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Titre de l'invention
Interface à courant de défaut à la terre.
Domaine technique auquel se rapporte l'invention
La présente invention relève du domaine des dispositifs de coupure permettant
d'assurer la protection des biens contre l'incendie et celle des personnes
contre les
contacts indirects en cas de défauts d'isolement électrique à la masse en
Basse
Tension.
L'invention concerne une Interface à courant de défaut à la terre; de ce fait,
elle
permettra d'assurer, en cas de défaut d'isolement à la masse, la protection
des
1.0 biens contre l'incendie et celle des personnes contre les contacts
indirects
conformément aux courbes conventionnelles de sécurité quelle que soit la
valeur de
la résistance de la terre des masses et quels que soient le milieu (sec,
humide,
immergé) et les conditions de la peau.
Ainsi, la prise de terre des masses ne représentera plus, nécessairement, un
maillon
de la chaîne protectrice, mais un moyen de confort vu que l'augmentation de
son
impédance aura pour conséquence l'augmentation de la sensibilité du dispositif
différentiel, la sécurité des personnes et des biens restant assurées dans ce
cas là.
L'invention permet d'assurer également la protection des personnes contre les
contacts directs se produisant entre un conducteur actif et le sol ou tout
conducteur
étranger non reliés aux masses des équipements normalement mises à la terre
selon
les exigences de mise en uvre de l'invention.
Etat de la technique antérieure
I/ Dispositions normatives de protection
Au niveau international, dans la distribution électrique Basse Tension, trois
schémas
de liaison à la terre (SLT) sont normalisés :
- TN : Mise au neutre avec trois versions (TN-C ; TN-S ; TN-C-S) ;
- TT : Neutre à la terre ;
- IT : Neutre isolé.
Dans la norme CEI 60364-4-41 de décembre 2005 (en vigueur), le comité d'études
64 de la Commission Electrotechnique Internationale formule trois exigences
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fondamentales communes aux trois SLT pour la protection des personnes en cas
de
défaut d'isolement à la masse.
Ces exigences sont les suivantes :
1- Mise à la terre et liaison équipotentielle de protection ;
2- Coupure automatique de l'alimentation en cas de défaut (d'isolement) dans
un
temps compatible avec les courbes conventionnelles de sécurité ;
3- Mise en oeuvre d'une protection complémentaire dans certaines conditions
d'influences externes et pour certains emplacements (norme CEI 60364-7
Exigences pour les installations ou emplacements spéciaux ).
in Le choix des dispositifs de coupure de l'alimentation en cas de défaut
d'isolement à
la masse est effectué en fonction du schéma de liaison à la terre considéré.
III La protection différentielle et ses limites
Si l'efficacité des dispositifs différentiels pour la protection contre les
risques,
d'incendie est indéniable, leur mise en oeuvre pour la protection des
personnes
contre les chocs électriques en cas de défaut a prouvé ses limites.
En effet, dans un système de protection, la fonction différentielle n'est
qu'un maillon
de "la chaîne protectrice". En cas de défaut d'isolement, en schémas TT et IT,
entre
une phase et une masse mise à la terre, le dispositif différentiel n'assure la
sécurité
des personnes contre les contacts indirects que si la condition de protection
suivante
est satisfaite : RA X la 5 50 Volts ; Où: RA est la somme des résistances de
la
prise de terre et des conducteurs de mise à la terre des masses et I. est le
courant
assurant la coupure automatique du dispositif différentiel de protection dans
un
temps compatible avec les courbes conventionnelles de sécurité.
Dans cette exigence normative de la partie 4-41 de la norme CEI 60364, il y a
lieu de
noter que:
- Cette condition ne s'applique pas dans les immeubles collectifs où, malgré
le
respect de RA, des courants de défaut, inférieurs à la, se produisant
simultanément
au niveau de deux ou plusieurs logements peuvent, en s'additionnant, créer une
tension de contact dangereuse au niveau de toutes les masses de l'immeuble du
fait
de la liaison équipotentielle de ces dernières;
- La condition UL 5 50 V n'est valable qu'en milieux secs ;
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- La résistance de la prise de terre des masses doit être appropriée et se
maintenir
dans le temps ;
- La continuité des conducteurs de mise à la terre des masses doit être
assurée.
