Sécurite électrique

Sécurite électrique
PARTIE THEORIQUE
1 - Le courant alternatif triphasé
Toute l'électricité industrielle (à plus de 99%) est produite sous forme de triphasé alternatif parce
que :
- les alternateurs ont un excellent rendement (>98%)
- le transport de l'énergie électrique peut se faire à moindre coût
- le triphasé est plus facilement redressé que le monophasé (pour l'alimentation en courant
continu d'appareils transistorisés ou de moteurs à courant continu)
- le triphasé permet la création de champs magnétiques tournants à la base des moteurs
asynchrone et synchrone (réciproque de l'alternateur)
1-1) Courant alternatif monophasé
Le monophasé domestique BT est pris entre phase et neutre du réseau triphasé EDF. Au niveau du
transformateur BT alimentant un immeuble ou un village, EDF fabrique un neutre (qui n'existe pas
en MT et HT) et distribue les 3 phases entre les utilisateurs de manière équilibrée. Le compteur de
chaque consommateur intègre dans le temps la puissance active.
On peut mesurer la puissance active P avec un wattmètre, appareil qui comporte 2 circuits :
- un circuit gros fil traversé par le courant I alimentant le récepteur
- un circuit fil fin traversé par un courant proportionnel à la tension V ou U à laquelle est
soumise le récepteur.
La puissance réactive correspond à la circulation de puissance électromagnétique effectuant des
allers-retours (2 par période) entre la source et la charge réactive (bilan nul sur une période).
La seule puissance qui "compte" (c'est-à-dire qui fait tourner le compteur) est la puissance active P,
elle seule intervient dans le bilan final d'échange d'énergie. Pourtant la circulation de la puissance
réactive Q dans la ligne d'amenée de la centrale EDF au compteur du consommateur, demande une
intensité supérieure à ce qu'elle serait si la charge était purement active (une résistance par exemple),
donc conduit à des pertes Joule en ligne supérieures, puissance qu'EDF doit fournir sans pouvoir la
facturer au consommateur.
Par exemple en charge inductive de facteur de puissance cosψ = 0,9 , les pertes Joules en ligne,
proportionnelles au carré de l'intensité, sont de 20% supérieures {elles varient en (1/cosψ)2= 1/0,81
= 1,2} à ce qu'elles seraient en charge résistive avec cosψ = 1.
Aussi EDF impose-t-elle à ses gros clients (P>1MW) un cosφ > 0,95 sous peine d'amende. Malgré
cela 50% de la puissance produite par les alternateurs d'EDF est perdue en ligne!
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1-2 ) Transport du courant triphasé
1000V
MT 40kV
HT 400kV
Alternateur
élévateurab
aisseurabai
sseur
100m
BT 220/380V
1
2
3
500km
N
10km
1km
transfo
transfo
transfo
Les alternateurs EDF produisent du triphasé (et non du monophasé : meilleure utilisation de l'espace
statorique cf.T.P machines à courant alternatif). Le triphasé coûte aussi moins cher au transport : 3
fils suffisent pour transporter la puissance P = 3 V I cosφ , alors qu'il en faut 2 en monophasé pour
transporter P = V I cosφ d'où une économie d'un facteur 2 sur le cuivre.
Enfin, en alternatif, grâce aux transformateurs (qui ont un excellent rendement ≈ 99%), on peut
modifier la présentation de la puissance électrique : monter V pour abaisser I. Les pertes Joule
variant comme I2≈(P/V)2, on élève au maximum la tension pour le transport à longue distance. La
tension est cependant limitée par la tenue des isolants. La BT (basse tension) à la distribution est
imposée pour la sécurité des personnes.
2 - Sécurité électrique des personnes
2-1 ) Le danger d'électrisation et d'électrocution
Le phénomène électrique qui peut tuer l'homme est le courant traversant la région du cœur (risques
de fibrillation cardiaque) : aucun effet grave en dessous de 10 mA (sauf tétanisation et risques de
chute!), risques mortels à partir de 30 mA. Ce courant est fonction de la tension à laquelle la
personne est soumise et de sa résistance électrique (qui dépend de la nature des contacts : peau
humide, bottes ou gants de caoutchouc, nature du sol ...); elle varie de 200 à 2000Ω.
Sans entrer dans les détails, on admet que la tension de contact UC à laquelle on peut être soumis
sans danger, ne doit pas dépasser une valeur limite UL , qui vaut en alternatif : 12V (efficaces) dans
des locaux immergés, 25V dans un lieu humide et 50V dans un endroit sec (la tolérance est le double
en continu).
