C 5- 2

Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques
ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE
C5
ÉLECTRICITÉ STATIQUE
Ingénieurs en
Sécurité Industrielle
I - CHARGES ÉLECTRIQUES ...................................................................................................... 1
1
2
3
4
-
Électrisation d’un corps ................................................................................................................ 1
Nature des charges électriques ...................................................................................................3
Force - Potentiel - Champ électrostatique ....................................................................................6
Condensateur - Énergie emmagasinée........................................................................................ 7
II - MANIFESTATION DU PHÉNOMÈNE D’ÉLECTRICITÉ STATIQUE ........................................ 8
1
2
3
4
-
Apparition des charges électriques .............................................................................................. 8
Facteurs favorisant la formation d’étincelles ................................................................................9
Exemples typiques d’électrisations .............................................................................................. 9
Types de décharge.....................................................................................................................12
III - DANGER D’UNE DÉCHARGE ÉLECTROSTATIQUE ............................................................ 14
IV - MESURES GÉNÉRALES DE PROTECTION CONTRE L’ÉLECTRICITÉ STATIQUE ........... 16
1
2
3
4
-
Mesures préventives .................................................................................................................. 16
Mesures curatives ...................................................................................................................... 16
Exemples de mise à la terre et liaisons équipotentielles ............................................................ 20
Précautions dans les opérations d’exploitation ..........................................................................21
SE FEU - 02477_A_F - Rév. 1
Ce document comporte 22 pages
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08/06/2005
-2
1
I-
C 5 -2
CHARGES ÉLECTRIQUES
1-
ÉLECTRISATION D’UN CORPS
a - Expériences
Un bâton d’ébonite, tenu à la main et frotté avec une fourrure ou avec un tissu de laine, de soie, de
fibres synthétiques, acquiert la propriété d’attirer les corps légers sur la partie frottée (figure cidessous) ; on dit qu’il s’électrise par frottement.
D SEC 3069 A
Le bâton d’ébonite, électrisé par frottement, attire de petits morceaux de papier.
On peut répéter l’expérience en frottant de la même façon un bâton de verre, une règle ou un stylo en
matière plastique.
Par exemple, si la poussière a tendance à adhérer sur la surface d’un disque de musique, c’est parce
que le frottement de tête de lecture a électrisé la matière plastique du disque.
D’autre part, une tige métallique, en cuivre ou en laiton, bien que très énergiquement frottée avec la
même fourrure ou le même tissu, n’attire pas les corps légers lorsqu’elle est tenue à la main (figure cidessous) ; par contre, elle s’électrise sur toute sa surface quand on la tient par l’intermédiaire d’un
manche en ébonite, en verre ou en matière plastique.
Métal
Poignée en ébonite
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D SEC 3069 B
Métal
2
C 5 -2
b - Interprétation
On admet que les forces qui attirent ainsi de très légers objets sur les corps électrisés ont leur origine
dans l’apparition, à la surface de ces corps, de petites quantités d’électricité, encore appelées des
charges électriques.
Dans les corps tels que l’ébonite, le verre, les matières plastiques, ces charges électriques ne peuvent
pas se déplacer (ou ne se déplacent que très difficilement), on dit que ces corps sont des isolants (ou
de mauvais conducteurs de l’électricité).
Par contre, un métal comme le cuivre ou l’aluminium, ou encore un alliage métallique comme le laiton,
les charges électriques se déplacent facilement ; on dit que ces corps sont de bons conducteurs de
l’électricité ou, plus brièvement, des conducteurs.
Tous les autres corps sont plus ou moins conducteurs ou plus ou moins isolants.
Le corps humain, par exemple, est légèrement conducteur, c’est pourquoi un homme ressent le
passage d’un courant électrique.
c - Les deux espèces d’électricité
En a, après avoir électrisé par frottement les extrémités E et E’ de deux bâtons d’ébonite, on place l’un
de ces bâtons sur un étrier léger suspendu à un fil fin. On approche de l’extrémité électrisée E, du
bâton suspendu, l’extrémité électrisée E’ de l’autre bâton : on constate qu’elles se repoussent.
En b, on remplace sur l’étrier le bâton d’ébonite par un bâton de verre dont la partie V a été électrisée
par frottement avec du drap, puis on approche de V l’extrémité E’ du bâton d’ébonite tenu à la main :
on observe cette fois une attraction.
Enfin en c, si on approche de V la partie électrisée V’ d’un autre bâton de verre tenu à la main, on
observe de nouveau une répulsion.