Ces contraintes, ont amené le comité d'études 64 de la Commission
Electrotechnique Internationale à admettre l'usage de dispositifs à courant
différentiel-résiduel (DDR), dont la valeur du courant nominal de
fonctionnement est
inférieure ou égale à 30 milliampères, comme mesure de protection
complémentaire contre les contacts indirects dans certaines situations citées
notamment dans la partie 7 de la norme CEI 60364.
1.0 Actuellement, dans la plupart des pays européens, cette mesure de
protection est
étendue à tous les circuits de l'alimentation, quel que soit le schéma de
liaison à la
terre.
Le comité d'études 64 de la CEI ne reconnaît, cependant, pas l'utilisation de
tels
dispositifs comme constituant en soi une mesure de protection complète et
recommande la conformité des installations aux exigences normatives
fondamentales communes aux trois SLT pour la protection en cas de défaut
d'isolement à la masse, notamment celles relatives à la mise à la terre, à la
liaison
équipotentielle de protection et à la coupure de l'alimentation.
Pour bien positionner le problème de la protection des personnes contre les
chocs
électriques en cas de défaut d'isolement à la masse, il y a lieu de trouver
réponses à
deux questions :
1. Pourquoi le comité d'études 64 de la CEI juge t-il la protection
complémentaire (par DDR haute sensibilité) insuffisante en soi et pourquoi
exiqe-t-il de lui associer une prise de terre des masses et une liaison
équipotentielle de protection avec dispositif de coupure sur défaut ?
Telle que spécifiée dans l'article 314-1 de la norme CEI 60364-1 de novembre
2005
(en vigueur), la mesure de protection complémentaire impose la division des
installations pour réduire la possibilité de déclenchements indésirables des
dispositifs
différentiels haute sensibilité dus à des courants de fuite excessifs (et non
à des
courants de défauts) dans le conducteur de protection PE.
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En cas d'inadéquation de la prise de terre des masses, de son absence ou de
rupture du conducteur de protection, ces courants de fuite excessifs peuvent
présenter un risque d'électrisation, voire d'électrocution pour toute personne
en
contact avec une masse et le sol ou avec une masse et un conducteur étranger
non
isolé de la terre.
De plus, dans les logements en immeuble collectif, il y a lieu de considérer
que le
danger est plus accentué du fait, qu'en plus du risque généré par les courants
de
fuite de leurs propres installations, des personnes peuvent ainsi être
électrisées,
voire électrocutées, par des courants de fuite qui ne proviennent même pas de
leurs
io alimentations et, ce, du fait de l'équipotentialité des masses des
logements de
l'immeuble.
Cette situation peut se produire aussi bien en schémas TT et TN qu'en schéma
IT
(dans le cas où deux défauts se produisent au niveau de deux masses reliées à
deux prises de terre distinctes).
Dans ce contexte, l'attention est attirée sur ce risque dans l'article
531.2.1.5 de la
norme CEI 60364-5-53 où il est mentionné que: L'utilisation de DDR ayant un
courant différentiel résiduel inférieur ou égal à 30 mA dans des installations
dépourvues de conducteur de protection ne doit pas être considérée comme une
mesure de protection suffisante contre les contacts indirects .
Nous pouvons donc confirmer que cette mesure de protection n'est pas
suffisante en
soi et que la première exigence fondamentale de mise à la terre et de liaison
équipotentielle de protection avec dispositif de coupure sur défaut édictée
par la
norme CEI 60364-4-41 est impérative pour la protection des personnes contre
les
contacts indirects.
2. La mise en oeuvre des mesures de protection normatives actuelles dans les
logements en immeuble collectif garantit-elle toujours la protection des
personnes en cas de défaut d'isolement à la masse ?
En cas de dysfonctionnement de la protection d'un voisinage en présence d'un
défaut d'isolement, les masses de tout l'immeuble peuvent être portées à un
potentiel dangereux du fait de leur interconnexion.
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Dans ce cas de figure, la liaison équipotentielle supplémentaire (L.E.S)
participe
aussi à propager ce potentiel en cas d'un sol conducteur.
Ainsi, les mesures de protection normatives actuelles n'offrant aucune parade
contre une telle situation, il y a lieu de considérer que des personnes
peuvent être
5 électrisées, voire électrocutées, par un courant qui ne provient même pas de
leurs
alimentations.
