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Les dispositifs différentiels résiduels (DDR)

Publié le 11 décembre 2017

Indispensables notamment pour protéger les personnes des contacts directs et indirects, les dispositifs différentiels résiduels rythment l'installation électrique en fonction des types de charge attribués aux différents circuits. Est également en jeu la sûreté de fonctionnement, grâce à la mise en œuvre d'une stratégie de sélectivité entre protections.

Dans les installations électriques, les contacts directs et indirects sont toujours associés à un courant de défaut qui ne revient pas à la source par les conducteurs actifs. Ils représentent un danger pour les personnes et pour les biens. Voilà pourquoi sont utilisés les dispositifs différentiels résiduels (DDR), dont la fonction de base est de détecter les courants différentiels résiduels. De plus, les DDR surveillent l’isolement des câbles et des récepteurs électriques. D’où leur emploi fréquent pour détecter une baisse d’isolement, ou réduire les effets destructeurs d’un courant de défaut conséquent.

Les effets du courant électrique sur le corps humain

Le diagramme ci-après montre les effets du courant électrique traversant le corps humain (temps de passage en fonction du courant en milliampères). Il se divise en 4 zones.

© Publication CEI 479-1

Légende :

  • Zone 1 - pas de perception
  • Zone 2 - le courant est perçu mais ne provoque aucune réaction
  • Zone 3 - c'est la zone de non-lâcher dans laquelle la personne qui tient une partie métallique sous tension ne peut plus le lâcher. Mais il n'en résulte pas de séquelle après interruption du courant
  • Zone 4 - le passage du courant peut provoquer une fibrillation ventriculaire du cœur, pouvant entraîner son arrêt.

Le dispositif à courant différentiel-résiduel est conçu pour assurer la protection des personnes contre les contacts indirects, c'est-à-dire entre :

  • d'une part, l'enveloppe métallique d'un appareil électrique, appelée "masse", mise sous tension accidentellement suite à une défaillance de son isolation ;
  • d'autre part, la terre ou un élément conducteur non isolé de la terre ou bien la masse d'un autre appareil.

Principe de fonctionnement

Les DDR sont tous constitués d’au moins 2 éléments :

Le capteur

Celui-ci doit être capable de fournir un signal électrique utile lorsque la somme des courants circulant dans les conducteurs actifs est différente de zéro. Le transformateur-tore est le capteur le plus utilisé pour mesurer des courants de fuite. Il englobe la totalité des conducteurs actifs et de ce fait est excité par le champ magnétique résiduel correspondant à la somme vectorielle des courants parcourant les phases et le neutre. L’induction dans le tore et le signal électrique disponible aux bornes de l’enroulement secondaire, sont donc l’image du courant différentiel résiduel. Ce type de capteur permet de détecter des courants différentiels de quelques milliampères jusqu'à quelques dizaines d’ampères.

Autre type de capteurs : le transformateur de courant. Il est utilisé en haute tension et en moyenne (parfois seulement en basse tension) ;

Le relais de mesure

Il compare le signal électrique fourni par le capteur à une valeur de consigne et donne, avec un éventuel retard intentionnel, l’ordre d’ouverture à l’appareil de coupure associé.

Le dispositif de commande d’ouverture de l’appareil (interrupteur ou disjoncteur) placé en amont du circuit électrique contrôlé par le DDR est appelé déclencheur ou actionneur.

Principe de la génération de tension de défaut

DDR et schémas de liaisons à la terre

Les dispositifs différentiels résiduels (DDR) sont employés dans les installations électriques domestiques, commerciales et industrielles. Leur usage dépend des normes et principalement de la NF C 15-100. Cette dernière officialise notamment 3 principaux schémas de raccordement du réseau électrique à la terre. Pour chacun de ces schémas, elle définit plus précisément l’emploi des DDR, car le danger électrique est fortement influencé par le choix du schéma de liaison à la terre (SLT). Quoi qu'il en soit, pour tout SLT, les normes exigent :

  • que chaque masse d’utilisation soit reliée à une prise de terre par un conducteur de protection ;
  • que les masses d’utilisation simultanément accessibles soient reliées à une même prise de terre ;
  • qu'un dispositif de coupure déconnecte automatiquement toute partie d’installation où se développe une tension de contact dangereuse ;
  • que le temps de coupure de ce dispositif soit inférieur au temps maximal défini.

