Cours de sensibilisation aux risques électriques

Tronc commun : TP d’introduction
Sensibilisation aux risques électriques : partie théorique
Contexte
Lors de votre scolarité au sein de Phelma, en travaux pratique ou en projet, lors de votre vie
professionnelle, vous risquez d’être confrontés aux dangers de l’électricité, ou de diriger des équipes
techniques qui y seront confrontés. Afin d’être capable d’aborder de manière raisonnée ces dangers, il
convient d’une part d’en être informé (c’est le rôle de ce cours/TP) et d’autre part d’être formés à
divers niveaux (c’est le rôle de l’habilitation électrique). L’habilitation électrique est une formation à
plusieurs niveaux délivrée par des organismes certifiés (type APAVE) et validée par votre responsable
hiérarchique. Cette formation, une fois validée et maintenue valide grâce à des recyclages réguliers
vous permettra d’intervenir ou de piloter des interventions sur des systèmes électriques.
Les risques encourus lors du travail sur les systèmes électriques dépendent du niveau de tension
présent dans le système ainsi que de la forme temporelle des signaux électriques employés (continu ou
alternatif). Le tableau ci-dessous résume les différents domaines de tension normalisés.
Niveaux de tension normalisés : Décret n° 88-1056
En l’état actuel de votre formation vous ne pouvez utiliser sans risque que des systèmes électriques
très basse tension (TBT). Vous n’êtes donc habilité à aucune manipulation de tensions supérieure à 50
volts AC ou 120 volts DC. Vous pouvez donc travailler sur :
Electronique : +/- 15 volts, 5 volts TTL, 3.3 volts
Automatismes industriels : 24 ou 48 volts
Téléphonie fixe : 48 volts
Attention, certains systèmes électroniques possèdent des parties haute tension (télévision à tube
cathodique, Flash photo, alimentations à découpage..).
Les dangers de l’électricité : normes et données physiologiques
La présence d’électricité peut présenter des dangers. Les lieux présentant de tels dangers doivent être
signalés par un pictogramme.
Risque d’électrisation : brûlures, chutes, accidents graves.
Risque d’électrocution : la mort.
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1. Les effets de l’électricité sur les muscles
Pour l'organisme on distingue deux types de muscles :
les muscles moteurs commandés par le cerveau : les jambes, les bras.
les muscles auto réflexes qui fonctionnent automatiquement, le cœur les poumons.
Les muscles moteurs assurent par leur contractilité et leur élasticité les mouvements du corps. Les
muscles, par leurs actions opposées permettent la flexion et l'extension des membres. C'est le cas du
biceps et du triceps du bras. Si les muscles sont parcourus par un courant électrique, le cerveau ne les
contrôles plus ce qui a pour effet de provoquer de violentes contractions. Ces contractions, générant
des mouvements intempestifs, se traduisent : soit par le non lâcher de la pièce ou la partie en contact,
soir par une répulsion en fonction du muscle sollicité (fléchisseur ou extenseur).
Les muscles de la cage thoracique fonctionnent automatiquement sous le contrôle du cervelet qui
commande les muscles concernés par les fonctions ventilatoire et circulatoire. Lors d'un contact
électrique, les muscles de la cage thoracique se tétanisent et il en résulte l'arrêt de ces fonctions
ventilatoire et circulatoire (poumons et cœur) ce qui provoque l'asphyxie du cervelet.
Le cœur possède ses propres systèmes de commande automatique. Au cours d'un cycle cardiaque,
d'une durée proche de 0,75 seconde, il existe une phase critique couvrant environ 30% du cycle. C'est
durant cette phase que le cœur est le plus vulnérable. Le muscle cardiaque est fondamentalement
excitable par le courant électrique. Si une électrisation, d'une durée suffisante survenait en fin de
systole, durant la phase critique appelée T, il peut en résulter un fonctionnement désordonné appelé
fibrillation ventriculaire pouvant provoquer l'arrêt du cœur. Un premier contact sans conséquence peut
être mortel la fois suivante.
L’effet de l’électricité sur les muscles est lié à la valeur du courant électrique. Le tableau suivant
résume les effets en fonction de l’intensité du courant électrique traversant le corps humain.
