Sécurite électrique

_____________________________________________________________________________________________
Sécurité électrique - 1
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble
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 cos ψ = 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 cos ψ = 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!

_____________________________________________________________________________________________
Sécurité électrique - 2
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble
1-2
)
Transport
du
courant
triphasé
Al t ernat e ur
éléva t eurab
aisseur a bai
sseur
1 000V
100m
5 0 0k m
MT 4 0 kV
B T 2 20/380V
1
2
3
N
HT 400kV
tra n sfo
t ransfo
transfo
1 0 km
1k m
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 cos φ , 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 (ef ficaces) 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

_____________________________________________________________________________________________
Sécurité électrique - 3
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble
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 S éparés
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.

_____________________________________________________________________________________________
Sécurité électrique - 4
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble
N
R
Ph Ph
N
PE
Ra
Rd
Rh
V
Uc
I1+ I2
I1
I1
Réseau EDF
installation utilisateur
Rb
I2
I1+ I2
I2
I1+ I2
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

_____________________________________________________________________________________________
Sécurité électrique - 5
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble
N
R
Ph Ph
N
PE
RaRd
Rh
V
Uc
I1
Réseau EDF
installation utilisateur
I1
I2
I2
I1+I2
Rb
Rc
I1+I2+InIn
I1+I2+In
In
magnéto-
thermique
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
RbI2 = 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 :