V
V'
E'
E'
Ébonite
Verre
Ébonite
a
V
Ébonite
b
c Verre
Ces expériences conduisent aux conclusions suivantes :
-
les charges électriques apparaissant sur le verre et sur l’ébonite sont d’espèces différentes.
Par pure convention, il a été décidé d’appeler électricité positive celle qui apparaît sur le
verre et électricité négative celle qui apparaît sur l’ébonite
- deux corps chargés d’électricité de la même espèce se repoussent. Deux corps chargés
d’électricité d’espèces différentes s’attirent
02477_A_F
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D SEC 3070 A
E
3
Il est à noter que l’électrisation d’un corps peut se faire de plusieurs façons :
-
par frottement comme il vient d’être vu
- par contact entre un corps électrisé et un autre. Après séparation des deux corps, le
second se retrouve électrisé par de l’électricité de même espèce que la première
- par influence en approchant, sans le toucher, un corps électrisé d’un second corps, celui-ci
se charge d’électricité d’espèce opposée à la première
2-
NATURE DES CHARGES ÉLECTRIQUES
La nature de l’électricité est à rechercher dans la constitution de la matière.
Tous les corps sont formés par des assemblages d’atomes, particules extrêmement petites qui se
comptent par milliers de milliards dans la moindre parcelle de matière.
Chaque atome est constitué par un noyau, chargé d’électricité positive, autour duquel gravitent un
nombre variable d’infimes granules d’électricité négative que l’on appelle des électrons.
Dans toutes les opérations ordinaires de la physique et de la chimie, les noyaux des atomes
demeurent inaltérés, ils conservent donc intégralement leur charge électrique positive. Par contre,
sous diverses influences, l’atome peut céder ou, au contraire, fixer un ou plusieurs électrons.
À l’état normal, un atome est électriquement neutre parce que la charge négative que représente
l’ensemble de ses électrons est égale en valeur absolue à la charge positive de son noyau.
Si on enlève des électrons à un corps, la charge positive globale des noyaux de tous ses atomes n’est
plus exactement neutralisée par la charge négative globale des électrons restants et le corps
s’électrise positivement. Il s’électrise au contraire négativement si on lui apporte un supplément
d’électrons.
La couche externe du cortège d’électrons ne comporte jamais plus de 8 électrons et elle est très
souvent incomplète. Aussi, les atomes ont-ils tendance soit à se libérer des électrons de la dernière
couche lorsqu’ils sont en faible quantité (1, 2 ou 3 par exemple), soit au contraire à en capter lorsqu’ils
sont en nombre proche de 8 (5, 6 ou 7 par exemple) de façon à obtenir une couche externe portant 8
électrons, comme c’est le cas pour les gaz inertes (hélium, néon, argon, krypton, xénon, radon).
Ainsi, toute électrisation apparaît comme un transfert d’électrons :
-
une charge négative est un excès d’électrons
une charge positive est un défaut d’électrons
a - Conducteurs métalliques
Les métaux et leurs alliages sont constitués par un enchevêtrement de petits cristaux dans lesquels
les atomes sont ordonnés géométriquement dans un réseau cristallin. Ces atomes métalliques perdent
facilement un ou plusieurs électrons périphériques, qui demeurent à l’intérieur du réseau et y circulent
en tous sens de façon désordonnée ; on les appelle les électrons libres du métal.
Cette possibilité, pour des électrons, de se déplacer facilement dans les espaces vides qui séparent
les atomes d’un métal, explique l’impossibilité d’électriser une tige métallique que l’on tient à la main.
Si le frottement fait passer un excédent d’électrons sur une partie de la tige, ils se dispersent aussitôt
dans le sol, par l’intermédiaire de la tige et du corps de l’expérimentateur.
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C 5 -2
4
C 5 -2
b - Isolants
On considère par exemple l’électrisation d’un bâton d’ébonite que l’on frotte avec un tissu de soie ; des
électrons, arrachés au tissu par le frottement, passent sur le bâton ; de ce fait, l’ébonite s’électrise
négativement pendant que la soie s’électrise positivement, les charges qui apparaissent ainsi de part
et d’autre étant égales en valeur absolue.
Le fait que l’excédent d’électrons reçu par le bâton ne s’écoule pas dans la main de l’opérateur, montre
que dans un isolant les électrons ne peuvent pas se déplacer (ou ne se déplacent que très
difficilement). C’est pour la même raison que les charges positives apparentes du tissu de soie restent
localisées aux points où le frottement a extrait des électrons, ceux-ci ne pouvant être remplacés par
des électrons provenant d’atomes voisins.