Intensités
Effets sur le corps humain
( f : 50 -60 Hz )
1 mA
Perception cutanée
5 mA
Secousse électrique
10 mA
Seuil de non lâché
25 mA - 3 mn Tétanisation des muscles respiratoires
40 mA - 3 s
50 mA - 1s
2000 mA
Fibrillation ventriculaire
Inhibition des centres nerveux
2. L’impédance du corps humain
Puisque la plupart des sources d’électricité utilisées délivrent une tension fixe, il est intéressant de
connaître l’impédance du corps humain. On pourra ainsi, pour une source de tension donnée connaître
les risques encourus (qui dépendent du courant traversant le corps).
L’impédance du corps humain peut se décomposer en deux parties :
- celle de l'épiderme, la plus importante.
- celle des tissus internes, comprise entre 500 et 1000 Ohms.
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L’impédance de l'épiderme est fonction de nombreux facteurs, notamment :
- la surface de contact (plus ou moins grande, humidité... )
- la pression de contact
- l'hydratation et la salinité (sueur)
- l'épaisseur de la peau
- la distance entre les points de contact
- la fréquence du signal électrique
- la valeur de la tension appliquée
Au final, la valeur moyenne de l’impédance totale du corps humain est résumée dans le tableau
suivant. De plus, la variation de cette impédance en fonction de la tension est présentée sur la courbe
suivante.
Emplacement
ou local
Résistance
du corps
humain
Courant
de non
lâché
Tension limite
conventionnelle
MOUILLE
2.500
Ohms
10 mA
25 volts
NON
MOUILLE
5.000
Ohms
10 mA
50 volts
Peau sèche
Peau humide
5kΩ
Peau mouillée
Peau immergée
2,5kΩ
25
50
250
380
Uc (V)
Une valeur importante à retenir est la tension de 50V : en dessous de cette valeur, l’impédance du
corps humain est suffisante pour que le courant qui le traverse ne présente pas de danger (I < 10mA).
Cette tension est la tension de sécurité, qui correspond à la limite haute du niveau de tension TBT (très
basse tension).
3. Les brûlures
L’électricité peut être la cause de brûlures graves, externes et internes liées à trois effets principaux :
l’arc électrique externe (flash) et la projection de matière en fusion, l’arc électrique consécutif à la
rupture diélectrique d’une partie du corps et l’effet Joules. Les brûlures sont donc un risque réel dans
trois cas :
Lors de manipulation sous tension, une erreur engendre un court circuit franc entre phase et neutre,
l’arc électrique qui en découle provoque une projection de matière en fusion et un violent flash
lumineux. L’utilisateur risque des brûlures de la peau et de la rétine.
Lors du contact avec des hautes tensions (> 1000 volts) la rupture diélectrique de la peau (claquage et
donc arc électrique) puis, suite à cette rupture une nette diminution de l’impédance du corps humains
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entraînent une augmentation du courant et plus d’effet Joules provoquant brûlures internes et externes
sur le trajet du courant.
Lors du contact avec des tensions à hautes fréquence, la capacité de la peau présente une impédance
d’autant plus faible que la fréquence est élevée, la puissance dissipée dans le corps par effet Joules est
donc importante et entraîne des brûlures comme en haute tension.
Il est évident, suite à ce paragraphe que l’on se doit, dans la mesure du possible, d’éviter tout contact
ou manipulation d’éléments sous tension. Les appareils utilisés doivent être conformes aux normes et
disposer d’un indice de protection (IP xx) adapté à leur condition d’utilisation. La mise hors tension
(déconnexion du réseau) de tout appareil dont la carcasse est endommagée ou qui est appelé à être
ouverte (dépannage) est indispensable. Le test d’appareil ne disposant pas (conception) ou plus
(dépannage) de l’isolement requis devra se faire par une personne habilitée et avec les précautions
d’usage.
Néanmoins, malgré l’isolement dont bénéficient les appareils et des systèmes électriques il demeure
indispensable de protéger les personnes contre les risques électriques en cas d’endommagement des
appareils et de protéger les systèmes contre les risques d’incendie.
