Le relais de protection : types et usage dans les installations résidentielles

Qu’est-ce qu’un relais — le principe de base

Un relais électrique est un commutateur commandé électromagnétiquement : un faible courant (courant de commande) excite une bobine qui génère un champ magnétique, lequel déplace à son tour une armature métallique qui ouvre ou ferme les contacts d’un circuit de puissance (fort courant).

La valeur fondamentale du relais est l’isolation galvanique entre le circuit de commande et celui de puissance — un capteur à 12V DC peut commuter un circuit 230V AC sans aucune liaison électrique directe.

Les relais modernes sont de nombreux types : électromécaniques (bobine + armature physique), statiques (à semi-conducteurs) et numériques/digitaux (à microprocesseur). En résidentiel, les plus fréquents sont les électromécaniques et les statiques à comparateur.

1. Le relais de tension (relais UV/OV)

Le relais de tension surveille la tension du réseau et déconnecte la charge lorsque la tension sort d’une plage configurable (en général ±10% par rapport à la valeur nominale de 230V, soit 207–253V selon l’EN 50160).

Contre quoi il protège concrètement :

• Sous-tension (brownout) — les moteurs électriques (pompes, compresseurs de clim) surchauffent lorsqu’ils fonctionnent à tension réduite : le courant croît en 1/U, et la chaleur en I²
• Surtension — les équipements électroniques et les LED sont sensibles ; une surtension de 10% peut réduire drastiquement la durée de vie ou détruire les équipements
• Retour de tension après une coupure — le relais à temporisation (typiquement 3–15 secondes) protège les compresseurs de clim d’un redémarrage prématuré avant que la pression ne se soit équilibrée

2. Le relais de contrôle de phases (triphasé)

Pour les installations triphasées résidentielles (pompes, grandes centrales de climatisation, ateliers), le relais de contrôle de phases vérifie simultanément les trois phases et déclenche à toute anomalie susceptible d’endommager les moteurs.

Les pannes les plus fréquentes qu’il prévient :

• Perte de phase (phase loss) — le scénario le plus dangereux : le moteur triphasé tente de tourner sur 2 phases, le courant monte à 1,7–2× la normale, le bobinage brûle en quelques minutes
• Ordre incorrect (inversion de phases) — les moteurs à sens imposé (pompes, ascenseurs, ventilateurs centrifuges) peuvent se casser mécaniquement ou inonder s’ils tournent à l’envers
• Asymétrie de tensions — un déséquilibre de 3–5% des tensions engendre un déséquilibre de 15–25% des courants (en raison de la faible impédance du moteur), ce qui surchauffe le bobinage

3. Le relais thermique (surcharge moteur)

Le relais thermique est dédié à la protection des moteurs électriques contre les surcharges prolongées. Contrairement au MCB, le relais thermique est réglable (potentiomètre) et possède une caractéristique temps-courant plus proche de la thermique du moteur protégé.

Il fonctionne selon le même principe que le bilame du MCB, mais dimensionné pour de forts courants et avec un réglage fin. En résidentiel, il apparaît sur :

• Pompes de piscine ou d’irrigation (moteurs 0,5–2,2 kW)
• Moteurs de portails automatiques et automatismes de garage
• Ventilateurs industriels dans les ateliers ou les serres
• Compresseurs d’air à usage domestique

Relais vs. MCB — la différence essentielle

Le MCB protège les conducteurs et le circuit — il déclenche lorsque le courant dépasse la capacité thermique du câble. Le relais de protection protège l’équipement connecté — il déclenche lorsque les paramètres de fonctionnement de l’équipement (tension, équilibre des phases, température) sortent de la plage normale de fonctionnement.

Un moteur peut tourner pendant des années avec un courant sous la limite du MCB, mais avec une tension légèrement déséquilibrée — et il brûlera progressivement sans que le MCB ne perçoive le moindre problème. Le relais de protection, lui, le perçoit.

Le relais numérique/digital

Les relais de protection modernes sont en réalité de petits microprocesseurs qui mesurent en temps réel les paramètres électriques et appliquent des algorithmes configurables. Par rapport aux électromécaniques :

• Seuils configurables numériquement (pas de potentiomètre)
• Mémorisent les N derniers déclenchements avec horodatage et cause
• Communication RS485/Modbus avec les systèmes d’automatisation et de domotique
• Fonctions multiples dans le même boîtier (tension + phases + fréquence + puissance)

Le relais multifonction — un seul module, toutes les protections

En résidentiel, la forme dominante aujourd’hui n’est plus le relais à fonction unique, mais le relais de protection et de surveillance multifonction (Fig. 0 et Fig. 4) : un module de 1–2 unités DIN qui intègre dans le même boîtier toutes les fonctions décrites ci-dessus.

But et rôle dans l’installation : il surveille en continu la tension, le courant et (sur les modèles triphasés) l’équilibre des phases, compare les valeurs mesurées à des seuils réglables et, en cas de dépassement, commande la déconnexion de la charge par un contact de sortie (typiquement jusqu’à 40–63 A) — directement ou via un contacteur. En pratique, il remplace une rangée de relais séparés (tension + phases + thermique) par un seul appareil qui :

• Mesure en permanence U, I, P et le facteur de puissance — et les affiche sur la LED frontale
• Protège contre la sous/surtension (UVP/OVP), la surcharge thermique (OTP), la perte et l’ordre incorrect de phase, la puissance minimale/maximale et les courants de fuite (avec tore externe)
• Temporise la reconnexion après le retour dans les paramètres (il protège les compresseurs et les pompes des redémarrages prématurés)
• Mémorise les événements et, sur les modèles à USB/Modbus, les rapporte à l’automatisation

Le coût d’un relais numérique à communication Modbus (50–150 EUR) est justifié pour les maisons dotées de systèmes photovoltaïques, de groupes de secours ou d’installations techniques complexes.

Référence normative

Dans l’I7-2011, le relais n’apparaît pas comme un « appareil de protection » à part entière (comme le MCB/RCCB), mais comme un dispositif de commande (coupure) fonctionnelle, traité dans le sous-chapitre 5.3.4.5 — « Dispositifs de séparation (sectionnement), de coupure et de commande ». Là, l’Art. 5.3.4.5.3.2 b) le nomme explicitement parmi les moyens de coupure fonctionnelle :

« […] la coupure fonctionnelle peut être réalisée au moyen d’interrupteurs, de dispositifs à semi-conducteurs, de contacteurs, de relais, de prises de courant de courant nominal ne dépassant pas 16 A. »— I7-2011, Art. 5.3.4.5.3.2 b)

Le rôle de ces dispositifs est défini à l’Art. 5.3.4.5.0.1 : les mesures de « séparation (sectionnement), de coupure et de commande non automatique […] sont utilisées dans le but de prévenir ou d’éviter les dangers de blessure des personnes ou la détérioration (destruction) des équipements des installations électriques » — exactement la fonction du relais de protection : il ne protège pas le câble, mais l’équipement.

La façon dont le relais commande effectivement la déconnexion est décrite à l’Art. 5.3.4.5.2.4 :

« Les disjoncteurs automatiques, les contacteurs, etc. s’ouvrent à distance par le bouton (commutateur) qui agit dans le circuit de déclenchement de la bobine. »— I7-2011, Art. 5.3.4.5.2.4

Autrement dit, le relais n’interrompt pas lui-même le circuit de puissance, mais commande la bobine d’un contacteur — le schéma de l’encadré ci-dessus. Les normes produit des relais de protection sont de la série IEC 60255, et les relais de tension pour groupes électrogènes et installations photovoltaïques respectent en outre les exigences de raccordement au réseau (EN 50549).