Disjoncteur et différentiel : cours sur l’appareillage de protection

Un apprenti qui câble son premier tableau pose souvent la même question : pourquoi deux sortes d'appareils qui se ressemblent ? Parce qu'une installation court deux dangers de nature différente. Le premier est l'échauffement : un câble qui transporte plus de courant qu'il n'en supporte chauffe, son isolant fond, et le feu prend dans une cloison. Le second est l'électrisation : un courant qui quitte le circuit pour traverser le corps d'une personne vers la terre. Le premier se compte en ampères, le second en milliampères : il faut deux appareils. Ce cours sur le disjoncteur et le différentiel suit le programme du CAP au BTS, exercices corrigés compris.

Surcharge et court-circuit : deux défauts, deux réponses

Une surcharge est un courant trop élevé dans un circuit sain. Un radiateur d'appoint, un sèche-cheveux et un fer à repasser sur le même circuit de prises : le courant dépasse 20 A pendant des minutes et le câble chauffe. Le danger est lent ; la protection peut l'être aussi.

Un court-circuit est une liaison franche entre deux conducteurs actifs : une phase qui touche le neutre dans une boîte écrasée, un clou planté dans un câble. Le courant n'est plus limité que par la résistance des conducteurs et du réseau ; il atteint des centaines, voire des milliers d'ampères. Il faut couper en quelques millisecondes, sinon les efforts électrodynamiques et l'arc détruisent le matériel.

Le disjoncteur protège contre ces deux défauts, commande le circuit et le sectionne. Son calibre In doit être au moins égal au courant d'emploi Ib, pour ne pas couper en service normal, et au plus égal au courant admissible Iz du câble, pour le protéger : Ib ≤ In ≤ Iz. C'est pourquoi un circuit de prises en 1,5 mm² reçoit un 16 A et un circuit en 2,5 mm² un 20 A : le calibre découle de la section, pas de l'appareil branché. Le cours sur les sections de câble et la chute de tension détaille le calcul de Iz. Le fusible assure la même protection par fusion d'un élément calibré : cartouche gG pour les câbles, aM pour les moteurs (associée alors à un relais thermique). Il est traité dans le cours sur le contacteur et le relais thermique.

Les déclencheurs thermique et magnétique

Le déclencheur thermique est un bilame : deux métaux soudés qui ne se dilatent pas de la même façon. Le courant le chauffe, il se courbe et finit par libérer le mécanisme. Plus le courant est fort, plus il agit vite : plusieurs minutes à 1,5 fois le calibre, quelques secondes à 4 fois. La norme des disjoncteurs domestiques, la NF EN 60898-1, fixe deux repères : à 1,13 × In, pas de déclenchement pendant le temps conventionnel fixé par la norme (une heure pour les calibres courants) ; à 1,45 × In, déclenchement avant la fin de ce temps. Un disjoncteur 20 A doit donc tenir à 1,13 × 20 = 22,6 A et couper à 1,45 × 20 = 29 A dans ce délai ; entre ces deux valeurs, la norme ne garantit ni l'un ni l'autre.

Le déclencheur magnétique est une bobine munie d'un noyau mobile. Tant que le courant reste modéré, le champ ne suffit pas à attirer le noyau. Au-delà d'un seuil, le noyau est aspiré d'un coup et frappe le mécanisme : la coupure se fait en quelques millisecondes. Ce seuil, exprimé en multiple du calibre, est ce que désigne la lettre de la courbe.

Les courbes B, C et D d'un disjoncteur

La courbe d'un disjoncteur donne son temps de coupure en fonction du courant, en multiple du calibre. La partie en pente douce correspond au thermique, la chute verticale au magnétique. Les courbes B, C et D partagent la même zone thermique ; seule la position de la chute change.

Entre 5 et 10 fois le calibre, un disjoncteur C peut couper ou non selon l'exemplaire : seule la borne haute du fuseau est garantie. D'où la méthode : pour être sûr qu'un court-circuit sera coupé instantanément, on le compare à la borne haute ; pour être sûr qu'un appel de courant ne fera pas déclencher, on le compare à la borne basse.

Cas de chantier : un compresseur protégé par un C16 déclenche une fois sur trois au démarrage, avec un appel d'environ 110 A. La borne basse de la courbe C vaut 5 × 16 = 80 A : l'appel entre dans le fuseau. En courbe D, la borne basse passe à 160 A : le démarrage passe. Le calibre ne change pas, puisque le câble est le même. On vérifie en contrepartie que le courant de court-circuit en bout de ligne dépasse 20 × 16 = 320 A ; sinon, on augmente la section. Le moteur garde sa propre protection thermique. Sur l'appareil, la courbe se lit devant le calibre : « C16 », « D16 ».

Le pouvoir de coupure

Le pouvoir de coupure est le plus grand courant de court-circuit qu'un disjoncteur sait interrompre sans être détruit. Il doit être au moins égal au courant de court-circuit présumé Icc au point où l'appareil est posé. Sinon, l'arc ne s'éteint pas, les contacts se soudent ou le boîtier éclate.