Mise à la terre des appareils électriques
Pour protéger les personnes contre les risques de contact électrique, il faut isoler les pièces sous
tension (carcasses isolantes) afin d’empêcher l’utilisateur de les toucher directement ou d’empêcher la
pénétration d’objets conducteurs. L’isolement des appareils est réparti en diverses classes,
représentées par un indice de protection IP. Ces indices de protection permettent de lutter contre les
risques (accès aux pièces nues, étanchéité, ….) en fonction de l’utilisation.
Les appareils de classe I sont les appareils usuels dont la carcasse (masse) est reliée à la terre et
nécessite donc de ce fait un contrôle du potentiel de la terre afin d’éviter qu’il dépasse la tension de
sécurité TBT de 50 volts.
Les appareils de classe II (double isolation) possèdent une double carcasse isolée interdisant tout
contact entre la carcasse interne (qui peut être en contact avec des conducteurs en cas de défaut) et
l’enveloppe externe qui est touchée par l’utilisateur. La carcasse externe ne doit pas être mise à la
terre, car dans le cas d’utilisation en milieu humide, la tension maximale admissible sur le potentiel de
terre (TBT 50V AC) est trop importante (Max 25V AC cf tableau résistance du corps humain). On
trouve, dans les appareils de classe II les appareils destinés aux locaux humides (salle de bain) et
l’outillage électroportatif (travail en extérieur).
La classe III utilise des tensions d’alimentation bien plus faible (TBTS très basse tension de sécurité)
excluant tout danger pour l’utilisateur.
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En cas de carcasse métallique (donc conductrice) unique, le risque qu’un défaut sur le circuit
électrique de l’appareil vienne porter son potentiel à un niveau dangereux (> 50 volts AC) est
important ; il faut donc se protéger de ce genre de défaut en le détectant puis en l’éliminant. Un moyen
de protéger l’utilisateur est de détecter les fuites de courant consécutives au défaut, pour cela il faut
canaliser ces courants dans un conducteur, or le conducteur omniprésent dans les installations quelles
qu’elles soient est le sol. Pour mesurer ces courants on ajoute au dispositif un conducteur de terre
reliant (en France) le neutre de la distribution basse tension (240 volts 50 Hz) à la terre. De même, au
niveau de l’installation on réalise une prise de terre reliant, par un conducteur de protection PE, les
masses des systèmes au sol. On distingue donc sous le mot terre trois potentiels différents :
- Le sol dont la conductivité dépend de sa constitution et de l’humidité.
- La terre du transformateur de distribution (prise de terre du transfo) qui permet de relier le potentiel
de référence (neutre) au sol grâce à un conducteur de très bonne qualité (cuivre de forte section) et des
équipotentiels (piquets) mis dans le sol.
- La terre de l’installation qui est la liaison entre le conducteur de protection PE et le sol au moyen de
la prise de terre (câble de cuivre et piquets) dont l’impédance se doit d’être la plus faible possible.
Réalisation de la prise de terre :
Dans le bâtiment, la réalisation de prise de terre se fait en mettant au contact du sol un bon conducteur
(cuivre de forte section). Pour cela, soit on enterre le conducteur en fond de fouille (fondations du
bâtiment), soit on relie le conducteur à un ou plusieurs piquets conducteurs plantés dans le sol.
La réalisation d’une prise de terre est soumise à vérification par le Consuel (organisme de vérification
de la conformité aux normes régissant les installations électriques) qui effectue une mesure
d’impédance entre le neutre de l’installation et le conducteur de protection PE. Il mesure donc La
somme de deux impédances :
- l’impédance entre le neutre et la terre du transformateur (Rn)
- l’impédance entre la terre du transformateur et la terre du bâtiment (Ra)
C’est la somme de ces deux impédances (Rn+Ra) qui sera traversée par le courant de défaut Id. La
norme impose que la valeur de cette impédance soit inférieure à 100Ω, le courant de défaut pourra
atteindre plus de 2A pour les installations en 220V AC. De cette façon, on est sûr de détecter le
courant de défaut grâce au disjoncteur différentiel 500 mA, qui coupe alors l’arrivée de courant. Si la
résistance de terre est trop grande on court le risque de ne pas détecter les défauts sur les appareils
électriques.
