur) est relié à la terre (T) et les masses de l'installation sont reliées à ce point (N) par des conducteurs de protection.
- En Belgique, on le rencontre dans les bâtiments qui ont leur propre transformateur (cabine client). Un client raccordé au réseau public basse tension ne peut pas relier lui-même le neutre à la terre ni l'utiliser comme conducteur de protection, sauf autorisation du gestionnaire de réseau (prescriptions Synergrid C1/107, §7.1) : il n'est donc pas en TN.
- En cas de défaut, le courant revient par un conducteur métallique : il est très élevé, comme un court-circuit. C'est le disjoncteur ou le fusible qui coupe.
- TN-S : neutre (N) et protection (PE) séparés. TN-C : un seul conducteur PEN fait les deux rôles. TN-C-S : TN-C en amont, puis séparation en N et PE.
- Le TN-C est interdit dans de nombreux cas, notamment dans les logements et pour le circuit d'une borne de recharge ; après la séparation du PEN en N et PE, on ne les réunit plus jamais.
Comprendre
Le trajet du courant de défaut
Dans la cabine, le point neutre du transformateur est relié à la terre. Depuis ce point, un conducteur de protection accompagne les câbles jusqu'à chaque masse. Si une phase touche une carcasse, le courant suit : phase → masse → PE → neutre du transformateur. Ce trajet est entièrement métallique, de faible résistance : le courant de défaut atteint des centaines d'ampères.
Qui coupe ?
Ce courant est assez fort pour faire déclencher le disjoncteur (partie magnétique) ou fondre le fusible du circuit. Il faut cependant le vérifier : si le câble est long ou fin, sa résistance augmente et le courant de défaut diminue. Le déclenchement peut alors devenir trop lent. C'est pourquoi chaque circuit en TN a une longueur maximale.
Les trois variantes
- TN-S : cinq conducteurs en triphasé (L1, L2, L3, N, PE). Le PE ne transporte aucun courant en service normal. On peut utiliser des différentiels.
- TN-C : quatre conducteurs (L1, L2, L3, PEN). Le PEN transporte le courant de neutre et sert de protection. La protection est assurée par les disjoncteurs ou fusibles ; le PEN ne doit jamais être coupé. Le RGIE l'interdit notamment dans les logements, dans les installations sans personnel averti ou qualifié et pour le circuit d'une borne de recharge.
- TN-C-S : on part en TN-C (souvent du transformateur au TGBT), puis on sépare N et PE sur une borne dédiée ; en aval, on est en TN-S.
Le danger d'un PEN coupé
Si le PEN est interrompu, les masses raccordées en aval peuvent se retrouver sous tension par l'intermédiaire des appareils branchés. C'est pourquoi le RGIE interdit de couper le PEN : ni interrupteur, ni sectionneur, ni pôle de disjoncteur.
Sur le terrain
Dans un bâtiment industriel à Liège avec sa propre cabine et un service technique interne, le TGBT est alimenté en TN-C par des barres (L1, L2, L3, PEN). Dans le TGBT, une barre PE et une barre N sont reliées au PEN par une liaison unique et repérée. Tous les départs partent en TN-S. On vous demande d'ajouter un tableau divisionnaire : vous tirez un câble à cinq conducteurs et vous ne reliez jamais N et PE dans ce nouveau tableau.
Erreurs fréquentes
- Relier N et PE dans un tableau divisionnaire en aval du point de séparation : le courant de neutre circule dans le PE et les différentiels déclenchent.
- Placer un différentiel sur un circuit TN-C : le PEN traverse le tore, le défaut n'est pas vu correctement.
- Couper le PEN avec un interrupteur ou un disjoncteur tétrapolaire.
- Oublier de vérifier la longueur maximale du circuit : la protection ne coupe pas assez vite.
- Croire qu'un bâtiment raccordé au réseau public BT peut être en TN : sans accord du gestionnaire, il est interdit d'y relier le neutre à la terre.
Niveau supérieur
L'essentiel
- Condition du RGIE : Ia ≤ U0 / Zs, avec Ia courant de fonctionnement du dispositif dans le temps donné par la courbe de sécurité, U0 tension par rapport à la terre, Zs impédance de la boucle de défaut (RGIE, Livre 1, 4.2.3.4 b.2).
- Pour un disjoncteur, on retient en pratique la limite haute du déclenchement magnétique : 5 × In (courbe B), 10 × In (C), 20 × In (D) ; pour un fusible, on lit Ia sur sa courbe au temps requis.
- PEN : au moins 10 mm² en cuivre ou 16 mm² en aluminium ; en TN-C, la protection est assurée par les dispositifs de surintensité (4.2.3.4 b.1 et b.3).
- TN-C interdit : circuit terminal phase + PEN, domestique, parties communes, installations sans personnel BA4 ou BA5, lieux BE2, BE3 ou CA2, circuit dédié d'une borne de recharge, installations temporaires, mobiles ou transportables (4.2.3.4 b.3).
- Coupure du PEN interdite (4.4.4.6, 5.3.3.1) ; en TN-C-S, N et PE ne sont jamais réunis en aval du point de séparation (4.2.3.4 b.4).