Sur un disjoncteur modulaire, il figure dans un petit rectangle : 3000, 4500, 6000 ou 10000 ampères. En logement, l'Icc reste limité par le branchement, et Legrand indique qu'un pouvoir de coupure de 3 kA couvre les besoins usuels d'une installation conforme. Près d'un transformateur industriel, l'Icc se compte en dizaines de kiloampères. Ne confondez pas avec le calibre : un disjoncteur 10 A peut avoir un pouvoir de coupure de 6 000 A.

Le différentiel 30 mA : principe et types AC, A, F, B

Le dispositif différentiel résiduel (DDR) mesure la différence entre le courant qui part par la phase et celui qui revient par le neutre. Les conducteurs actifs traversent un tore magnétique : dans un circuit sain, les courants s'équilibrent et le tore ne voit rien. Si une partie du courant s'échappe vers la terre, par une masse en défaut ou par une personne, l'équilibre est rompu et le tore commande le déclenchement.

La sensibilité IΔn est le courant de fuite pour lequel il doit couper. Le 30 mA, dit haute sensibilité, reste sous le seuil de fibrillation cardiaque. Un différentiel ne doit pas déclencher en dessous de IΔn/2 : un 30 mA peut donc couper dès 15 mA. Plusieurs petites fuites cumulées suffisent ainsi à faire sauter un ID sans défaut franc ; l'article pourquoi le différentiel saute et pas le disjoncteur donne la méthode de recherche.

L'interrupteur différentiel (ID) ne coupe que les défauts à la terre ; il ne protège pas contre les surintensités, d'où les disjoncteurs placés en dessous. Le disjoncteur différentiel réunit les deux fonctions et protège un seul circuit.

Le type indique la forme de fuite détectée. Un redresseur ou un variateur produit des fuites à composante continue qui peuvent « aveugler » un tore prévu pour l'alternatif pur.

Chaque type couvre ce que couvre le précédent : un type A peut remplacer un AC, jamais l'inverse. La recharge de véhicule électrique est à part : d'après le guide Legrand de la NF C 15-100, chaque point de recharge a son circuit dédié et son propre disjoncteur différentiel 30 mA, de type A ou F en monophasé ; en triphasé, un type B, ou un type A ou F associé à une détection des courants continus de 6 mA, souvent intégrée à la borne.

Répartir les interrupteurs différentiels en logement

La révision de la NF C 15-100 a été publiée le 23 août 2024 ; l'ancienne édition est restée utilisable pendant une année de recouvrement, jusqu'au 23 août 2025. Pour un logement, le guide Legrand en retient ces règles :

• au moins deux interrupteurs différentiels 30 mA, dont au minimum un de type A ;
• plaque de cuisson et lave-linge obligatoirement sous un différentiel de type A ou F ;
• éclairages et prises répartis sous au moins deux ID, pour qu'un défaut ne plonge pas tout le logement dans le noir ;
• 8 circuits au plus par interrupteur différentiel.

Le nombre d'ID découle du nombre de circuits : une maison de 18 circuits en demande au moins trois. L'article combien de disjoncteurs sous un interrupteur différentiel détaille les combinaisons.

Le calibre de l'ID (25, 40 ou 63 A) se vérifie par l'une de deux règles. Règle de l'amont : il est au moins égal au calibre du disjoncteur de branchement. Règle de l'aval : on additionne les calibres des disjoncteurs de chauffage et de chauffe-eau en entier, et la moitié de ceux des autres circuits. Pour un circuit de convecteurs de 20 A, un de prises de 16 A et un d'éclairage de 10 A : 20 + 0,5 × (16 + 10) = 33 A, un ID 40 A convient.

Le disjoncteur de branchement

En tête de l'installation, après le compteur, le disjoncteur de branchement (ou disjoncteur d'abonné ; la norme parle d'appareil général de commande et de protection, AGCP) est posé par le gestionnaire du réseau et réglé selon la puissance souscrite : en monophasé, 30 A pour 6 kVA, 45 A pour 9 kVA. Voir le réglage d'un disjoncteur de branchement pour 6 kVA.

Il limite la puissance appelée, assure le sectionnement et la coupure d'urgence de toute l'installation, protège le câble qui rejoint le tableau et, surtout, il est différentiel, le plus souvent de 500 mA et de type S (sélectif) : son déclenchement est volontairement retardé pour que l'ID 30 mA en aval coupe le premier. Sans ce retard, une fuite de 600 mA sur un lave-linge ferait sauter toute la maison.

En schéma TT, ce différentiel de tête fixe aussi la résistance maximale de la prise de terre : la tension de contact doit rester sous 50 V, soit R ≤ 50 V / 0,5 A = 100 Ω. Le cours sur la prise de terre et les régimes de neutre reprend ce calcul.

Pour les niveaux bac pro et BTS : sélectivité et réglages

En tertiaire et en industrie, les protections s'empilent sur plusieurs étages. La sélectivité coordonne ces étages pour que, sur un défaut, seul l'appareil immédiatement en amont s'ouvre. Elle est totale si elle est garantie jusqu'au courant de court-circuit maximal du point considéré, partielle sinon.