Remarque : la mise à la terre du neutre de la distribution BT (régime de neutre TT, neutre à la Terre,
masse à la Terre) est un choix technologique français qui permet de détecter et protéger contre le
premier défaut. Ce choix technologique met l’installation hors service au premier défaut, ce qui, dans
le cas d’un hôpital par exemple n’est pas possible, on utilisera donc ce régime de neutre dans les
installations domestiques et industrielles ne demandant pas de continuité de service. Il existe donc
d’autres régimes de neutre. Le régime de neutre IT (neutre Impédant, masse à la Terre) ne laisse
circuler qu’un faible courant de défaut, le potentiel de masse est élevé mais le courant traversant le
corps humain est limité par l’impédance de la terre. Le dernier cas est l’isolement du neutre (c’est le
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cas lorsqu’on utilise un transfo d’isolement). Pour les régimes IT et isolement, la détection d’un
second défaut est par contre indispensable car celui-ci peut mettre l’utilisateur en danger.
Pour détecter un défaut, on mesure le courant de fuite. Cette mesure est réalisée par le disjoncteur
différentiel. Pour cela, on utilise un transformateur réalisé avec un tore en matériau ferromagnétique
sur lequel sont bobinés les conducteurs actifs (Neutre et Phase). Ces conducteurs créent dans le tore un
flux magnétique proportionnel à la somme des courants circulant dans les bobinages. Sans courant de
défaut dérivé par le conducteur de protection le flux total est nul, mais lorsqu’un défaut a lieu, un flux
non nul apparaît dans le tore. Un bobinage de détection ajouté sur le tore permet de mesurer ce flux et
de déclencher l’ouverture du disjoncteur au delà d’un certain seuil (par exemple 500 mA).
Système de détection du courant différentiel (courant de défaut) : si la différence des courants entre phase et neutre
dépasse le seuil de détection (300mA en tête d’installation, 30mA ailleurs) alors le différentiel commande l’ouverture
du disjoncteur qui lui est associé. Pour cela, la variation de flux dans le tore crée une fem e=n dΦ/dt qui pilote un
électro-aimant déclenchant l’ouverture de la protection.
La protection des personnes
Les différents cas de figure pouvant mener à une électrocution sont les suivants :
1. Electrocution par contact direct : La personne touche directement les conducteurs électriques de
l’installation. Le danger d'électrocution est ici très grand, puisque la tension de contact Uc de
230V dépasse les 50V de sécurité. Deux cas peuvent se présenter :
i.
La personne touche la phase avec une main et le neutre avec l’autre
ii.
La personne touche la phase de l’installation
Pour le premier cas, il n’y a rien à faire car le courant traverse le corps mais pas la terre (comme si on
avait branché normalement un appareil sur le réseau électrique). C’est pour éviter ce cas que l’on
conseille de n’utiliser qu’une seule main lors d’un travail sous tension. Pour le second cas, le
différentiel en tête d’installation (500mA) ne limite pas suffisamment le courant (500 mA =
fibrillation). Pour protéger la personne il faut impérativement augmenter la sensibilité du disjoncteur
différentiel en protégeant avec un 30mA.
2. Electrocution par contact indirect : La personne touche le capot métallique d’un appareil relié à la
terre mais présentant un défaut d’isolation. Ici le disjoncteur différentiel 500mA protège la
personne :
i.
Si le défaut est franc, la tension du capot de l’appareil vaut 220V, ce qui crée un
courant > à 2,2A puisque la résistance de terre est < à 100 Ω. Le disjoncteur 500mA
coupe donc l’arrivée de courant (dans toute l’installation).
ii.
Si le défaut n’est pas franc, la carcasse de l’appareil peut être portée à une valeur de
tension comprise entre 0 et 220V. Cependant, le disjoncteur 500mA limite cette
tension de défaut à 50 volts si la prise de terre est correcte (impédance < 100Ω). En
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effet, le courant de fuite maximal est 500 mA (au delà, le disjoncteur coupe le
courant), ce qui correspond à 50V sur 100 Ω. La personne est donc protégée puisque
50V est la tension de sécurité.
