La mesure d’isolement
La mesure d’isolement (Riso) est l’examen non destructif de référence pour évaluer la résistance des isolants électriques et anticiper leur vieillissement. La qualité de ces isolements s’altère au fil des ans de par les contraintes auxquelles sont soumis les équipements. Cette altération induit une réduction de la résistivité électrique des isolants qui par là même crée une augmentation des courants de fuite qui conduisent à des incidents dont la gravité peut être conséquente en terme de sécurité des personnes et des biens mais également en coûts d’arrêt de production dans l’industrie.
Elle permet de détecter le vieillissement, donc la dégradation prématurée des caractéristiques d’isolement avant que celle-ci atteigne un niveau suffisant pour provoquer les incidents cités plus haut.
La mesure de la résistance d’isolement est non-destructive dans les conditions normales de test.
Réalisée en appliquant une tension continue d’amplitude inférieure à celle de l’essai diélectrique, elle fournit un résultat exprimé en kΩ , MΩ , GΩ voir TΩ .
Cette résistance exprime la qualité de l’isolement entre deux éléments conducteurs. Son caractère non destructif (car l’énergie est limitée) la rend particulièrement intéressante pour le suivi du vieillissement des isolants durant la période d’exploitation d’un équipement ou d’une installation électrique.
Cette mesure est réalisée au moyen d’un contrôleur d’isolement également appelé mégohmmètre.
Protocole de mesure d’isolement selon la norme NF C 15-100
La mesure d’isolement doit respecter un protocole rigoureux : coupure de l’alimentation, décharge des capacités et application d’une tension continue calibrée. Une mesure d’isolement fiable impose de choisir la tension d’essai en fonction de la tension nominale du réseau (250 V, 500 V ou 1000 V) afin d’éviter tout claquage prématuré. Le contrôleur doit stabiliser sa lecture après une minute d’application pour que la mesure d’isolement soit reproductible et comparable dans le temps. Toute mesure d’isolement doit s’inscrire dans le cadre réglementaire fixé par la norme NF C 15-100 éditée par l’AFNOR.
Causes de défaillance de l’isolement
Les contaminations de l’environnement : Le développement de moisissures et le dépôt de particules dans des environnements humides et chauds participent également à la détérioration des caractéristiques d’isolement des installations.
Les stress d’origine électrique : Principalement liés à des phénomènes de surtensions et sous-tensions.
Les stress d’origine mécanique : Les séquences de mise en marche et de mise à l’arrêt surtout lorsqu’elles sont fréquentes, les défauts d’équilibrage de machines tournantes et l’ensemble des chocs directs sur les câbles et plus généralement les installations.
Les stress d’origine chimique : La proximité de produits chimiques, d’huiles et de vapeurs corrosives et de façon générale la poussière affectent les performances d’isolement des matériaux.
Les stress liés aux variations de température : En combinaison avec les stress mécaniques provoqués par les séquences de marche et d’arrêt des équipements, des contraintes de dilatation ou contraction affectent les caractéristiques des matériaux isolants. Le fonctionnement aux températures extrêmes est également un facteur de vieillissement des matériaux.
Le courant total circulant dans le corps de l’isolant est la somme de trois composantes :
- Le courant de charge capacitive, correspondant à la charge de la capacité de l’isolement sous test. Ce courant est transitoire, relativement élevé au départ, il décroît exponentiellement vers une valeur proche de zéro une fois que le circuit sous test est chargé électriquement (de façon similaire à la charge d’une capacité). Au bout de quelques secondes voire quelques dizaines de secondes, ce courant devient négligeable par rapport au courant à mesurer.
- Le courant d’absorption, correspond à l’apport d’énergie nécessaire aux molécules de l’isolant pour se réorienter sous l’effet du champ électrique appliqué. Ce courant décroît beaucoup plus lentement que le courant de charge capacitive et nécessite plusieurs minutes pour atteindre une valeur proche de zéro.