Entre disjoncteurs

La sélectivité ampèremétrique repose sur l'écart des seuils : si le seuil magnétique de l'amont reste supérieur au courant de court-circuit vu par l'aval, seul l'aval coupe. La sélectivité chronométrique retarde volontairement l'amont, à condition que l'installation supporte le défaut pendant ce retard. La sélectivité logique fait dialoguer les déclencheurs par un fil pilote. Dans tous les cas, la limite de sélectivité d'un couple d'appareils se lit dans les tables des fabricants.

Sur les disjoncteurs de puissance, un déclencheur électronique remplace souvent bilame et bobine. On y règle un seuil long retard Ir pour les surcharges (souvent de 0,4 à 1 × In selon les modèles), un seuil court retard temporisé et un seuil instantané Ii : ce sont ces réglages qui rendent la sélectivité chronométrique possible. Le technicien vérifie aussi le courant de court-circuit minimal en bout de ligne : s'il tombe sous la borne haute du seuil magnétique, le défaut n'est plus coupé instantanément, ce qui justifie une courbe B ou une section plus forte.

Entre différentiels

Le guide technique de la protection différentielle diffusé par Éduscol pose deux conditions cumulatives. Sensibilité : IΔn amont ≥ 2 × IΔn aval, puisque l'amont peut réagir dès la moitié de son seuil ; en pratique, avec les valeurs normalisées, le rapport est de 3 ou plus. Temps : l'amont est retardé d'au moins le temps de coupure de l'aval, grâce à un appareil de type S ou à un relais différentiel temporisé. En logement, le couple disjoncteur de branchement 500 mA S et ID 30 mA instantanés remplit ces deux conditions.

Les erreurs qui reviennent

La plus dangereuse : augmenter le calibre pour faire cesser un déclenchement. Un circuit en 1,5 mm² passé de 16 A à 20 A ne saute plus ; il chauffe sans protection. Le calibre se déduit du câble, jamais de la gêne.

Ensuite, confondre courbe et calibre : face à un moteur qui déclenche au démarrage, on passe en courbe D en gardant le calibre, puis on vérifie que l'Icc en bout de ligne dépasse la nouvelle borne haute.

En rénovation, on trouve souvent la plaque de cuisson ou le lave-linge sous un ID de type AC. Le bouton test répond, mais un défaut à composante continue peut passer inaperçu, et le tableau n'est pas conforme.

Autre oubli : un interrupteur différentiel ne protège pas contre les surcharges. Un ID 40 A qui alimente 70 A de chauffage peut surchauffer sans déclencher, d'où le calcul de calibre. Enfin, mettre tous les éclairages sous le même ID plonge la maison dans le noir au premier défaut : c'est ce que la règle de répartition interdit. Et le différentiel ne voit que les fuites vers la terre : un contact entre phase et neutre, sans passage par la terre, ne le fait pas déclencher.

Exercices corrigés

Les trois premiers exercices correspondent au niveau CAP, les suivants au bac pro. Cherchez avant d'ouvrir le corrigé.

Exercice 1. Un client demande pourquoi son tableau contient à la fois des disjoncteurs et des interrupteurs différentiels. Que lui répondez-vous ?

Exercice 2. Sur un disjoncteur, vous lisez « C20 » et, dans un rectangle, « 4500 ». Que signifient ces indications ? À partir de quel courant la coupure thermique est-elle garantie ?

Exercice 3. Un collègue veut placer 10 circuits, dont la plaque de cuisson, sous un seul interrupteur différentiel 30 mA de type AC. Relevez les deux non-conformités.

Exercice 4. Une rangée porte deux circuits de convecteurs de 20 A, un chauffe-eau de 20 A, un circuit de prises de 20 A et un circuit d'éclairage de 16 A. Déterminez le calibre de l'interrupteur différentiel par la règle de l'aval.

Exercice 5. Un moteur est protégé par un disjoncteur C20 ; son courant de démarrage vaut 150 A. Expliquez les déclenchements au démarrage et proposez une solution.

Exercice 6. Une maison en schéma TT possède un disjoncteur de branchement différentiel 500 mA. La prise de terre mesure 140 Ω. L'installation est-elle correcte ? Quelle sensibilité maximale faudrait-il en tête avec cette terre ?

Exercice 7. Dans un atelier, les départs sont protégés par des différentiels 30 mA instantanés. On veut un différentiel en tête d'armoire sans perdre la sélectivité. Quelles conditions doit-il remplir ? Un 100 mA instantané convient-il ?

Sources

• Legrand, NF C 15-100, révision du 23 août 2024 : points clés, protection des personnes, types de différentiel, calibre des ID.
• Schneider Electric, guide technique (juin 2001) diffusé par Éduscol STI, La protection différentielle dans les installations électriques basse tension, sélectivité différentielle et disjoncteur de branchement S.
• Promotelec, Disjoncteurs : quelles courbes de déclenchement choisir ?
• Hager, Disjoncteurs divisionnaires : courbes B, C, D et seuils thermiques 1,13 et 1,45 In selon la EN 60898-1.
• Legrand, Comment déterminer le pouvoir de coupure d'un disjoncteur ?

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