En conclusion, on voit que, dans une installation, la protection des personnes, nécessite deux
protections différentielles :
- une 500mA en tête d’installation limitant la tension de défaut à 50 volts et protégeant ainsi contre
les contacts indirects,
- une 30mA protégeant l’utilisateur contre les contacts directs avec un conducteur actif.
La présence des deux protections différentielles fait que ce sont les 30mA qui disjonctent en premier,
proposant à l’utilisateur une sélectivité des protections en n’isolant que la partie de l’installation en
défaut. De plus, le faible courant de défaut toléré par les 30mA permet une tolérance sur la valeur de la
prise de terre lors des diverses connexions entre appareil et conducteurs de protection.
Exemple :
On donne Rc = 2kΩ (résistance de l'homme), Ra = 20Ω , Rn négligé. L'appareil défectueux possède
une résistance de fuite de Ru =30Ω (entre phase et carcasse).
Rn : résistance de terre du neutre.
Ra : Résistance de terre de
l'utilisation.
PE : conducteur de protection reliant
la prise de terre aux masses
métalliques de l'installation.
Ic : courant corporel.
1- La personne ne touche pas la carcasse. Calculer :
- Le courant de défaut Id.
- La tension de contact Uc (tension entre la carcasse de l’appareil et la terre)
2- La personne touche la carcasse :
- Calculer le courant corporel Ic
- La personne est-elle en danger ?
Solution :
1- La résistance totale entre la phase et la terre vaut Rt = Ra+Ru = 50Ω.
On calcule Id = U/Rt = 220/50 = 4.4A
La tension de contact vaut donc : Uc = 20 * 4.4 = 88V
2- Le courant corporel vaut : Ic = Uc/Rc = 88/2000 = 44mA. (on a négligé la modification de
l’impédance totale Rt due à la mise en parallèle de la personne (2kΩ) avec la résistance de terre de
20Ω)
L'intensité de 46mA est dangereuse pour la personne : on atteint le seuil de paralysie respiratoire. On
peut également voir le danger grâce à la valeur de Uc qui est supérieure au seuil de sécurité de 50V.
En conclusion, il faut impérativement rajouter un disjoncteur différentiel 500 mA pour détecter le
courant de fuite Id et isoler l'appareil du réseau.
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La protection du matériel
Un autre risque électrique est le risque d’incendie lorsque, soumis à un fort courant les conducteurs et
la connectique s’échauffent. Pour cela, il est indispensable de protéger les conducteurs contre les
surintensités. On considère que le cuivre peut conduire sans s’échauffer 5 à 10A/mm² suivant
l’environnement (conditions de refroidissement). Ainsi les sections normalisées de conducteurs
domestiques sont :
• 1,5mm² pour les points lumineux ou prises de faibles consommation,
• 2,5 mm² pour les prises d’utilisation courantes,
• 4mm² pour les applications « gourmandes en courant » (four électrique) ou
• 6mm² les plaques de cuisson électriques,
• 10mm² pour les arrivées de courant depuis le réseau de distribution.
Par ailleurs, les fils de forte section sont généralement multibrins (pour une question de souplesse) et
supportent donc des densités de courants plus importantes.
Les limites en courant sont donc de 10A pour du 1,5mm² (6,7 A/mm²), 16A pour du 2,5mm² (6 ,4
A/mm²) lorsqu’on protège par fusible, ou 16A et 20A si les conducteurs sont protégés avec un
disjoncteur magnétothermique car celui-ci tiens non seulement compte de l’intensité du courant
(électroaimant) mais aussi de la durée pendant lequel il est appliqué (bilame).
Il est donc important que chaque conducteur possède une protection adaptée à sa section. Attention à
ne pas utiliser des conducteurs de faible section sur des circuits protégés pour des sections plus fortes,
car en cas d’une utilisation à pleine puissance (courant nominal) ce conducteur s’échauffera et le
risque d’incendie sera réel.