III/ Contraintes générées par la division des installations dans l'usage des
dispositifs
à courant différentiel-résiduel haute sensibilité (inférieure ou égale à 30
milliampères)
lo Si la division des installations s'est imposée pour réduire la
possibilité de
déclenchements indésirables des DDR haute sensibilité dus à des courants de
fuite
excessifs dans le conducteur de protection [PEI, elle n'a pas été sans
engendrer de
nouvelles contraintes dont nous citerons :
- La nécessité d'utiliser plusieurs DDR haute sensibilité, ce qui impose
généralement de nouvelles installations électriques dans l'habitat existant ;
- Les déclenchements indésirables dus aux défauts inférieurs ou égaux à 30
milliampères s'écoulant à la terre à travers le conducteur de protection et ne
présentant, par conséquent, aucun risque pour les personnes et les biens:
- La sélectivité horizontale généralement utilisée peut être prise en
défaut par le
phénomène de déclenchement par sympathie . Cette situation s'observe
généralement lors de l'ouverture d'une protection d'un départ parallèle qui
crée un
phénomène de surtension. Cette surtension transitoire peut entraîner
l'ouverture d'un départ sain comportant des capacités de filtrages reliées à
la terre
des masses par l'intermédiaire du PE. L'utilisation de DDR à immunité
renforcée
est nécessaire dans ce cas là.
But de l'invention
L'invention a pour but d'améliorer la protection des personnes et des biens
contre
les défauts d'isolement à la masse en Basse Tension.
L'invention consiste en une interface électromagnétique intégrable dans les
dispositifs différentiels haute sensibilité qui a pour objet:
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1/- d'assurer la protection incendie en coupant l'alimentation électrique dès
qu'un courant de défaut inférieur ou égal à 300 milliampères (selon les
exigences normatives) revient à la source d'alimentation à travers le
conducteur de protection relié à la terre des masses ; dans ce qui suit, ce
courant
sera désigné par IpE=
2/- d'assurer la protection des personnes en coupant l'alimentation électrique
dès
qu'un courant inférieur ou égal à 10 ou 30 milliampères (selon la protection
envisagée) revient à la source d'alimentation autrement que par le conducteur
de protection [PE] ou par un conducteur actif de l'alimentation desservant
1"installation considérée. Ce courant est, par conséquent, considéré comme
susceptible de traverser une personne ; dans ce qui suit, il sera désigné par
In.
3/- de couper l'alimentation électrique dès l'apparition d'un courant résiduel
de
défaut composé Id tel que: 'PE + kx In .Avec : Id 300 milliampères ;
'PE 5 300 milliampères ; lh5 30 milliampères si k =10; lh 10 milliampères si
k=30.
4/- d'assurer la protection des personnes dans les logements en immeuble
collectif en cas de dysfonctionnement de la protection d'un voisinage en
présence
d'un défaut d'isolement dangereux.
Ce défaut d'isolement peut, en effet, créer une tension dangereuse entre
toutes
les masses de l'immeuble (du fait de leur interconnexion) et le sol ou tout
élément conducteur étranger à l'installation.
Dans ce cas de figure, la protection est assurée par l'adjonction d'un pôle
dans
le dispositif de coupure et de protection. Ce pôle servira à isoler les masses
du
conducteur principal de protection par suite du déclenchement du dispositif de
coupure et de protection.
Ce déclenchement est provoqué par tout courant inférieur ou égal à 10 ou (30)
milliampères (selon la protection envisagée) susceptible de traverser une
personne en contact avec une masse et le sol ou tout élément conducteur
permettant au courant de revenir à la source d'alimentation.
Cette protection exige que les éléments conducteurs accessibles (autres que
les
masses) du logement protégé soient isolés de ceux des autres logements.
Cette isolation est réalisée de fait, notamment, par l'usage progressif des
conduites
en plastique (polyéthylène) dans les circuits d'eau et l'emploi de raccords
isolants
diélectriques pour les conduites de gaz.
7
5/- de transformer la prise de terre des masses en un maillon de la chaine de
confort au lieu de maillon de la chaine de protection du fait que la
protection des
personnes contre les contacts indirects est assurée quelle que soit la
résistance
ohmique de la terre des masses et indépendamment du milieu (sec, humide,
immergé)
.. et des conditions de la peau.