Dans un isolant, il n’y a quasiment pas d’électrons libres et, de plus, ils se déplacent très difficilement.
Une classification peut être faite en se basant sur les valeurs des résistivités des matériaux :
- conducteurs :
- isolants :
ρ ≅ 10 –11 Ω . cm
ρ > 1011 Ω . cm
Quelques valeurs de résistivité sont indiquées ci-après.
Ω . cm
Hydrocarbures saturés
Hexane
Cyclohexane
Heptane
Autres hydrocarbures
1 × 1018
1× 1018
1× 1018
1011 à 1015
Hydrocarbures benzéniques
Benzène
Xylène
Toluène
Bromobenzène
Chlorobenzène
2,2 × 1016
1 × 1015
1 × 1014
9 × 1010
1 × 109
Hydrocarbures halogénés
Tétrachlorure de carbone
Dichlorométhane
Chloroforme
Dibromoéthane
Dichloroéthane
Chlorure d’éthyle
Bromure d’éthyle
2,5 × 1017
2,3 × 1010
1 × 1014
5 × 109
3,3 × 109
3,3 × 108
5 × 107
Cétones
Acétophénone
Acétone
Butanone
1,5 × 108
1,7 × 107
1 × 107
Alcools
Alcool éthylique
Glycérol
Isobutanol
Alcool méthylique
Alcool benzylique
Glycol
Alcool propylique
Isopropanol
02477_A_F
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7,4 × 108
1,7 × 107
1,2 × 107
2,3 × 106
2 × 106
8,6 × 105
2,8 × 103
2 × 105
5
C 5 -2
Aldéhydes
Benzaldéhyde
Aldéhyde éthylique
2 × 106
6 × 105 - 8,3 × 105
Éthers
2 × 1014
1 × 1013
1 × 1012
1 × 108
1,4 dioxanne
Anisole
Diéthyléther
Phénétol
Acides
Acide propionique
Acide acétique
Acide formique
1 × 109
4,2 × 107 - 8,9 × 108
8 × 103
Esters
Benzoate de propyle
Acétate d’éthyle
Acétate de vinyle
Formiate d’éthyle
Formiate de méthyle
Benzoate de méthyle
Formiate de propyle
1 × 109
3,3 × 108 - 1 × 109
1 × 108
3 × 106
5 × 105
7,3 × 104
2 × 104
Divers
Sulfure de carbone
Phénol
Aniline
Pyridine
Acétonitrile
Benzonitrile
Formamide
1,6 × 1013 - 3 × 1013
3,3 × 107 - 108
4,2 × 107
2,5 × 107
2 × 107
2 × 106
5 × 105
Sols
Asphalte
Moquette
Béton
1 × 1012
1 × 108 - 1 × 1012
1 × 107
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3-
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FORCE - POTENTIEL - CHAMP ÉLECTROSTATIQUE
Deux charges électriques q et q’, éloignées d’une distance r et supposées dans le vide absolu,
subissent une force.
Dans le vide :
F =
1 qq’
εo r2
La force est attractive si les charges sont de signes opposés, elle est répulsive si les charges sont de
même signe.
La constante εo est une caractéristique du vide.
Lorsque les charges sont dans un milieu autre que le vide, la force est réduite d’un facteur ε, appelé
constante diélectrique du milieu.
Dans un milieu :
F =
1 qq’
εε o r2
Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs de constantes diélectriques.
Constantes diélectriques
Air
Hydrocarbures
Benzine
Benzol
Asphaltes, brai
Caoutchouc vulcanisé
Verre
Métaux
Alcools
Eau
1
2,02 à 2,19
2,2
2,38
2,7
2,8 à 3,1
3
3à4
16 à 31
81
Plastiques
Phénoplastes
Aminoplastes
Polystyrène
Polythène
Chlorures de polyvinyle
Polyamides
5
5à7
2,5 à 2,7
2,25 à 2,3
4,9 à 5,6
4à5
d.d.p. (Volts)
D SEC 3117 A
La présence de charges électriques différentes crée une différence de potentiel, exprimée en volt.
02477_A_F
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C 5 -2
L’espace avoisinant des charges électriques se trouve influencé par celles-ci : on définit, par exemple,
entre deux plaques chargées, distantes d’une quantité “d”, un champ électrostatique, ici uniforme,
dont la valeur est :
VAB
d.d.p.
=
distance
d
en V/cm
A
d
d.d.p = V AB (Volts)
E
B
D SEC 3118 A
E =
Le champ électrostatique représente l’“électrisation” de l’espace.
