Protection par impédance pour moteurs : détection de défaut sensible au-delà du surcourant

La **protection par impédance (21G / 21M)** applique le **principe de relais de distance** à la protection moteur. Elle mesure l'**impédance complexe (Z = V/I)** aux bornes du moteur pour détecter les défauts *à l'intérieur* de la zone moteur, offrant une sensibilité supérieure pour les défauts à haute impédance (enroulement-terre, spire-à-spire) où les éléments basés sur le courant (50/51) échouent.

Principe de base

Impédance moteur Z_moteur = V_borne / I_borne.

• Fonctionnement sain : Z ≈ Constant (L_s + L_r' + R_s + R_r'/s). Locus sur diagramme R-X prévisible.
• Défaut interne : Z **chute dramatiquement** (court-circuit) ou **change d'angle** (asymétrie).
• Défaut externe / Charge : Z reste hors zone protégée (ou se déplace prévisiblement le long de la ligne de charge).

Pourquoi elle détecte ce que le surcourant manque

Type de défaut	Réponse Surcourant (50/51)	Réponse Impédance (21)
Défaut terre haute résistance (HRGF)	Courant < Seuil (ex: 10A sur moteur 1000A). **Manqué.**	Z entre dans Zone 1 (Rdéfaut + Xmoteur). **Détecté.**
Court-circuit spire-à-spire (Même phase)	Faible ΔI (quelques %). Modèle thermique lent. **Retardé/Manqué.	Angle Z change (R↓, X↓). **Détection rapide.**
Inter-spires stator	Souvent invisible au différentiel (87) si même TC.	Z séquence négative (Z₂) chute. **Détecté via élément Z₂.**
Perte d'excitation (Moteur synchrone)	Courant ↑ mais peut ne pas déclencher 51.	Z bascule dans quadrant capacitif. **Détecté.

Exigences d'implémentation

• Entrées Tension (TP/TT) : Obligatoire. 3 phases V + Neutre (pour Z₀).
• Entrées Courant (TC) : 3 phases (pour calcul Z₁, Z₂, Z₀).
• Relais : Relais protection moteur (SEL-710, GE M60, Siemens 7UM, ABB REM615, Schweitzer).
• Réglages : Zone 1 (Instantanée, 80-90% Z_moteur), Zone 2 (Temporisée, Secours Bus/Alimentation). Caractéristique Mho ou Quadrilatère.

Avantages

• Haute sensibilité : Détecte défauts à 1-5% de l'enroulement (près neutre) où 87/50 échouent.
• Sélectivité : Zone 1 = Moteur seul. Zone 2 = Secours Bus/Alimentation. Pas de délai coordination pour Zone 1.
• Rapidité : 1-2 cycles (Sous-cycle avec onde progressive). Plus rapide que Modèle Thermique (49).
• Immunité empiètement charge : Caractéristique quadrilatère exclut région impédance charge (R haut, X bas).

Limitations

• Précision TC/TP : Nécessite TCs et TP Classe 0,2/0,5S. Erreur ratio → Erreur Z.
• Empiètement charge (Forte charge) : Impédance charge FP bas peut entrer Zone 1 → Œillères/Logique empiètement charge nécessaire.
• Appel de démarrage : Z très bas au démarrage. **Bloquer Élément Impédance pendant Démarrage** (via contact 52a ou Contact vitesse / Fréquence).
• Coût : TP + Relais avancé > Relais simple 50/51/49/46.

Intégration moderne : Relais Protection Moteur (MPR)

L'impédance (21) est **un élément** dans une suite MPR complète :
**49 (Thermique) + 50/51 (Surcourant Phase/Neutre) + 46 (Seq Nég) + 50G/51G (Terre) + 21 (Impédance) + 87 (Diff - gros moteurs) + 66 (Démarrages/h) + RTD + Vibration.**

Verdict

**Essentiel pour :** Gros (>1000 CV / 750 kW), Moyenne Tension (2,3 kV+), Procédés critiques, Systèmes mise à terre haute impédance.
**Surdimensionné pour :** Petits Moteurs BT (<200 CV) sur Systèmes mis à terre solidement — Thermique + Surcourant + Terre suffisant.