- Le courant de fuite ou courant de conduction. Ce courant caractérise la qualité de l’isolement, il est stable dans le temps
Le courant total circulant dans l’isolant sous test est variable dans le temps impliquant une forte variation résultante de la valeur de résistance d’isolement le circuit étant alimenté à tension constante
Influence des conditions climatiques
Deux paramètres d’environnement interviennent considérablement dans la mesure des isolements :
- La température fait varier la valeur de la résistance d’isolement selon une loi quasi exponentielle. Dans le cadre d’un programme de maintenance d’un parc de moteurs, il est donc important d’effectuer les mesures périodiques dans des conditions similaires de température. Sinon, il convient de corriger les résultats trouvés pour les ramener à une température fixe de référence. A titre d’exemple, la norme IEEE 43 sur les machines tournantes donne comme approximation une division par 2 de l’isolement pour chaque augmentation de température de 10°C (et inversement). La courbe ci-dessus peut ainsi servir de base de correction.
- Le taux d’humidité influence l’isolement en fonction du niveau de contamination des surfaces isolantes. Il faut toujours veiller à ne pas effectuer de mesure si la température est inférieure à celle du point de rosée. Une surveillance de ces deux paramètres température et humidité lors des mesures d’isolement permet d’obtenir des résultats fiables et comparables, et donc une maintenance prédictive de bonne qualité, qui assure une durée d’exploitation maximale des matériels électriques.
Interpréter les résultats d’une mesure d’isolement (PI et DAR)
L’interprétation d’une mesure d’isolement repose sur des ratios normalisés plutôt que sur une valeur brute. L’indice de polarisation (PI), rapport entre la mesure d’isolement à 10 minutes et celle à 1 minute, révèle l’état de propreté et de sécheresse du diélectrique. Le ratio d’absorption diélectrique (DAR) affine cette lecture sur des équipements à faible constante de temps. Une mesure d’isolement présentant un PI inférieur à 2 traduit généralement une contamination surfacique ou un début de vieillissement à surveiller.
Méthodes de mesure et interprétation des résultats
Mesure ponctuelle ou court terme
Cette méthode est la plus simple, elle consiste à appliquer la tension de test pendant une durée courte (30 ou 60 secondes) et à relever la valeur de la résistance d’isolement obtenue à cet instant.
La valeur obtenue peut être également comparée aux seuils minimums à respecter indiqués dans les normes concernant les installations ou les matériels électriques.
L’interprétation de l’évolution des mesures périodiques permet, si les conditions de mesure restent identiques (même tension de test, même temps de mesure…), d’établir un bon diagnostic sur l’isolement de l’installation ou du matériel.
Méthodes de mesure basées sur l’influence du temps d’application de la tension d’essai
Ces méthodes consistent à relever des valeurs successives de résistance d’isolement à des instants spécifiés. Elles présentent l’avantage d’être peu influencées par la température, ce qui les rend applicables facilement sans correction nécessaire des résultats, sous réserve, bien entendu, que l’équipement en test ne subit pas de significatives variations de température durant le temps du test. Elles sont bien adaptées à la maintenance préventive des machines tournantes et à la surveillance de leurs isolants.
Index de polarisation (PI)
La recommandation IEEE 43-2000 « Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery » définit la valeur minimale de l’index de polarisation PI pour des machines tournantes AC et DC de classe de température B, F et H comme étant 2.0. De façon plus générale, un index PI supérieur à 4 est le signe d’un excellent isolement et un index inférieur à 2 indique un problème potentiel.
Il est important de noter que la méthode de mesure par relevé de l’index de polarisation est adaptée au contrôle de circuits isolants solides ; par conséquent elle n’est pas recommandée sur des équipements de type transformateurs à huile où elle donnerait des résultats faibles même en cas de bonnes conditions d’isolement.
L’isolement est excellent (isolant en bon état, propre et sec). Dans ce cas, le courant de fuite est très faible et la mesure est fortement influencée par les courants de charge capacitive et d’absorption diélectrique. Avec certains types d’isolants récents (epoxy-mica ou polyester-mica par exemple), la mesure peut se stabiliser au bout de 2 à 3 minutes environ.