Plus le nombre de charges augmente, plus la différence de potentiel V AB augmente, et plus le champ
électrostatique E augmente.
Dans tout isolant, il y a un maximum appelé champ disruptif, où apparaît un claquage se traduisant
souvent par une étincelle de décharge.
Pour l’air, le champ disruptif moyen est d’environ 30 kV/cm.
4-
CONDENSATEUR - ÉNERGIE EMMAGASINÉE
Deux plaques séparées par un isolant forment un condensateur.
A
D SEC 3119 A
La quantité de charge + ou – que le condensateur est
capable d’accumuler s’appelle la charge Q (en
Coulombs.
B
Elle dépend de la d.d.p. VAB appliquée entre les plaques A et B et d’une grandeur caractéristique du
condensateur, appelée capacité C, dont l’unité est le “Farad”.
Q
(Cb)
=
C
(F)
×
VAB
(V)
La charge Q représente une sorte de stockage d’électricité, malheureusement guère utilisable.
Si S est la surface des plaques en regard et la distance d qui les sépare, la capacité s’exprime par :
S
C = εo ε
d
en Farad
où ε est la constante diélectrique du milieu situé entre les plaques.
02477_A_F
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C 5 -2
L’énergie emmagasinée dans un condensateur s’exprime par :
W =
1
2
CV AB
2
(en Joule)
Si la d.d.p. VAB atteint une valeur telle que le champ E = VAB/d est disruptif, le condensateur se
décharge à travers l’isolant, qui est alors en général détruit : c’est le claquage.
Si l’isolant est de l’air, il s’ionise et laisse passer les charges brutalement ; il y a étincelle dont l’énergie
1 2
est CVAB. Dans ce cas l’isolant (l’air) se reconstitue après refroidissement.
2
II -
MANIFESTATION DU PHÉNOMÈNE D'ÉLECTRICITÉ STATIQUE
1-
APPARITION DES CHARGES ÉLECTRIQUES
Quand deux substances différentes 1 et 2 sont mises en contact, une migration d'électrons d'une des
substances vers l'autre, va se produire. Au moment de la séparation qui suivra la mise en contact,
certains électrons reprendront leur place dans la substance de départ, d'autres ne le pourront pas. Ces
derniers sont la cause de la création d'une différence de potentiel qui va croître en même temps que la
distance qui sépare les deux substances.
b)
Contact
MATÉRIAU 1
MATÉRIAU 1
MATÉRIAU 2
MATÉRIAU 2
Électriquement neutre
Transport de charge
Séparation
c)
MATÉRIAU 1
MATÉRIAU 2
Excès de charge
D SEC 3120 A
a)
Une étincelle jaillit quand cette différence de potentiel atteint la tension de claquage dans l'air.
Le mécanisme d'électrisation n'a pas lieu exclusivement par contact-séparation mais aussi par
influence d'un champ électrique : voisinage d'une masse chargée électriquement avec une autre
initialement neutre.
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2-
C 5 -2
FACTEURS FAVORISANT LA FORMATION D'ÉTINCELLES
Les facteurs favorisant la formation d'une étincelle, ou tout au moins l'apparition de différence de
potentiel sont les suivants :
- la différence des constantes diélectriques accentue la quantité de charges électriques
échangées entre deux surfaces en contact
- l'électricité statique est un phénomène superficiel. Son importance croît avec la surface
développée par le produit, pour un volume donné : c'est le cas des poussières, des
brouillards, des aérosols.
- une résistivité élevée (ρ > 1011 Ω . cm) est un obstacle à la mobilité des charges, ce qui
les empêche de réintégrer leur produit d'origine et augmente donc le potentiel après
séparation des surfaces
- une vitesse élevée de séparation des surfaces peut ne pas laisser le temps aux charges
électriques de regagner leur matériau d'origine
3-
EXEMPLES TYPIQUES D’ÉLECTRISATIONS
D SEC 3121 A
Un liquide non-conducteur s’écoule d’un tube de
métal (effet de séparation). Le liquide se charge.
La charge excédentaire du tube de métal
s’échappe par la mise à terre.
D SEC 3122 A
Un liquide non-conducteur est brassé dans un
réacteur (effet de séparation près de la paroi). Le
liquide, le réacteur et le brasseur se chargent.
Les charges du réacteur et du brasseur
s’échappent par la mise à terre.
02477_A_F
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C 5 -2
D SEC 3130 A
Une personne marche avec des semelles
isolantes sur un tapis de Nylon ou sur un sol
plastifié (effet de séparation entre semelle et
sol). La personne se charge, car les charges ne
peuvent s’échapper que lentement.