Si la tension de contact UC est supérieure à ces limites UL, on peut tout de même s'en sortir si
l'électrocution ne dure pas trop longtemps. Par exemple, en local sec, il n'y a pas de danger si ce
temps t n'excède pas 170ms pour une tension de 220V, et pas de danger si t<340ms pour Uc=120V
; en local humide pas de danger si t<50ms pour 220V
On peut s'électrocuter en touchant directement un conducteur (un fil de ligne d'une phase) de la
distribution électrique. Cela peut arriver si l'on travaille sur un appareil sous tension et représente
5% des accidents. La plupart des accidents arrive par contact avec la carcasse d'un appareil (sa
masse) soumise à une tension supérieure aux limites ci-dessus par suite d'un défaut : un fil de phase
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est au contact de la carcasse métallique et l'utilisateur, dont les pieds sont au sol, joue le rôle de
conducteur. Pour l'éviter, la première précaution est de supprimer tout risque de contact avec des
conducteurs sous tension en utilisant par exemple une carcasse en plastique (sèche-cheveux, robot
ménager, perceuse,... etc ) qui offre cependant un risque d'incendie. Mais pour des raisons
mécaniques et/ou électriques (référence de potentiel), beaucoup d'appareils ont une carcasse
métallique. La protection des personnes dépend alors des installations électriques :
- du réseau BT (basse tension) de distribution EDF
- de l'installation BT de l'utilisateur.
2-2 ) Les régimes de protections (TT,TN,IT)
a) Signification de la première lettre
Elle concerne ce qui se passe chez EDF.
Au niveau de son transformateur MT/BT (moyenne tension/basse tension) triphasé, EDF sort 3 fils
de phase et un fil de neutre qui vont chez l'utilisateur. Mais EDF relie aussi ce fil de neutre :
- soit directement à la terre - lettre T - (régimes TT ou TN)
- soit indirectement à la terre, à travers une impédance Z - lettre I - (régime IT).
Si Rb est la résistance de mise à la terre (Rb<1Ω en général), la résistance rencontrée par le courant
de retour du sol est donc Rb en régime TT ou TN , et Rb+Z ≈Z en régime IT
b) Signification de la deuxième lettre
Elle concerne ce qui se passe chez l'utilisateur.
Les carcasses des appareils (ordinateurs, chaine hifi, moteurs, oscillo, générateurs, ... ), ce qu'on
appelle les masses, sont reliées à un conducteur de protection équipotentiel (PE) lui même relié :
- soit directement à la terre - lettre T - (régimes TT ou IT). Il y a alors une résistance de terre
Ra, moins surveillée malheureusement que celle d'EDF (Ra<20Ω si possible)
- soit relié au neutre - lettre N - (régime TN) de la façon suivante :
: TNC : neutre et conducteur de protection sont Confondus
: TNS : neutre et conducteur de protection sont Séparés
2-3 ) Le régime TT
L'exemple le plus courant du régime TT est celui des installations domestiques BT. On fera donc
surtout l'étude en monophasé.
A gauche de la figure est représenté l'enroulement secondaire du transformateur EDF MT/BT qui
délivre une tension constante V = 220V (ou 127V) entre phase (Ph) et neutre (N). R est la résistance
du transfo vue du secondaire (R ≤ 1Ω). A droite figure l'installation électrique de l'utilisateur. La
carcasse de l'appareil est reliée à la terre par le conducteur de Protection Equipotentielle PE à
travers une résistance de terre Ra.
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Ph
R
Ph
I1+ I2
V
I1+ I2
N
N
I2
Rb
PE
I2
I1+ I2
I1
Rd
Ra
I1
Rh
Uc
Réseau EDF
installation utilisateur
a) Défaut franc
Supposons qu'à l'intérieur de l'appareil le fil de phase touche la carcasse, Rd est la résistance de
défaut. La personne, de résistance Rh≈2000Ω est traversée par le courant I10 qui suit le trajet
suivant : phase R≈0Ω, défaut Rd≈0Ω, masse de l'appareil, personne Rh, sol, terre EDF de valeur
Rb.
- La carcasse de l'appareil n'est pas mise à la terre :
Supposons que Ra = Rb = 1Ω.
I10 = V / (R + Rd + Rh + Rb) = 220/(0+0+2000+1) ≈ 110mA —> Danger
Elle est soumise à la tension Uc = 220V —> Danger
- La carcasse de l'appareil en défaut est maintenant mise à la terre.