- L’isolement est mauvais (isolant dégradé, sale et humide). Ici, le courant de fuite est très fort (et constant) et surclasse les courants de charge capacitive et d’absorption diélectrique. La mesure de la résistance d’isolement atteindra dans ce cas très rapidement un niveau constant et stable.
Rapport d’absorption diélectrique (DAR)
Pour des installations ou des équipements comportant des isolants où le courant d’absorption décroît rapidement, le relevé des résistances d’isolement à 30 secondes et 60 secondes peut suffire pour qualifier l’isolement.
Méthode basée sur la variation de tension d’essai (mesure par échelon)
La présence de contaminants (poussières, salissures) ou d’humidité en surface est bien révélée par les mesures liées au temps d’application (PI, DAR). En revanche, le vieillissement ou certains dommages mécaniques échappent parfois à ces essais menés sous faible tension.
Une augmentation significative de la tension d’essai provoque alors la rupture de ces points faibles, se traduisant par une baisse sensible de la valeur d’isolement. Pour être efficace, cette mesure d’isolement applique un échelon de rapport 5 pour 1, en une ou plusieurs étapes de durée équivalente (1 minute), tout en restant sous la tension diélectrique (2 Un + 1000 V).
Les résultats présentent deux atouts majeurs :
- Indépendance totale vis-à-vis de la nature des isolants et de la température.
- Lecture comparative : on mesure la diminution effective entre deux tensions, non la valeur intrinsèque.
Une réduction de 25 % ou plus entre le premier et le second palier signale une dégradation avérée de l’isolant.
Le test DD peut identifier des excès de courant de décharge qui arrivent lorsque l’une des couches d’un isolant multicouches est endommagée ou contaminée, défaut qui peut passer inaperçu dans les tests ponctuels ou les tests de type PI et DAR.
Un isolement homogène présentera une valeur DD égale à zéro, un isolement multicouches correct présentera une valeur de DD allant jusqu’à 2.
Le tableau suivant indique la sanction en fonction de la valeur de DD obtenue.
Attention cette méthode de mesure est dépendante de la température, il conviendra donc d’essayer d’effectuer le test à une température standard ou tout du moins de noter celle-ci avec le résultat de test.
Installations électriques
Les valeurs minimales présentées dans le tableau ci-dessous correspondent aux prescriptions de la norme NF C 15-100.
Aide-mémoire: les seuils d’isolement correspondent à 1KΩ par Volt de tension d’essai
Il est toutefois fortement recommandé de contacter le fabriquant du câble / équipement de façon à connaître sa propre recommandation en terme de tension d’essai à appliquer.
Si la valeur mesurée par rapport à la terre est inférieure à la résistance minimale imposée, on déconnectera alors les récepteurs de l’installation puis on vérifiera séparément les isolements de chaque conducteur par rapport à la terre. Pour des applications spécifiques, les seuils peuvent changer.
Ainsi, pour des câbles chauffants noyés dans les parois des bâtiments, les valeurs minimales selon la NF C 15-100 sont de 250 kΩ pour une tension nominale de 230 V et 400 kΩ pour une tension nominale de 400 V.
Avant la mise en service, récepteurs débranchés, entre chaque conducteur actif (conducteurs de phase et du neutre) pour vérifier qu’aucun d’entre eux n’a subi de dommage mécanique lors de l’installation.
Avant la mise en service, conducteurs actifs reliés entre eux, récepteurs branchés, pour vérifier l’isolement de tous les conducteurs par rapport à la terre. Si l’installation comporte des dispositifs électroniques sensibles, il convient de vérifier pendant les mesures que les conducteurs de phase et de neutre sont bien reliés. Ces mesures sont également effectuées périodiquement dans le cas d’installations tertiaires ou industrielles.