De la poudre s’écoule dans un sac en plastique
(effet de séparation). La poudre, le sac et le
nuage de poussière se chargent.
D SEC 3131 A
Les charges ne s’échappent que lentement.
Un liquide non-conducteur ou une poudre
circule dans une conduite de verre ou de
plastique (effet de séparation près de la paroi).
Le tube, les brides et le contenu du tube se
chargent.
D SEC 3132 A
Les charges ne s’échappent que lentement.
Une feuille de plastique ou de papier est
déroulée (effet de séparation). La feuille
déroulée et le rouleau se chargent.
D SEC 3133 A
Les charges ne s’échappent que lentement.
02477_A_F
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C 5 -2
• Valeur de tensions rencontrées dans la pratique
Tensions (volt)
Personne marchant avec des chaussures à semelles en caoutchouc
1000
Personne marchant sur un tapis, avec des chaussures à semelles en
caoutchouc
14000
Surface libre d’un carburant dans un grand réservoir lors d’un remplissage
rapide
100000
Brides d’une conduite en verre dans laquelle coule du toluène
15000
Brides d’un éjecteur à vapeur
15000
Fibres synthétiques, lors de leur façonnage
9000
Feuilles de chlorure de polyvinyle, lors de leur fabrication
2000
Papier dans les machines à papier
Jusqu’à 135000
Papier dans des presses hélio
80000
Caoutchouc dans des machines à enduire
20000
Caoutchouc dans des machines à découper
150000
Plaques de celluloïd, lors du déballage
25000
Celluloïd lors de frottement
40000
Courroies de transmission à une vitesse
de 3 m/s
de 10 m/s
25000
50000
Benzol s’écoulant dans un tuyau de fer
3500
Benzine tombant librement
4000
Gaz sortant de bouteilles à gaz comprimé
9000
Encaustique liquide circulant à l’aide d’une pompe
Sol asphalté passé à la cireuse
02477_A_F
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125000
5000
12
4-
C 5 -2
TYPES DE DÉCHARGE
Les matériaux et les atmosphères ambiantes n'étant pas des isolants parfaits, toute apparition d'une
charge électrostatique est suivie d'un processus plus ou moins long de décharge, tendant à retrouver
un équilibre.
Ce processus qui obéit à une loi exponentielle dépend de la résistance interne de la matière
(dépendante elle-même de la tension) ainsi que de la résistance générale par rapport à la terre de
l'objet considéré. Pour des plastiques l'équilibrage des charges peut durer des heures voire des jours.
Une décharge disruptive apparaît lorsque l'intensité du champ électrique atteint la valeur maximum
acceptée par le matériau ou l'atmosphère ambiante. Par exemple la tension de claquage de l'air est
d'environ 30 kilovolts/cm.
Les décharges peuvent être classées en différents types :
-
décharge par étincelle
•
•
•
•
décharge entre deux conducteurs
effet lumineux qui remplit complètement l'espace entre les deux conducteurs
décharge brusque
rayon de courbure type des conducteurs : ≥ 5 cm
–
D SEC 3123 A
+
Rayon de courbure ≥ 5 cm
- décharge en aigrette
• décharge entre un conducteur et une surface chargée conductrice ou non
conductrice ou un nuage chargé
• l'effet lumineux part du conducteur à l'endroit de la plus grande intensité de champ et
prend fin dans l'espace intermédiaire
• plusieurs décharges courtes et successives produisent un effet d'aigrette
• rayon de courbure type : environ 0,5 cm
D SEC 3124 A
+
Rayon de courbure ≅ 0,5 cm
02477_A_F
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13
-
C 5 -2
décharge de pointe (décharge corona)
• décharge entre une pointe conductrice et une surface chargée conductrice ou non,
ou un nuage chargé
• effet lumineux en couronne (corona) seulement autour de la pointe conductrice
• décharge continue
• rayon de courbure type < 1 mm
D SEC 3125 A
+
Pointe
- décharge de surface
Comme autre type de décharge on distingue encore la décharge de surface. Elle se produit
à la surface de matières isolantes très fortement chargées.
D SEC 3126 A
Sphère métallique
Feuille isolante posée sur une base
conductrice mise à la terre
02477_A_F
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14
III - DANGER D'UNE DÉCHARGE ÉLECTROSTATIQUE
La décharge électrostatique peut être une source d'inflammation lorsque l'énergie libérée est égale ou
supérieure à l'énergie d'inflammation minimum du mélange combustible présent. Pour qu'un mélange soit
combustible, il faut que sa concentration (matière combustible par rapport à l'oxygène) se trouve entre la
limite inférieure et la limite supérieure d'inflammabilité.