Alors on a V = Rh I1 + Rb( I1 + I2) = RaI2 + Rb(I1 + I2)
et I1 = V Ra / [Rh (Ra + Rb) + Rb Ra ]
Note : si Ra = Rb et Rh >> Ra alors I1 ≈ I10 / 2 et Vh = V / 2.
Si Ra = 0 alors I1 = 0 et Vh = Uc = Rh I1 = 0 —> Aucun danger
En réalité Ra n'est pas nulle (qqs ohms) et le défaut provoque une montée du potentiel de la carcasse
qui peut être dangereuse. On comprend l'importance de vérifier la qualité de la mise à la terre de
l'installation : Ra doit être la plus faible possible. On peut d'autre part envisager une protection par
disjoncteur magnéto-thermique.
b) Protection par un disjoncteur magnéto-thermique
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magnéto-
Ph
R
V
N
I1+I2+In
Ph
thermique
N
I1+I2+In
I2
PE
In
In
Rb
I2
I1+I2
I1
Rc Rd
Ra
I1
Rh
Uc
Réseau EDF
installation utilisateur
Supposons que l'appareil récepteur ait une puissance de 660W (alors son courant nominal In =
660/220 = 3A et sa résistance de charge est Rc = 220 / 3 = 73Ω) et que le seuil de déclenchement du
magnéto-thermique ait été réglé à 5A.
S'il y a défaut, le transformateur va délivrer :
- le courant In absorbé normalement par l'appareil sous tension
In = V / (R +Rc ) ≈ V / Rc
- le courant I1 qui traverse la personne touchant la carcasse
I1 = V Ra / [Rh (Ra + Rb) + Rb Ra ]
- le courant I2 de défaut passant de la carcasse au sol à travers Ra et retournant au transfo EDF par
Rb
I2 = Rh I1 / Ra
Dans le cas étudié, In = 3A, I1 ≈ 55 mA,
I2 = 2000*55e-3/1 ≈ 110A (Danger)
et Vh = Uc = Rh I1 ≈ 110V (Danger).
Le courant I2 provoque le déclenchement du magnéto-thermique réglé à 5A et la personne
est protégée.
Toutefois ce déclenchement doit être rapide (t< 170ms en local sec) au cas où la personne touche la
carcasse lors de l'apparition du défaut ou de la mise sous tension de l'appareil. Si le défaut n'est pas
franc, le magnéto-thermique ne va pas forcément déclencher. Prenons l'exemple suivant :
Supposons que Ra = Rb = 22Ω et Rd = 100Ω. Dans les équations on remplace Rb par Rb+Rd.
Alors I1 ≈ 17 mA (Danger) et la tension de contact Uc = 2000x17e-3 ≈ 34V (Danger). I2 = ≈
1.5A.
Le courant dans le disjoncteur magnéto-thermique passe de In =3 A sans défaut, à In+I1+I2 ≈ 4.5A
et le magnéto-thermique réglé à 5A ne déclenche pas :
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Ainsi une protection magnéto-thermique ne suffit pas toujours à protéger les personnes, en
particulier si le défaut n'est pas franc.
c) Protection par un disjoncteur différentiel Résiduel (DDR)
Placé à l'entrée de l'installation, sur le fil de phase et sur le neutre, il déclenche rapidement lorsque la
différence entre le courant amené par la phase et celui emmené par le neutre excède son seuil I∆n
Ph
¬
I1+I2+In
R
DDR
(courant différentiel résiduel nominal).
Ph
I1+I2+In
V
N
N
In
In
Rb
I2
PE
I1+I2
I1
Rc Rd
Ra
I1
Réseau
EDF
Rh
Uc
installation
utilisateur
Si on met sous tension l'appareil comportant le défaut Rd = 100Ω, il suffit que le seuil du DDR soit
réglé à I∆n = I2 = 1A et les personnes sont protégées Mais le défaut peut avoir une résistance plus
élevée ou la résistance de terre de l'utilisateur peut être mauvaise, ce qui peut entraîner un nondéclenchement du DDR. Pour avoir une sécurité complète, on choisit le seuil de déclenchement du
DDR inférieur à UL / Ra (Rh>>R a) d'autant plus bas que la résistance de l'utilisateur est mauvaise.
Un DDR protège les personnes seulement si I∆n ≤ UL / Ra.