Il est possible d’effectuer des mesures sur des tronçons de moindre longueur. Dans ce cas, la valeur de l’isolement sera inversement proportionnelle à la distance.
Par exemple, pour un tronçon de 50 mètres, R isolement 50 m = 2 x R isolement 100 m
Mesure de l’isolement d’une machine tournante
On peut vérifier la qualité de l’isolement des enroulements par rapport à la terre ou des enroulements entre eux.
On pourra aussi vérifier l’isolement du moteur branché sur l’installation, par rapport à la terre.
Les tensions d’essais de 500 V et 1000 V sont bien sûr les plus courantes lors de tests de machines tournantes Basse Tension (<1000 V). Sur des machines tournantes fonctionnant au-delà de 1000 V (moyenne tension), les tensions d’essai d’isolement sont couramment de 2500 V ou 5000 VDC.
Mesures de forts isolements : intérêt du circuit de garde
Dans le cas de mesure d’isolements élevés (supérieur à 1 GW), les mesures peuvent être faussées par la circulation de courants de fuite qui cheminent à la surface des isolants au travers de l’humidité et des contaminants superficiels dont la résistance n’est plus très grande et donc négligeable devant la résistance de l’isolant que l’on souhaite caractériser. La borne de garde doit être connectée sur une surface susceptible d’être le siège de circulation de courants de surface, non caractéristique des isolants telles que la surface isolante d’un câble, d’un transformateur…
Mesure d’isolement sur chaine photovoltaïque
Exigences normatives en termes de Riso Les prescriptions suivantes s’appliquent pour la valeur Riso :
- Pour les panneaux photovoltaïques (DIN EN 61646 ; DIN IEC 61215) : Par m² de surface de panneau : Riso > 40 M Ω m² . Cela signifie qu’un panneau photovoltaïque d’une surface de 1 m² doit avoir une résistance d’isolement d’au moins 40 MΩ, contre seulement 20 MΩ minimum pour un panneau photovoltaïque d’une surface de 2 m².
- Pour les onduleurs sans séparation galvanique (sans transformateur) selon DIN VDE 0126-1-1 : L’onduleur surveille, en tant qu’élément central d’une installation photovoltaïque, la résistance d’isolement de l’ensemble de l’installation (tous les panneaux photovoltaïques, les câbles DC, l’installation et l’onduleur). Comme mentionné précédemment, ceci est particulièrement important pour les installations photovoltaïques non séparées galvaniquement du réseau, car un seul court-circuit peut entraîner des dégâts matériels et personnels. Étant donné que, pour ce type de dégâts, la puissance des courants est déterminante, la valeur Riso prescrite dépend de la tension d’entrée maximale de l’onduleur. La norme DIN VDE 0126-1-1 prescrit : Riso > 1 k Ω /V, mais au moins 500 k Ω . La norme DIN VDE 0126-1-1 ne contient aucune directive en ce qui concerne la résistance d’isolement des installations photovoltaïques isolées galvaniquement du réseau.
Riso pour plusieurs panneaux photovoltaïques:
Dans une installation photovoltaïque, toutes les résistances d’isolement de tous les panneaux photovoltaïques connectés à un onduleur, constituent un montage en parallèle par rapport à la terre et s’ajoutent réciproquement :
Pour des panneaux photovoltaïques identiques, cette équation est simplifiée :
La résistance totale de l’installation photovoltaïque par rapport à la terre diminue en fonction du nombre de panneaux photovoltaïques raccordés.
Conflits de normes : Pour les installations photovoltaïques typiques avec une tension de système de 700 V, la norme pour les panneaux photovoltaïques d’une surface d’environ 60 m² entre en conflit avec la norme pour les onduleurs (40 MΩm²/60 m² = 667 kΩ). Même en cas de parfait fonctionnement, la valeur Riso prescrite ne peut plus être atteinte dans certaines circonstances. Pour un rendement de panneau de 10 %, l’équivalent pour 60 m² est de 6 kW seulement ; pour un rendement de panneau de 5 %, il est de 3 kW seulement.