Au-dessus des liquides le mélange n'est combustible que lorsque la température du liquide est supérieure à
son point éclair. Dans le cas d'aérosols, il faut tenir compte du fait que la température des gouttelettes, par
suite de leur faible capacité calorifique, peut s'élever très rapidement au-dessus du point éclair.
La probabilité de rencontre d'une atmosphère explosive et d'une décharge d'une énergie suffisante est en
général faible. Il est de ce fait parfaitement possible qu'une action dangereuse ait pu s'effectuer pendant des
années sans conséquence et que brusquement il se produise un accident.
L'énergie libérée dans une décharge dépend entre autres de la nature de la décharge. La moins dangereuse
étant la décharge de pointe (ou décharge corona), car un équilibrage des charges commence déjà alors
que la pointe se trouve à une relativement grande distance de l'objet chargé. L'énergie libérée brusquement
se trouve de ce fait fortement réduite. Au contraire, deux grandes sphères se rapprochant l'une de l'autre se
déchargent brusquement en libérant la totalité de l'énergie emmagasinée sous la forme d'une étincelle
capable d'allumer un mélange gazeux ou des poussières. Les décharges en aigrettes se situent à mi-chemin
entre ces deux extrêmes.
Énergie d'allumage minimale (voir tableau suivant)
L'énergie minimale pour obtenir l'inflammation d'un mélange d'air et de vapeurs d'hydrocarbures est comprise
entre 0,2 et 0,8 millijoules suivant la nature du produit.
L'énergie minimale pour enflammer un mélange d'air et de poussière est comprise entre 10 et 100 millijoules
suivant la nature des poussières en suspension dans l'air.
Il faut savoir que le corps humain chargé peut provoquer en touchant un conducteur une énergie disruptive
qui peut atteindre 50 à 100 millijoules.
De plus, le seuil de détection sensorielle est de l'ordre de 1,5 millijoule.
On en déduit donc qu'une personne chargée peut provoquer l'inflammation d'un mélange air-vapeur
d'hydrocarbure sans s'en apercevoir puisqu'il suffit d'une énergie de l'ordre de 0,5 millijoule inférieure au seuil
de perception sensorielle.
02477_A_F
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C 5 -2
15
Énergie
(m/J)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
Énergie minimale d'inflammation
Vapeurs
Sensation ressentie
par une personne
Secousse légère
Farine de blé
Picotement vif
Polyéthylène
Polypropylène
Polyuréthane
Polystyrène
Aluminium en poudre
Picotement léger
Détectable
Essence
Acétone
Méthane – Benzène
Indétectable
Hexane
Éther – cyclopropane
Éthylène
Hydrogène (0,02)
Sulfure de carbone (0,009)
02477_A_F
 2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training
D SEC 3129 A
0,1
Poussières
Silicium
Cellulose
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
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IV - MESURES GÉNÉRALES DE PROTECTION CONTRE L'ÉLECTRICITÉ STATIQUE
1-
MESURES PRÉVENTIVES
a - Au niveau de la fabrication ou du procédé
– Utiliser au maximum des équipements bons conducteurs électrostatiques. Les pièces en
caoutchouc ou en matières plastiques sont à traiter si possible dans la masse pour les rendre
suffisamment conductrices
– En ce qui concerne le transport des liquides et des pulvérulents isolants, les conduites doivent être
conductrices et aussi directes que possible c'est-à-dire avec des coudes à grand rayon par
exemple.
Le remplissage des réservoirs doit se faire par un tuyau arrivant à la partie inférieure afin d'éviter
les chutes de liquide isolant génératrices d'électricité statique.
– La règle générale pour éviter l'apparition des charges est de diminuer les frottements et les
pressions entre les corps isolants transportés et les parois de la machine ; une réduction de la
vitesse de transport des liquides et pulvérulents est donc un facteur de diminution des charges
statiques.
b - Au niveau des locaux
Les sols et les parois des locaux à risque d'incendie ou d'explosion sont à rendre conducteurs, au
moins par un revêtement non isolant relié à des surfaces conductrices à la terre.
c - Au niveau de l'habillement du personnel
Utiliser des vêtements et des chaussures non isolants : interdire les fibres synthétiques par exemple,
ou la laine.
2-
MESURES CURATIVES
Les mesures curatives ont pour but d'éliminer l'électricité statique dont on n'a pas pu empêcher la
formation par des mesures préventives.