Encore une fois on comprend l'importance de vérifier la qualité de la mise à la terre de l'installation :
Ra doit être la plus faible possible. Le schéma TT a l'inconvénient de déclencher au premier défaut,
privant de courant toute l'installation en aval de la protection de son alimentation. Bien sûr, on peut
installer des DDR indépendamment sur chaque partie de l'installation. Si des DDR se trouvent en
cascade, il faut naturellement que le DDR en amont ait un seuil de déclenchement plus élevé que
chacun des DDR situés en aval. Il faut aussi que le DDR aval ait un temps de réponse plus court
(instantané) que le DDR amont (temporisé)
2-4) Régime TN
Ce schéma n'est possible que dans les installations alimentées par un poste de transformation privé,
MT/BT par exemple. Dans le schéma TN (TNC ou TNS), du côté utilisateur le conducteur
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équipotentiel, qui relie les masses entre elles, est directement relié au neutre. On le nomme PEN. Son
avantage est que le courant de défaut I2, qui se referme par le neutre du réseau, est un courant de
DDR
court-circuit phase-neutre très élevé pour déclencher très rapidement une protection classique
magnéto-thermique.
Ph
¬
I1+I2+In
R
Ph
I1+I2+In
V
N
N
In
In
Ra
I2
PEN
I2
I1
I1
Rc Rd
I1
Réseau
EDF
Rh
Uc
installation
utilisateur
Si la liaison PE-N est impeccable Re=0. En cas de défaut franc et si Rd=0 et la surintensité I2 est
énorme I2 = V / (R + Rd + Re) = 220A et le disjoncteur magnéto-thermique déclenche
instantanément et protège les personnes et le matériel. Cependant si le défaut n'est pas franc (Rd =
200Ω) ou si la liaison PEN est très mauvaise (ligne trop longue Re = 200Ω), les problèmes sont les
mêmes que dans le régime TT et la solution de protection des personnes est un DDR.
On comprend la nécessité de contrôler la qualité de la liaison PE-N pour conserver Re faible. Le
schéma TN a l'inconvénient de déclencher au premier défaut, privant de courant toute l'installation
en aval de la protection de son alimentation
2-5 ) Régime IT
Ce schéma n'est possible que dans les installations alimentées par un poste de transformation privé,
MT/BT par exemple.
Son intérêt est qu'il n'y a pas de danger pour les personnes au premier défaut, permettant ainsi la
continuité du service et la réparation du défaut. Il y a danger au deuxième défaut qui doit
obligatoirement couper l'alimentation.
a) Pas de danger au 1° défaut
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Id
Ph1
Ph2
Ph3
N
CPI
Rd2
Z
Uc
Id
Réseau privé
Ra
utilisation
Le courant Id de ce premier défaut Rd entre la phase 1 et la carcasse de l'appareil mis à la terre par
Ra se referme par le sol et l'impédance Z d'isolation entre le neutre et la terre. Id = V / (R + Rd +
Ra).
Supposons Z = 500Ω (valeur très basse), le défaut franc Rd = 0 et la terre Ra = 20Ω. Alors Id =
220/(500+20) = 0,42A ce qui met la carcasse de l'appareil à Uc = Ra Id = 8,5V par rapport au sol. Il
n'y a pas de danger pour la personne qui le touche, à condition d'être certain que Z > 500Ω. Il faut
donc installer un contrôleur permanent d'isolement du réseau (CPI) qui signale (alerte visuelle et
sonore) l'apparition du défaut, c'est-à-dire lorsque l'impédance du réseau devient inférieur à
Z=500Ω.
b) Danger au 2° défaut
Ph1
Id
U
Ph2
Ph3
N
CPI
Rd1
Rd2
Z
Uc
Réseau privé
Ra2
Ra1
Id
atelier n°2
atelier n°1
Si un deuxième défaut apparaît sur une autre phase, sur un autre appareil situé dans un autre local
(c'est-à-dire avec une autre prise de terre Rb2), la tension composée U fait circuler un courant Id = U
/ (2R+Rb1+Rb2+Rd1+Rd2) soit Id = 380/40 = 9.5A qui amène les carcasses des 2 appareils en
défaut à Uc = Rb1 Id = 190V par rapport au sol —> Danger
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On peut installer des DDR sur chaque partie de l'installation pour éviter le danger de l'apparition
simultanée des 2 défauts.