Schéma TT

La norme NF C 15-100 impose la mise en œuvre d'un DDR associé à la mise à la terre des masses (à retenir : les parties métalliques des appareils de classe II ne sont pas considérées comme des masses).

Par conception, le DDR détecte le courant qui s'établit vers la terre en aval de son point d'installation, notamment lors d'un défaut d'isolement affectant un appareil. Le bon fonctionnement implique donc la mise à la terre des masses.

Cette mise à la terre doit être assurée par un conducteur de protection "vert et jaune". La présence du conducteur de protection est donc imposée pour tous les circuits, y compris ceux alimentant des appareils de classe II.

Il convient de choisir un courant différentiel résiduel assigné du DDR en fonction de la valeur de la résistance de la prise de terre qui doit être la plus faible possible, compte tenu de la nature du terrain.

 

Au sein d'une même installation, des masses simultanément accessibles doivent être connectées à la même prise de terre. Toutes les prises de terre d'un même bâtiment doivent être interconnectées (mise à la terre des masses basse tension, terre fonctionnelle, terre de paratonnerre).

Pour des valeurs de résistance de la prise de terre des masses supérieures à 500 Ohms, il convient de choisir un courant résiduel assigné au plus égal à 30 mA.

Les parties qui ne sont pas protégées par un DDR à l'origine d'une installation doivent être réalisées en classe II. Il en est de même lorsque la sensibilité du dispositif différentiel de tête n'est pas adaptée à la résistance de la prise de terre.

Schéma TN

Un DDR peut être nécessaire lorsque les conditions de coupure par les dispositifs de protection contre les surintensités ne sont pas satisfaites pour un circuit ou un groupe de circuit et si les liaisons équipotentielles supplémentaires ne sont pas réalisées. Il peut en être ainsi pour des circuits de grande longueur et de faible section.

Dans les installations réalisées selon le schéma TN, un dispositif différentiel doit protéger les masses de toute partie d'installation située en dehors de la zone d'influence de la liaison équipotentielle principale, c’est-à-dire en pratique, à l'extérieur de la surface du bâtiment lorsque la prise de terre est constituée par une boucle à fond de fouille.

Le conducteur de protection de ces masses est relié à une prise de terre locale ou au conducteur de protection de l'installation en amont du dispositif différentiel.

Le schéma TN peut-être soit TN-C (neutre et PE confondus), soit TN-S (neutre et PE distincts) :

Schéma IT

Pour ce type de schéma, un dispositif différentiel doit protéger tout groupe de masses mis à la terre séparément ou toute masse mise à la terre individuellement.

DDR à haute sensibilité

Avec une sensibilité de 30 mA au plus, un DDR à haute sensibilité permet d'assurer une protection complémentaire contre les contacts directs (par exemple une personne au potentiel de la terre avec un conducteur de phase, en cas de contact avec un câble métallique mal isolé ou lorsqu'un enfant introduit une tige métallique dans une prise de courant). Il assure également la protection contre les contacts indirects avec des masses en défaut.
Rappelons que la présence d'un dispositif différentiel, quelle que soit sa sensibilité, y compris 30 mA, ne dispense jamais de la réalisation d'une prise de terre.
La norme NF C 15-100 impose l'emploi de DDR à haute sensibilité (au plus 30 mA), quel que soit le schéma de liaison à la terre pour la protection :

  • des circuits alimentant des socles de prises de courant ou les socles de prises de courant eux-mêmes ;
  • de tous les circuits de l'installation des locaux d'habitation (sauf les circuits de distribution et les circuits du parafoudre éventuel à l'origine de l'installation) ;
  • de tous les circuits contenus dans les locaux contenant une baignoire ou une douche et les piscines à l'exception des circuits alimentés en TBTS et des circuits situés en aval des transformateurs de séparation ;
  • des circuits d'alimentation des éléments de chauffage électrique, noyés dans le sol ou incorporés dans les plafonds ;
  • des installations dont les conditions d'utilisation sont réputées sévères (installations de chantier, installations agricoles, installations temporaires, alimentation des véhicules de loisirs...).

Les différents types de DDR

Dans les locaux d'habitation, la norme NF C 15-100 impose de protéger les circuits « plaques de cuisson » et « lave-linge » par un DDR 30 mA de type A. Même si la norme ne l'impose pas, il est cependant recommandé, pour les autres applications intégrant des convertisseurs d'électronique de puissance (pompe à chaleur...) que les DDR à haute sensibilité mis en œuvre soient :

  • de type A pour les applications monophasées ;
  • de type B ou équivalent pour les applications triphasées.