Nouvelle formule pour la valeur limite Riso
Les normes définies jusqu’alors ne tiennent pas compte de facteurs essentiels tels que le rendement des panneaux photovoltaïques ou la puissance de l’onduleur. C’est pourquoi des efforts sont déployés sur le plan national et international (CEI) pour harmoniser les directives relatives à l’isolement existantes dans les normes.
SMA Solar Technology AG, en collaboration avec l’association professionnelle allemande, a étudié une formule pour déterminer la résistance d’isolement différente de la norme DIN VDE 0126-1-1. La nouvelle valeur limite Riso est inversement proportionnelle à la puissance de l’onduleur et elle correspond à la valeur limite Riso de 40 M Ω m² pour un rendement de panneau de 5 %, exigée par les normes DIN EN 61646 et DIN CEI 61215 : Riso = 2000 k Ω * kW/PDC_onduleur Cette formule Riso dépendant de la puissance et différant de la norme DIN VDE 0126-1-1 a été acceptée par l’association professionnelle étant donné qu’elle remplit l’objectif de protection normatif fondamental.
Dans tous les cas, la valeur doit être d’au moins 200 k Ω car des résistances d’isolement inférieures pourraient être à l’origine de courants différentiels résiduels dangereux. Notamment avec des installations photovoltaïques de plus de 10 kW et en cas de problèmes d’isolement supplémentaires dans les câbles et les connecteurs, des pannes peuvent survenir occasionnellement avec la nouvelle réglementation également.
Application:
Cet exemple montre un défaut à la terre entre le deuxième et le troisième panneau photovoltaïque:
Contrôle par mesure de la résistance d’isolement
Mesure d’isolement sur un transformateur
Sécurité des essais
Avant le test :
- Le test doit être effectué sur une installation HORS TENSION et déconnectée afin de s’assurer que la tension d’essai ne sera pas appliquée à des équipements autres qui seraient raccordés électriquement au circuit à tester.
- S’assurer que le circuit est déchargé. La décharge peut être effectuée en court-circuitant et / ou en reliant à la terre les bornes de l’équipement pendant un temps suffisant (voir temps de décharge).
- Une protection particulière est à observer lorsque le dispositif à tester se trouve localisé dans un environnement inflammable ou explosif, des étincelles pouvant subvenir lors de la décharge de l’isolant (avant et après le test) mais également durant le test en cas d’isolement défaillant.
- Du fait de la présence de tensions continues pouvant être élevées, il est recommandé de réduire au maximum l’accès au personnel et de porter des équipements de protection individuelle notamment des gants de protection électrique.
- N’utiliser que les câbles de raccordement adaptés au test à réaliser et s’assurer de leur parfait état. Dans le meilleur des cas, des câbles inadaptés induiront des erreurs de mesures mais peuvent surtout être dangereux.
Après le test :
A l’issue du test, l’installation a accumulé une quantité d’énergie qu’il est très important de décharger avant toute autre intervention.
Une règle simple de sécurité consiste à laisser l’équipement se décharger pendant une durée CINQ fois égale au temps de charge (temps du dernier essai).
Cette décharge s’effectue en court-circuitant les pôles et / ou en les reliant à la terre.
Les mégohmmètres disposent de circuits internes qui assurent cette décharge de façon automatique et en toute sécurité.
Sécurité et périodicité de la mesure d’isolement en maintenance
Intégrer la mesure d’isolement dans un plan de maintenance préventive réduit fortement le risque de défaut à la terre et d’incendie d’origine électrique. La périodicité de la mesure d’isolement dépend de la criticité de l’installation : annuelle en milieu industriel sévère, biennale sur des réseaux stables. Avant toute mesure d’isolement, la consignation électrique et le port des EPI adaptés restent impératifs pour la sécurité de l’opérateur. Le suivi historisé des valeurs transforme une simple donnée en indicateur de tendance exploitable pour la GMAO.
Nos services associés
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