Approfondir
Boucle de défaut
Pour un défaut franc entre phase et masse à l'extrémité d'un circuit : Zs = Zamont + Rphase + RPE Id = U0 / Zs Rphase = ρ × L / Sph et RPE = ρ × L / SPE (ρ en service, par exemple 0,0225 Ω·mm²/m pour le cuivre)
Zamont regroupe le transformateur et les canalisations en amont (aller et retour). On le mesure à l'origine du circuit avec un mesureur d'impédance de boucle, ou on le calcule (voir Le courant de court-circuit et Le transformateur). Certaines méthodes simplifiées ne retiennent que 0,8 × U0 au départ du circuit : n'en mélangez pas deux.
Temps de coupure et longueur maximale
Le RGIE ne fixe pas de temps forfaitaire par type de circuit : la coupure doit intervenir avant le temps de la courbe de sécurité (tableau 2.4) pour la tension de contact présumée Uc ≈ RPE × Id. En BB1 : 87 V → 0,5 s, 207 V → 0,2 s, 340 V → 0,1 s. La norme internationale IEC 60364-4-41 procède autrement (0,4 s pour les circuits terminaux jusqu'à 32 A en 230 V, 5 s pour la distribution) : c'est une référence utile, pas la règle belge. Un déclenchement magnétique, quasi instantané, respecte la courbe dans tous les cas courants. D'où : Zs ≤ U0 / Ia Lmax = (U0 / Ia − Zamont) / (ρ × (1 / Sph + 1 / SPE))
Si Lmax est dépassée : augmenter la section (de la phase et surtout du PE), choisir une courbe plus sensible (B au lieu de C), ou protéger le circuit par un différentiel. Le RGIE prévoit ce dernier cas en TN-(C)-S ; si les masses sont alors reliées à une prise de terre propre, le circuit est traité comme un TT (4.2.3.4 b.5).
Tension de contact
Avec SPE = Sph, Uc vaut un peu moins de U0 / 2. C'est bien plus que 50 V : le TN n'est sûr que parce que la coupure est très rapide.
TN-C : conditions et compatibilité électromagnétique
Le PEN doit avoir au moins 10 mm² en cuivre ou 16 mm² en aluminium et ne peut jamais être coupé ; les dispositifs de sectionnement coupent le neutre, sauf en TN-C (PEN interdit de coupure) et en TN-S (coupure du neutre permise mais pas obligatoire) (5.3.3.1 a.1). En TN-C, le courant de neutre (y compris les harmoniques de rang 3 de l'éclairage LED et de l'informatique) circule dans le PEN et dans les structures qui y sont reliées : perturbations et courants vagabonds. Le TN-S, avec un PE sans courant en service normal, est préférable dès qu'il y a beaucoup d'électronique.
Contrôle
À la mise en service, on mesure l'impédance de boucle à l'extrémité des circuits et on la compare à U0 / Ia (voir Mesures et essais).
Exemple chiffré
Circuit de prises en TN-S, lieu sec (BB1), U0 = 230 V, câble cuivre 3G2,5 mm² (PE de même section), L = 40 m, disjoncteur C16. Impédance de boucle à l'origine du circuit : Zamont = 0,10 Ω. ρ = 0,0225 Ω·mm²/m.
- Résistance d'un conducteur : R = 0,0225 × 40 / 2,5 = 0,36 Ω (calculateur résistance d'un conducteur).
- Impédance de boucle : Zs = 0,10 + 0,36 + 0,36 = 0,82 Ω.
- Courant de défaut : Id = 230 / 0,82 = 280,5 A.
- Tension de contact présumée : Uc = 0,36 × 280,5 = 101 V. Courbe de sécurité BB1 : 101 V se situe entre 87 V (0,5 s) et 207 V (0,2 s) ; on retient 0,2 s.
- Déclenchement magnétique garanti du C16 : Ia = 10 × 16 = 160 A. Id = 280,5 A > 160 A : coupure quasi instantanée, bien en dessous de 0,2 s. Condition Ia ≤ U0 / Zs : 160 ≤ 230 / 0,82 = 280,5 A : respectée.
- Longueur maximale avec C16 : U0 / Ia = 230 / 160 = 1,4375 Ω ; Lmax = (1,4375 − 0,10) × 2,5 / (2 × 0,0225) = 1,3375 × 2,5 / 0,045 = 74,3 m.
- Avec un B16 (Ia = 80 A) : U0 / Ia = 2,875 Ω ; Lmax = (2,875 − 0,10) × 2,5 / 0,045 = 154,2 m (la chute de tension limitera souvent la longueur avant cette valeur).
Erreurs fréquentes
- Ne compter que l'aller (phase) dans Zs et oublier le PE.
- Prendre Ia = In : un C16 ne coupe pas instantanément à 16 A, il faut 10 × In.
- Présenter 0,4 s et 5 s comme des temps réglementaires belges : le RGIE renvoie à la courbe de sécurité.
- Prévoir un TN-C pour une borne de recharge, dans des parties communes d'immeuble ou dans une installation sans personnel averti ou qualifié.
- Utiliser un PEN de section inférieure à 10 mm² en cuivre.