Les mesures classiques sont :
-
mise à la terre et liaison équipotentielle pour les corps conducteurs
augmentation de la conductibilité des corps isolants dans leur masse ou en surface
augmentation de la conductibilité de l'air par ionisation
a - Mise à la terre et liaisons équipotentielles
L'élimination des charges statiques se trouvant dans les corps conducteurs est facile à réaliser
puisqu'il suffit de les relier à la terre.
Certains ensembles métalliques sont reliés à la terre par construction (charpentes métalliques,
tuyauteries d'eau, etc.).
Il s'ensuit que les machines qui sont boulonnées sur les ensembles précédents seront elles-mêmes en
principe reliées à la terre ; il faut toutefois se méfier de certaines pièces boulonnées après peinture ou
de certains joints isolants entre deux brides de tuyauteries qui empêchent une bonne conductibilité
électrique malgré les boulons de serrage.
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C 5 -2
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C 5 -2
Dans les locaux à danger d'incendie et d'explosion, il faut assurer la continuité électrique des joints
douteux par un pontage réalisé en conducteur cuivre ou en feuillard d'acier inoxydable.
Pour les ensembles métalliques manifestement isolés du sol il faut les relier à une prise de terre par un
conducteur en cuivre ou inox.
Les liaisons équipotentielles consistent à relier électriquement entre elles toutes les masses locales.
Il faut bien considérer que la mise à la terre des éléments métalliques n'est pas la panacée et permet
simplement l'écoulement des charges se trouvant dans ces corps.
Cette méthode n'empêche pas la décharge disruptive entre un corps isolant chargé situé à proximité
d'un corps métallique mis à la terre et elle la favorise même dans certains cas.
Exemple d’application
Supposons qu'un liquide isolant stocké dans un réservoir R s'écoule, au moyen d'une canalisation
conductrice mise à la terre, dans un récipient conducteur isolé de la terre.
R
B
Isolant
C
D SEC 3127 A
A
Par frottement au contact des parois de la canalisation d'amenée, le liquide se charge et entraîne des
charges, par exemple négatives, qui s'accumulent dans le récipient ; l'ensemble de ces charges
constitue le corps A.
Par influence, la paroi interne du récipient, qui constitue le corps B, se charge positivement tandis que
des charges négatives apparaissent sur la paroi externe.
Une personne C en liaison avec le sol et située dans le voisinage du récipient, accumule par influence
des charges positives.
Dans cet exemple, il existe toujours une probabilité pour que le champ électrique présent entre B et C,
atteigne une valeur critique. Si l'atmosphère dans le voisinage de B et C est chargée de poussières ou
de vapeurs de solvant, il y a risque d'explosion.
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C 5 -2
Si maintenant le récipient B est mis à la terre :
R
B
Isolant
C
D SEC 3127 B
A
Les charges négatives de B s'écoulent à la terre entraînant la disparition du champ électrique qu'elles
créaient entre B et C, de ce fait les charges positives portées par C disparaissent ; seul subsiste le
champ électrique entre A et B.
La MISE À LA TERRE du récipient B SUPPRIME LE CHAMP ÉLECTRIQUE qui existait
précédemment entre celui-ci et une personne située dans son voisinage immédiat, excluant ainsi la
possibilité d'une décharge disruptive à l'extérieur du récipient sans toutefois exclure la possibilité d'une
décharge partielle ou totale à l'intérieur du récipient B.
b - Augmentation de la conductibilité des matières isolantes
La grosse difficulté pour l'écoulement des charges statiques dans les matières isolantes réside dans le
fait que ces charges sont ponctuelles et ne peuvent ni se déplacer, ni se regrouper, ni s'écouler
puisque la matière est réputée "isolante".
Il existe deux méthodes pour augmenter la conductibilité des matières isolantes. La première consiste
à ajouter à la fabrication des poudres conductrices (noir de carbone, graphite, etc.). La deuxième
méthode consiste à rendre la matière conductrice en surface et on trouve à nouveau les deux
procédés suivants :
• Augmentation de l'humidité relative de l'air
Un taux d'humidité relative de l'air de 70 % empêche toute manifestation d'électricité statique puisque
les charges éventuelles s'écoulent au fur et à mesure de leur formation.
Cette humidité agit en rendant les corps isolants conducteurs en surface et non pas en diminuant la
résistivité de l'air.
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C 5 -2
D'une façon générale l'humidification de l'air est la méthode la plus simple, la plus sûre et la plus
efficace pour l'élimination de l'électricité statique ; elle présente l'avantage de traiter tout le volume du
local considéré.