6/- d'offrir un moyen de protection sûr et pérenne du fait sa conception
purement électromagnétique.
Selon un mode de réalisation, une interface à courant de défaut à la terre
disposée
entre les masses et la terre des masses par l'intermédiaire des conducteurs de
protection est fournie. L'interface est configurée pour commander l'ouverture
des
contacts de puissance d'un dispositif différentiel haute sensibilité par
l'intermédiaire
d'un relais de déclenchement alimenté par un enroulement secondaire pour tout
courant résiduel de défaut /d inférieur ou égal à 300 milliampères si la
protection
incendie est détectée et pouvant être supérieur à 300 milliampères si la
protection
incendie n'est pas détectée et tel que Id 'PE kx Ih avec Id = IpEmax Si lh =
0 et
Id = k x Ihmax si 'PE = 0, IpE représentant le courant de défaut revenant à la
source
d'alimentation à travers les conducteurs de protection dont la valeur doit
être
inférieure ou égale à 300 milliampères si la protection incendie est détectée
et peut
être supérieure à 300 milliampères si la protection incendie n'est pas
détectée, Ih
représentant tout courant de défaut revenant à la source d'alimentation
autrement
que par les conducteurs de protection ou par un conducteur actif de
l'alimentation
dont la valeur doit être inférieure ou égale à 30 milliampères selon le
courant de
protection des personnes détectée et k représentant un coefficient tel que k =
I pEmax I hmax.
Brève description des figures
La figure 1 représente le mode de connexion du système de coupure obtenu par
intégration de l'interface à courant de défaut à la terre (10) dans un
dispositif
différentiel haute sensibilité.
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7a
Note : L'interface à courant de défaut à la terre s'intègre aussi bien dans
les dispositifs
différentiels bipolaires utilisés dans les installations monophasées que dans
ceux
multipolaires utilisés dans les installations polyphasées.
La figure 2 représente la première variante de ladite interface consistant en
un
enroulement de désensibilisation (11) dont le nombre de spires est différent
de ceux
des enroulements primaires (4) de la phase et (5) du neutre du dispositif
différentiel
haute sensibilité.
La figure 3 représente la deuxième variante de ladite l'interface consistant
en un
enroulement de désensibilisation composé de deux bobines (12) et (13)
réalisées en
fils conducteurs de sections différentes dont les polarités magnétiques sont
inversées
(sens de bobinage opposés) et dont le nombre de spires de chacune est égal à
celui
de l'enroulement primaire (4) de la phase ou à celui (5) du neutre du
dispositif
différentiel haute sensibilité. Les champs électromagnétiques de ces deux
bobines se
soustraient.
La figure 4 représente la troisième variante de l'interface (10) consistant en
un
enroulement de désensibilisation (14) identique à l'enroulement primaire (4)
de la
phase et à celui (5) du neutre du dispositif différentiel haute sensibilité
mais dont il
se différencie par le shunt d'une partie de ses spires.
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La figure 5 représente la courbe de réponse du système de coupure obtenu par
intégration de ladite interface dans un dispositif différentiel haute
sensibilité 30 mA.
Présentation de l'essence de l'invention
De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui
suit : En
référence à la figure 1, le dispositif différentiel haute sensibilité se
compose,
initialement, des contacts de puissance (1) et (2) se connectant aux
enroulements
primaires (4) et (5), du tore magnétique (3), des enroulements primaires (4)
et (5) et
de leurs sorties (6) et (7) ainsi que de l'enroulement secondaire (8) et du
relais de
déclenchement (9) .
Avec l'intégration de l'interface, laquelle consiste en un enroulement de
désensibilisation (10), le dispositif différentiel haute sensibilité se
transforme en un
appareil de protection dont les caractéristiques de fonctionnement sont
représentées
sur la figure 5.
Ainsi, si en référence à la figure 1 et à la figure 5, on considère que Id
représente le
is courant différentiel résiduel (en milliampères) composé par la somme
algébrique des
courants lh (mA) et IpE (mA) où :
- (mA) représente le courant généré par un défaut d'isolement et
revenant
à la source d'alimentation à travers l'enroulement de désensibilisation ;
- lh (mA) représente le courant susceptible de traverser une personne dans les
conditions de défaut décrites en 1- et 3- ci-dessous ; l'appareil de
protection permet :
1- d'assurer la protection des personnes en utilisant les propriétés initiales
du
dispositif différentiel haute sensibilité.