Lorsque les matériels de classe I installés en aval d'un DDR sont susceptibles de produire des courants de défaut à composante continue, le DDR doit être de type B si ces matériels sont alimentés en triphasé.

DDR type AC

Il protège contre les courants de défaut alternatifs sinusoïdaux. C'est le cas d'application le plus général.

DDR type A

Il protège contre les courants de défaut comportant une composante continue et aussi contre les courants de défaut alternatifs sinusoïdaux. C'est le cas particulier des défauts survenant sur les matériels de classe I comportant des redresseurs. Dans l'habitat, les DDR de type A sont principalement utilisés pour protéger les circuits alimentant le lave-linge et les plaques de cuisson.

DDR type B

Il protège contre les courants de défaut continus lisses, contre les courants de défaut comportant une composante continue, ainsi que contre les courants de défaut alternatifs sinusoïdaux.

Rénovation de logements existants

La mise en place d'un DDR à haute sensibilité (au plus 30 mA) permet d'apporter à moindre coût un niveau de sécurité acceptable en compensation de l'absence de continuité des circuits de mise à la terre.
Dans le cas d'une rénovation totale d'un appartement situé dans un immeuble dépourvu d'installation de mise à la terre et dans l'attente de la rénovation de celle-ci, les mesures compensatoires suivantes doivent être respectées :

  • réalisation d'une liaison équipotentielle locale dans la cuisine ;
  • protection de l'ensemble de l'installation par DDR de courant différentiel-résiduel assigné au plus égal à 30 mA.

En rénovation totale, lorsque les éléments chauffants sont conservés, ils doivent être protégés de la façon suivante : dans chaque local contenant une baignoire ou une douche, protection par DDR au plus égal à 30 mA quel que soit le type de câble chauffant ; pour les autres locaux, lorsque le câble possède une armature métallique reliée à la terre, un DDR au plus égal à 500 mA est admis et dans le cas contraire, la protection par DDR au plus égale à 30 mA s'impose.

 

DDR instantané ou retardé ?

Lorsque des DDR de type instantané sont installés en série, ils risquent de déclencher simultanément en cas d'apparition d'un courant de défaut à la terre. Ceci peut constituer une perturbation dans le fonctionnement de l'installation. Pour pallier cet inconvénient, il est nécessaire d'introduire une sélectivité entre DDR, grâce aux DDR retardés.

  • DDR instantané : il déclenche dès l'apparition d'un courant de défaut à la terre. Son temps maximal de déclenchement est de 40 ms pour un courant de défaut au moins égal à 5 fois sa sensibilité ;
  • DDR retardé : il ne déclenche pas instantanément. Il est caractérisé par un temps minimal de non-réponse ainsi qu'un temps de déclenchement maximal. Il n'existe pas en haute sensibilité (30 mA). Parmi les DDR retardés, les modèles dits de type "S" présentent la particularité d'un temps minimal de non-réponse de 40 ms et d'un temps maximal de déclenchement de 150 ms (pour un courant de défaut à la terre au moins égal à 5 fois leur sensibilité).

Contexte d'une sélectivité verticale :

Contexte d'une sélectivité horizontale :

Besoin d'une immunité renforcée ?

Parmi les DDR à déclenchement instantané, les DDR à immunité renforcée présentent l'avantage de limiter le risque de déclenchement indésirable dû aux perturbations électromagnétiques conduites par le réseau où générées par certaines charges (alimentation d'appareils électroniques...). Les DDR renforcés sont souvent de type A.
Dans l'habitat, c'est le cas des circuits alimentant les congélateurs. Les DDR type S présentent également un très haut niveau d'immunité contre les déclenchements indésirables, notamment en raison de leur temps minimal de non-réponse (40 ms). Ils peuvent être installés en amont des parafoudres. Les DDR 30 mA type Hi, Si ou Hpi, assurent également une haute immunité pour les appareils les plus critiques, tels qu'une alarme, un congélateur ou du matériel informatique.

Dans le cas d'appareils présentant des courants de fuite permanents, non compatibles avec l'utilisation de DDR, il y a lieu d'adopter pour ces charges un autre mode de protection. Par exemple avec une mise au neutre au secondaire d'un transformateur à enroulements séparés.

Coupe d'un DDR © Schneider Electric

Un DDR haute immunité, type Hi © Legrand

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