Si les 2 appareils en défaut sont dans le même local, leurs 2 masses étant reliées à la même prise de
terre, il y a danger si la personne touche simultanément les 2 carcasses, mais le courant de défaut Id
= U / (Rd1 + Rd2) fait rapidement disjoncter le magnéto-thermique de protection.
Il est impératif d'intervenir dès que le CPI signale le premier défaut, par exemple en isolant de suite
l'appareil en défaut par son disjoncteur. On peut localiser le défaut en isolant successivement
chacune des parties de l'installation.
2-6) Mesure d'une prise de terre
Le bon fonctionnement des DDR pour la protection des personnes exige des prises de terre de
qualité.
La valeur d'une prise de terre est approximativement donnée (en ohm) par
R = k ρ / L où
- k varie de 0,8 à 2 selon la forme du conducteur enterré
- L est la longueur de la tige (tuyau, grille) enterrée verticalement (k=0,8) ou horizontalement
(k=2)
- ρ la résistivité du sol (terrain gras 50Ωm ; gravier 500Ωm ; sable, roche 3000Ωm).
La mesure d'une prise de terre x nécessite 2 prises de terre auxiliaires a et b, chacune très éloignées
les unes des autres.(plus de 20m). Le générateur G branché entre X et A fait circuler le courant I
entre X et A : Vx - Va = Rx I + Ra.I. Le voltmètre branché entre x et b mesure la tension Vx - Vb =
Rx I puisque Rb n'est traversé par aucun courant. Ainsi Rx = (Vx - Vb) / I.
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Securite electrique
Partie EXPERIMENTALE
Risque électrique
Cette séance a pour objet d'une part de sensibiliser les étudiants aux risques encourus lors de
l'utilisation de l'énergie électrique, d'autre part de prévenir toute mauvaise utilisation de cette énergie.
Il est bon, au terme du TP, de retenir au minimum :
- Les notions de phase, de neutre, de terre, tension alternative monophasée ou triphasée
- Les caractéristiques (tensions) de la distribution de l'électricité domestique
- Le fonctionnement et les caractéristiques d'un disjoncteur, la protection qu'il apporte
- Un ordre de grandeur des courants et tensions limites au delà desquelles l'être humain est en danger
- Les différents régimes de neutre utilisés et leurs caractéristiques essentielles.
1 - Étude des différents régimes de neutre
1-1) Régime de protection T.T.
Se reporter au dossier pédagogique pédagogique en salle de T.P, et effectuer les 4 premières
manipulations en régime TT. Justifier les valeurs numériques obtenues
1-2) Régime de protection T.N.
Effectuer les trois premières manipulations (cf. Dossier pédagogique en salle de T.P.) en régime T.N.
Justifier les valeurs numériques obtenues
1-3) Régime de protection I.T.
Rappeler ses spécificités
Faire un bilan des avantages et inconvénients de ces régimes de neutres ainsi que de leurs utilisations
préférentielles : domestiques, industrielles ?
2 - Distribution électrique
A l'aide d'un multimètre, déterminer la nature (phase, neutre, terre) de chacun des fils :
- d'une prise électrique classique
- des prises triphasées de la salle de T.P.
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Attention au cours de l'utilisation : 220V
En déduire comment est réalisée la distribution électrique de la salle, en particulier l'alimentation
220V résulte-t-elle :
- d'un branchement entre 2 phases à partir d'une distribution 130V triphasée?
- d'un branchement entre phase et neutre à partir d'une distribution 220V triphasée?
3 - Disjoncteurs
Identifier les disjoncteur placés sur les tables de travail et ceux du tableau électrique
3-1) Disjoncteur magnéto-thermique
Contre quel défauts protège-t-il?
Déchiffrer les performances d'un disjoncteur magnéto-thermique : courant nominal, type, intensité
de déclenchement
Observer de quoi est constitué le disjoncteur magnéto-thermique démonté sur la table de T.P.?
3-2) Disjoncteur différentiel
Quel est son fonctionnement ?
Observer de quoi est constitué le disjoncteur différentiel démonté sur la table de T.P. ?
4 - Facultatif : Pertes en lignes dans le transport de l'électricité
Soit U la tension efficace aux bornes de la ligne haute tension et R la résistance de la ligne.
Calculer la puissance dissipée dans la ligne ? Quelle est l'origine de cette perte?
Quelle est alors la puissance délivrée en bout de ligne, aux bornes d'arrivée ?
Calculer le rendement du transport électrique.
Conclusion, comment peut-on jouer pour améliorer le rendement ?
Quel dispositif utiliser pour mener à bien cette amélioration?
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