Le dispositif assure, ainsi, la protection des personnes en coupant
l'alimentation en
présence de tout courant lh inférieur ou égal à 10 (ou 30) milliampères (selon
la protection envisagée) provenant de l'une des sorties (6) ou (7) des
enroulements primaires et revenant à la source d'alimentation autrement que
par
le conducteur de protection (16) ou par
l'une des sorties (6) et (7) des
enroulements primaires. Ce courant est, par conséquent, considéré comme
susceptible de traverser une personne.
La protection des personnes est ainsi assurée:
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- contre les contacts indirects quelle que soit la valeur de la résistance de
la terre
des masses et quels que soient le milieu (sec, humide, immergé) et les
conditions de
la peau.
- contre les contacts directs se produisant entre tout conducteur actif et
toute
masse ou tout conducteur étranger à l'installation permettant le retour du
courant de
défaut à la source d'alimentation autrement que par le conducteur de
protection
(16) ou par l'une des sorties (6) et (7) des enroulements primaires.
2- d'assurer la protection incendie en coupant l'alimentation en présence de
tout
courant IpE inférieur ou égal à 300 milliampères (selon les exigences
normatives)
1.0 généré par un défaut d'isolement à la masse (18) et revenant à la source
d'alimentation à travers ledit enroulement de désensibilisation (10) qui est
reliée à
la masse (18) par le conducteur de protection (15) d'une part, et, à la prise
de terre
des masses (17) par le conducteur de protection (16) d'autre part. La
protection
incendie est ainsi assurée.
3- D'assurer la protection des personnes et celle des biens en transformant la
prise
de terre des masses en un maillon de la chaine de confort au lieu de maillon
de la
chaine de protection.
En effet, conformément aux caractéristiques de fonctionnement de la figure 5,
et
indépendamment des conditions d'établissement d'un défaut d'isolement,
l'interface
permet à l'appareil de protection d'assurer la sécurité des personnes et des
biens en
coupant l'alimentation en présence de tout courant résiduel composé tel que:
IpE + kx th (1) ; Avec : - Id 300 milliampères ; 'PE 300 milliampères ;
in 30 milliampères si k = 10; lh 10 milliampères si k = 30
Ainsi, si, dans la formule (1) (représentant la courbe ld), le courant th
(susceptible de
traverser une personne) prédomine (ce qui se traduit par le déclenchement de
l'appareil de protection en haute sensibilité); cela est du:
a- soit au contact d'une personne avec une masse en défaut dans des conditions
de peau sèche, en milieu sec mais en présence d'une valeur élevée de la prise
de
terre des masses, de son absence ou de la rupture du conducteur de protection
;
b- soit au contact d'une personne avec une masse en défaut dans des conditions
d'humidité ou d'immersion en présence d'une valeur normale de la prise de
terre des
masses ;
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c- soit au contact d'une personne avec conducteur actif et toute masse ou
tout conducteur étranger à l'installation permettant le retour du courant de
défaut à
la source d'alimentation autrement que par le conducteur de protection (16) ou
par
l'une des sorties (6) ou (7) des enroulements primaires.
5 d- soit au contact d'une personne avec une masse en cas de
dysfonctionnement de
la protection d'un voisinage en présence d'un défaut d'isolement dangereux
(cas des
logements en immeuble collectif).Ce cas est développé dans la partie but de
l'invention .
Ainsi, avec la mise en oeuvre de l'interface, la défaillance de prise de terre
des
Io masses ou la rupture du conducteur de protection n'a d'influence que sur
la chaine
de confort, la protection des personnes et celle des biens restant assurées
dans ces
cas de figure.
En référence à la figure 5, la zone de fonctionnement ou non des
dispositifs
différentiels usuels est considérée comme zone de non fonctionnement ..
Ainsi, en référence à la figure 5, il y a lieu de noter que:
- la zone (19) est celle du non fonctionnement de l'appareil de protection ;
- la courbe (20) représente la fonction affine:
'PE= 300 10>< lh ; (ln variant de 0 à 30 mA) ;
- la zone (21) est celle de fonctionnement ou non de l'appareil de protection
;
- la courbe Id représente le courant différentiel de fonctionnement assigné de
l'appareil de protection.