La connectique est aussi une source de points chauds, un mauvais serrage amène localement une
section de conducteur très faible, fortement impédante qui peut créer un échauffement pouvant
conduire à la fusion de la connectique et à des courts circuits. Il faut donc éviter les connexions
sauvages, les « dominos » et vérifier régulièrement le serrage des conducteurs sur les protections.
Attention, certaines charges (moteurs, transformateurs) ont des comportements non linéaires et
présentent des surintensités à la mise sous tension. Dans ce cas, il ne faut pas que la protection
déclenche sur ces transitoires de courant ; il faut donc des courbes de déclenchement spéciales qui
tolèrent, pendant un certain temps, la surintensité.
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Exemple d’installation domestique ou tertiaire
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Impact du schéma d’installation sur les systèmes de mesure en
électronique
Il existe plusieurs types d’appareils utilisés classiquement en électronique :
- Alimentations isolées : cette source de tension (ou de courant) ne possède pas de valeur
définie comme potentiel de référence (0V) ; celui-ci peut être choisi arbitrairement. Mais
attention, la carcasse de l’appareil connectée à la terre par la prise de terre n’est généralement
connectée à aucun potentiel ; il est conseillé à l’utilisateur de relier cette «masse» au potentiel
de référence qui est habituellement le point froid pour une alimentation simple ou le point
milieu pour une alimentation double !
- Appareils de mesure isolés : c’est notamment le cas des multimètres portables. La référence de
la mesure peut être connecté à n’importe quel potentiel.
- Appareils non isolés : notamment oscilloscope et GBF. Pour la protection des personnes, la
masse de ces appareils est reliée à la terre et pris comme potentiel de référence pour la mesure.
Il faut alors faire attention à éviter tout courts-circuits lors des mesures !! (voir exemple
suivant)
Exemple de court-circuit via la terre :
Mesure voie A
Oscilloscope
Masse Oscillo = Terre
Court-circuit
terre <=> 12V
+12 volts
Alimentation
isolée
0 volts alimentation
(à priori non fixé)
?
+
-12 volts
Connexion imposant le
0 volts de
l’alimentation à la terre
0
volts
masse à la
terre
GBF
0 volt GBF = terre
Sur ce schéma, on souhaite faire une mesure à l’oscilloscope de la tension entre l’alimentation +12V et
la sortie de l’amplificateur opérationnel. Or, même si l’alimentation est isolée, on fixe le potentiel du
0V de l’alimentation à la terre via le GBF. De ce fait, la mesure avec l’oscilloscope en prenant le
+12V comme masse provoque un court-circuit. En effet, la masse de l’oscilloscope est également
reliée à la terre. En faisant ce montage on réalise donc un court-circuit entre les sorties 0V et 12V de
l’alimentation. Ce court-circuit n’est pas évident à voir au premier abord car il se fait via la terre du
GBF et celle de l’oscilloscope. Les conséquences d’un tel court-circuit se traduiront au mieux par le
fait que le montage ne fonctionne pas : l’alimentation délivre 0V au lieu de 12V en se mettant en
limitation de courant et au pire à de la casse ! Dans le premier cas on a alors tendance à diagnostiquer
à tort un dysfonctionnement de l’alimentation plutôt qu’un mauvais branchement.
Dans cette situation il faut donc impérativement faire les mesures à l’oscilloscope en reliant la masse
de l’oscilloscope au 0V de l’alimentation isolée. De ce fait, certaines mesures (par exemple la mesure
proposée sur le schéma) sont donc impossibles à réaliser à l’oscilloscope directement.
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TP risques électriques : partie pratique
1. Objectifs
-
Sensibilisation aux risques électriques et initiation aux schémas de distribution électrique.
Conception d’un dispositif expérimental mettant en évidence les principes énoncés dans le
cours.
Travail sur la description du protocole expérimental dans le compte-rendu.