Pour les locaux à danger d'incendie et d'explosion il faut bien entendu contrôler en permanence le taux
d'humidité de l'air et déclencher une alarme si ce taux descend en-dessous de la valeur critique.
• Utilisation de produits dits "antistatiques"
Les produits antistatiques ont pour but de créer à la surface des corps isolants une pellicule
conductrice ; ce sont des liquides qu'on applique au pinceau ou par pulvérisation.
Ces produits ont l'inconvénient d'être instables dans le temps et de se diluer à l'eau ; il faut donc
renouveler périodiquement les applications, ce qui peut être assez onéreux lorsqu'il s'agit de grandes
surfaces.
c - Augmentation de la conductibilité de l'air par ionisation
De l'air ionisé est composé d'un nombre égal d'ions positifs et d'ions négatifs, il est devenu conducteur.
Ionisé à proximité d'un matériau chargé, l'air neutralisera les charges
et
.
Les appareils ionisant l'air sont ici appelés éliminateurs de charges, et sont de différents types :
éliminateurs à haute tension, où une forte tension alternative (10 à 15 kV) est appliquée entre des
pointes métalliques et la terre, éliminateurs radioactifs, où un élément radioactif ionise l'air avoisinant.
Tous ces appareils, bien qu'efficaces, sont assez dangereux par nature et exigent donc d'importantes
précautions d'emploi.
D SEC 3128 A
Éliminateur
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3-
C 5 -2
EXEMPLES DE MISE À LA TERRE ET LIAISONS ÉQUIPOTENTIELLES
a - Équipements et opérations concernés
Ces liaisons équipotentielles et les mises à la terre concernent :
-
les capacités (ballons, colonnes, bacs, …)
-
les tuyauteries : entre brides la continuité électrique est assurée par des tiges filetées ou
par pontage
-
les flexibles dont la continuité électrique doit être assurée
-
les courroies d'entraînement de machines qui doivent être rendues conductrices par
incorporation de fils métalliques ou par utilisation de caoutchouc conducteur
-
les opérations de chargement ou déchargement de wagons-citernes
Liaison équipotentielle et mise à la terre des
tuyauteries de déchargement et des rails
-
D SEC 1137 A
Liaison équipotentielle entre les
tuyauteries et la tubulure du
wagon citerne
les opérations de chargement ou déchargement d'un camion citerne
D MEQ 126 D
Dispositif
de mise
à la terre
De plus, les camions citernes se chargent d'électricité statique par frottements de l'air. Il y a
donc lieu de les "décharger" par mise à terre avant toute opération de chargement.
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les chargements ou soudages de fûts
D SEC 1139 A
-
C 5 -2
Liaison équipotentielle ou contact permanent
entre fûts bec et seau
4-
PRÉCAUTIONS DANS LES OPÉRATIONS D'EXPLOITATION
Quelle que soit l'efficacité de la mise à la terre et des différentes liaisons équipotentielles, quelques
grandes règles sont à observer :
- avant l'accès sur les bacs de produits faiblement conducteurs pour des opérations de
jaugeage, d'échantillonnage … respecter les temps de relaxation suivants :
Bacs à toit flottant
Bacs à toit fixe
Attendre plusieurs
Attendre 30 min après
heures après flottaison
fin remplissage
du toit
Bacs à écran interne
Bacs avec couverture
ou "blanketting"
Attendre la flottaison
de l'écran
Aucun danger
- éviter d'introduire des pièces métalliques dans une capacité
- ne pas transférer des produits très mauvais conducteurs à des vitesses élevées (1 m/s
est souvent le maximum recommandé)
- ne pas remplir "en pluie" les camions et les wagons-citernes : le remplissage à vitesse
maximum ne doit s'effectuer que lorsque la canne est immergée. Ne pas les jauger au
"sabre"
-
dans le cas de fluides très mauvais conducteurs (kérosène, essence, …) éviter de les
mélanger avec de l'air, de les déplacer à l'eau, de les pomper lorsqu'ils sont mélangés avec
de l'eau
- lors d'un nettoyage au jet de vapeur
• assurer l'équipotentialité du tuyau souple, des conduits de vapeurs et du récipient
• aucun objet conducteur isolé ne doit se trouver à l'intérieur du récipient pendant le
nettoyage
• au début de l'opération, limiter la vitesse d'éjection jusqu'à ce que la plus grande
partie de l'air contenu dans le réservoir soit remplacée par la vapeur
• augmenter le débit progressivement jusqu'à la vitesse désirée
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