Mode de réalisation de l'Invention
En référence à la figure 1, l'interface consiste en un enroulement de
désensibilisation
(10). Ledit enroulement de désensibilisation peut être réalisé selon, au
moins, trois
variantes représentées en figures 2, 3 et 4.
- Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, et correspondant à la
première variante, l'interface consiste en un enroulement de désensibilisation
(11).
Cette variante permet de désensibiliser le dispositif différentiel haute
sensibilité pour
tout courant de défaut revenant à la source d'alimentation à
travers le
conducteur de protection (16) relié à la prise de terre des masses (17).
Cette désensibilisation se fait dans une proportion P telle que:
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P -= N2 N1 si N2<\1 P = NI N2 si NI < N2
Où:
- Ni est le nombre de spires de l'enroulement primaire de la phase ou du
neutre du dispositif différentiel haute sensibilité;
- N2 est le nombre de spires de l'enroulement de désensibilisation.
.. Si, par exemple, l'interface est intégrée dans un dispositif différentiel
dont la
sensibilité est 30 milliampères, la protection incendie (IpE 5 300
milliampères), est
assurée pour : 30 mil
300/nA x (1 - 13) soit P = 0,9; la désensibilisation se
faisant à 90 %, il faut donc que : N2 = 0.9 x N1 ou que Ni = 0,9 x N2
Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, et correspondant à la
deuxième
io variante, l'interface consiste en un enroulement de désensibilisation
composé de
deux bobines (12) et (13), réalisées en fils conducteurs de sections
différentes, dont
les polarités magnétiques sont inversées (sens de bobinage opposés) et dont le
nombre de spires de chacune est égal à celui de l'enroulement primaire de la
phase
(4) ou à celui du neutre (5) du dispositif différentiel haute sensibilité.
Cette variante permet de désensibiliser le dispositif différentiel haute
sensibilité pour
tout courant de défaut revenant à la source d'alimentation à
travers le
conducteur de protection (16) relié à la prise de terre des masses (17).
Cette désensibilisation se fait dans une proportion P telle que:
p (si s2).+ .. + S2) où Si > S2. ; où
- Si est la section du fil conducteur de la bobine de désensibilisation dont
la
polarité magnétique est de même sens que celle de l'enroulement primaire de la
phase ou de celui du neutre du dispositif différentiel haute sensibilité;
-S2 est la section du fil conducteur de la bobine de désensibilisation de
polarité
magnétique opposée à celle de l'enroulement primaire de la phase ou de celui
du
neutre du dispositif différentiel haute sensibilité;
Si, par exemple, l'interface est intégrée dans un
dispositif différentiel dont la
sensibilité est de 30 milliampères, la protection incendie
(IpE 5 300
milliampères), est assurée pour : 30 inA = 300 itnA x P) soit P = 0,9
La désensibilisation se faisant à 90 %, il faut donc que:
- S2 = 0,9 x SI - S2 ce qui donne : Si = 19 x
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Dans le mode de réalisation représenté à la figure 4, et correspondant à la
troisième
variante, l'interface consiste en un enroulement de désensibilisation (14)
identique
à ceux de la phase et du neutre du dispositif différentiel haute sensibilité,
mais dont
une partie des spires est shuntée.
Cette variante permet de désensibiliser le dispositif différentiel haute
sensibilité pour
tout courant de défaut revenant à la source d'alimentation à travers
le
conducteur de protection (16) relié à la prise de terre des masses (17).
Cette désensibilisation se fait dans une proportion P telle que:
P = [N2 x (1 ¨ 2)1 N2
Où : - N2 est le nombre de spires de l'enroulement de désensibilisation ;
- z est le coefficient qui dépend de la quantité de spires shuntées et des
spécificités du shunt.
Si l'interface est intégrée dans un dispositif différentiel dont la
sensibilité est 30
milliampères, la protection incendie (IpE 5. 300 milliampères), est assurée
pour :
30 mA = 300mA x (1 ¨ P) soit P 0,9
La désensibilisation se faisant à 90 %, il faut donc que:
N2, 1 z =09 x N2 ou que z = 0,1
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