2. Préparation
Ce TP sera obligatoirement préparé avant la séance, vous devez arriver en vous étant documenté sur le
sujet à partir de la partie théorique précédente et de vos recherches personnelles. Vous rédigerez, avant
la séance, un projet de manipulation qui aura pour objectif de vérifier un ou plusieurs principes
énoncés dans la partie théorique précédente. Des suggestions de manipulations sont données plus loin
dans ce texte mais vous pouvez expérimenter sur n’importe quel point de la partie théorique qui vous
semble intéressant. Le projet de manipulation devra décrire l’objectif de la manipulation, le schéma de
câblage envisagé, le matériel mis en œuvre ainsi que ses conditions d’utilisation. On vous demande de
préparer 1 à 3 manipulations de façon à pouvoir les réaliser durant la séance de quatre heures.
Une fois les manipulations effectuées, vous devrez rédiger un compte-rendu. Celui-ci devra contenir
une présentation claire des conditions expérimentales, puis une description des résultats obtenus ainsi
que leur interprétation dans le cadre de l’objectif recherché. Si une manipulation ne donne pas
satisfaction expliquez pourquoi. Ce compte rendu sera jugé autant sur la clarté et la pédagogie de
l’écrit que sur la conception des essais. Un exemple de rédaction est donné en annexe : servez vous en
pour voir ce que l’on attend de votre rapport.
- Liste du matériel disponible
- Un transfo 220 volts/12 volts
- Trois ensembles résistance fixe + rhéostat
o 4,7Ω fixe + 0->4,7Ω variable (3A max)
o 22Ω fixe + 0->47Ω variable (0,7A max)
o 220Ω fixe + 0->470Ω variable (0,1A max)
- Un disjoncteur différentiel 300mA
- Un disjoncteur différentiel 30mA
- Un disjoncteur magnétothermique 2A
- Du câble souple multibrin 1,5mm² (rouge, bleu, vert/jaune)
- Des « dominos »
- Un tournevis
- Un oscilloscope numérique
- Un multimètre
- Une charge (1 lampe à incandescence ou des résistances de puissance)
- Un tore en ferrite
Exemples de manipulations attendues (liste non exhaustive !!!)
-
Mesure du seuil de déclenchement des différents disjoncteurs différentiels proposés.
Mesure du potentiel maximal de la masse d’un appareil lors d’un défaut en présence des
différentes protections différentielles et en fonction de la qualité de la résistance de terre.
Réalisation du tore de mesure d’un disjoncteur différentiel et mise en évidence de son principe
de fonctionnement.
Mise en évidence du problème de mesure lié à la position de la masse de l’oscilloscope.
Montage d’une installation de distribution standard (type « studio » simplifiée) et
démonstration de l’efficacité des protections dans les différentes configurations de défaut.
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3. Consignes générales
Pour des raisons de sécurité, on travaillera à une échelle de tension de 1/20 soit 12 volts @50Hz. Un
exemple de mise en œuvre est présenté ci-dessous.
Réseau réel
MT/BT
Protection
T1
T0
220/12 volts
50Hz
RTminatec
T2
Réseau de test
pour le TP
Bobine de
détection
Nm Pm
IPh
RTmanip
IN
Manip à câbler
Relai
Carcasse
métallique
Différentiel
Interrupteur
T3
PE : conducteur de
protection
Masse
Le transformateur 220V/12V joue le rôle du transformateur MT/BT d’un réseau de distribution
français, à ce titre, le neutre de la basse tension est mis la terre T2 (terre de notre pseudo réseau) la
prise de terre de notre installation T3 a une impédance RTmanip que l’on pourra fixer.
Notre montage étant alimenté par le réseau EDF la précédente description est valable pour le vrai
transformateur MT/BT dont le neutre BT est mis à la terre T0 (impédance négligée) la liaison entre la
terre Minatec T1 et T0 se fait à l’aide d’une prise de terre dont l’impédance fait au maximum 100Ω.
Pour le TP on a relié T1 et T2, on admettra que, sur la manip, T2 représente T0 dans la réalité. Le
corps humain pourra être assimilé à une résistance de 2kΩ (cf cours).
Câblage :
On vous demande de câbler « votre » installation après le transformateur 220/12 volts, le câblage sera
réalisé avec soin et ordre, on respectera, en particulier, la norme sur les couleurs de conducteur : neutre
en bleu, phase en rouge, orange ou marron, PE en vert/jaune. Attention, aucune liaison électrique ne
devra être réalisée avec le réseau EDF. Toutes les manipulations proposées se feront sur le circuit
après le transformateur abaisseur 220/12 volts.
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4. Exemple de rédaction
Efficacité d’un disjoncteur magnétothermique
Objectifs de la manipulation
On cherche à montrer le comportement d’un disjoncteur magnétothermique 2A. On veut plus
précisément mesurer les valeurs de courant pour lesquelles le disjoncteur se déclenche, d’une part en
mode magnétique et d’autre part en mode thermique.
Description de la manipulation prévue
Pour cela, nous avons recherché le principe de fonctionnement d’une telle protection, ainsi que les
courbes de déclenchement en mode thermique et en mode magnétique. Nous en avons conclu que pour
déclencher une telle protection, il était nécessaire :
- soit de la soumettre suffisamment longtemps à un courant supérieur à 2A pour le
déclenchement thermique,
- soit de la soumettre à un courant impulsionnel d’amplitude très supérieure à 2A pour le
déclenchement magnétique.
Nous prévoyons donc deux expériences basées sur le schéma électrique présenté en figure 1.
Transfo
240/24
T2
Nm Pm
Disjoncteur
magnétothermique
IPh
Voie A
oscillo
A
Rch
IN
masse
oscillo
Figure 1 : schéma électrique utilisé pour mesurer le comportement du disjoncteur
L’ampèremètre situé sur la phase sera branché sur le calibre 10A et servira pour mesurer le courant
traversant le disjoncteur. L’oscilloscope sera utilisé pour visualiser l’évolution de la tension lors de la
mise en route du disjoncteur. La résistance de charge Rch sera dans un premier temps de 6Ω (ce qui
devrait causer un courant de 2A) pour tester le comportement thermique. Par la suite, cette résistance
sera remplacée par une résistance de 1,2Ω (pour créer un courant de 10A, limité par l’ampèremètre),
ce qui devrait nous permettre de visualiser le comportement magnétique.
Description de la manipulation réalisée
Compte tenu du matériel disponible en salle de TP, nous ne pouvons pas atteindre un courant de 10A
à cause du transformateur 240/12 volts, qui limite le courant délivré à 2A. Le seul déclenchement que
nous pourrons donc mettre en évidence est le déclenchement thermique. Malheureusement, une
résistance de 6Ω, 24W n’est pas disponible en salle de TP. Nous avons donc réalisé un court circuit
phase-neutre à la place de la résistance Rch. L’ampèremètre utilisé est un modèle numérique dont
l’entrée est sur le calibre 10A. Il permet de mesurer le courant efficace dans le conducteur de court
circuit. Un oscilloscope numérique réglé en monocoup, avec une base de temps de 1s et visualisant la
tension après le disjoncteur permet de mesurer le temps de déclenchement de la protection.
(description des résultats obtenus)
La première expérience est conduite avec un fil de 1,5 mm² de section. La protection déclenche alors
correctement et on remarque que le fil ne subit aucun dommage ni échauffement durant l’essai. Les
oscillogrammes relevés (figure 2) montrent l’instant de la mise sous tension T0 et l’instant du
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déclenchement T1. On mesure un temps de déclenchement Td=T1-T0 de 3 secondes. Par ailleurs, on
remarque aussi que l’on ne peut pas ré-enclencher tout de suite après un déclenchement de la
protection. Le même essai conduit avec un conducteur constitué d’un seul brin du conducteur
multibrins et avec des lunettes et des gants de protection a conduit à la destruction du conducteur
avec projection de métal en fusion, sans que la protection ne déclenche.
Analyse des résultats
La valeur de 3 secondes pour le temps de déclenchement est cohérente avec la courbe de
déclenchement fournie par le constructeur pour un courant efficace de 2A. Par ailleurs, le fait que
l’on ne puisse pas re-déclencher la protection instantanément prouve que c’est bien le bilame
(protection thermique) qui a déclenché : celui-ci doit alors refroidir pour que la protection soit à
nouveau opérationnelle. Finalement, les essais conduits avec 2 fils de sections différentes montrent
bien que pour être efficace, la protection doit être adaptée au conducteur à protéger.
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