Montage n° 26 Distribution du courant électrique

Montage n° 26
Distribution du courant électrique ; sécurité des personnes et des matériels.
Introduction
L’utilisation d’appareils électriques munis de prises électrique et raccordés au secteur est
maintenant généralisée. Mais qu’est-ce qui arrive jusqu’à nos prises ? Au cours de ce montage,
nous allons aborder la distribution du courant électrique et la sécurité des biens et des
personnes.
I. Quelles sont les caractéristiques de la tension du secteur
Dans un premier temps, il est intéressant de caractériser la tension du secteur. Pour des
raisons de sécurité, et pour rester dans les limites d’utilisation du matériel, nous ne pouvons
pas effectuer les mesures directement sur le secteur. Nous allons utiliser un transformateur
abaisseur de tension 230V-6V. Tous les paramètres outre la tension, seront conservés.
On fait des constatations sur l’allure du signal et on
mesure la période.
Conclusion : la tension du secteur est :
• Alternative – sinusoïdale
• T=20 ms
• F=1/T=50 Hz
• Ueff=230 V
II. Comment transporter et distribuer le courant alternatif ?
II.1 Le transport
Le réseau français de production d’énergie électrique comporte essentiellement des centrales
hydrauliques, des centrales thermiques et des centrales nucléaires. La tension délivrée en
sortie de centrale est triphasée. EDF achemine l’énergie électrique des centrales de production
vers les usagers grâce à un réseau de transport aérien et enterré. Comment le courant produit
peut arriver jusqu’à nous ?
Rq : on utilisera une source de tension alternative 6V pour des raisons de sécurité. Cette
tension modélisera la tension du secteur.
II.1.1 L’habitation est proche d’une centrale de production
la lampe symbolise l’habitation. Elle éclaire normalement.
II.1.2 L’habitation est éloignée d’une centrale de production
Que se passe t’il si l’habitation est éloignée de la centrale de production ? il y a des lignes de
transport de l’électricité, c’est à dire des longueurs de fils
conducteurs. On modélise avec une maquette Pierron, ou
avec une résistance variable (entre 0 et 100Ω).
+ la distance centrale maison est grande (on augmente la
valeur de R), - la lampe brille.
On va effectuer des mesures qualitatives. I=216 mA
V1=6,36 V P1=1,37 W (puissance active)
V2=5,46 V P2=1,18 W (puissance active)
Calculons l’énergie perdue en ligne : P
L
=  13,86 %
On explique ces pertes par des pertes par effet joule dans les câbles de transport du courant.
[3] Pj=rI
2
P=UIcosφ Pj=
A puissance distribuée donnée, pour limiter ces pertes, on peut diminuer r=ρl/S (mais déjà
optimisé en utilisant des matériaux ayant une très faible résistivité), augmenter cosφ (déjà
imposé >0,9 par EDF), augmenter U. On va donc effectuer le transport sous haute tension.
oscillo
V1 V2
A
6V
∼
6V ∼

la lampe brille normalement.
I=1548 mA
V1= 6,36 V
V2= 52,9 V
V3= 52,7 V
On calcule les puissances
actives
Les pertes en lignes sont
égales à P
L
=  2,84 %
II.2 La distribution
Comment sont câblées les installations électriques des habitations ? en série ou en parallèle ?
On peut zapper les expériences de cette partie qui sont du programme de 4
ème
… et énoncer le
fait que les installations sont câblées en parallèle.
II.2.1 Série
Montage avec 2 interrupteurs et 2 lampes
Si montage série, l’extinction d’une lampe entraîne l’ouverture du circuit dans toute l’installation.
II.2.2 Parallèle
Montage avec 2 interrupteur et 2 lampes
L’extinction d’une lampe d’affecte pas le reste du circuit. C’est ce type de câblage qui est réalisé
dans les habitations.
II.2.3 Les prises électriques
Phase/Neutre/Terre
III. Les dangers pour l’homme et les matériels et les moyens de protection
III.1 Pour les matériels
III.1.1 Les dangers
Les dangers pour les matériels sont les surintensités. Elles provoquent des échauffements des
appareils (P=rI
2
) et peuvent entraîner des incendies. Elles sont dues
• à la surcharge :
o lorsque plusieurs appareils sont branchés en même temps (en parallèle), on voit
que l’intensité dans la branche principale augmente.
o Lors d’un disfonctionnement d’un appareil (appel important de courant)
• Aux court-circuits : toute l’intensité passe dans la branche en court circuit
III.1.2 Les moyens de protection
Le principe général des moyens de protection, que ce soit
pour les matériels ou pour l’homme, est d’ouvrir le plus
rapidement possible le circuit.
Il existe 3 moyens de protection pour les matériels :
• Les fusibles
• Le disjoncteur thermique (bilame constitué de 2
matériaux de coeff de dilatation différent)
• Le disjoncteur magnétique (noyau de fer attiré par
un bobine traversée par un courant fort : le circuit
s’ouvre)
Expérience sur les fusibles : QUARANTA IV p.433
Matériel : une source de courant réglable, un ampèremètre,
différents fusibles (200 mA, 500mA…)
Augmenter l’intensité jusqu’à ce que le fusible saute (en fait, le
fusible contient un élément métallique à faible point de fusion
(en général du plomb Tf=327°C), qui fond). On comparera
l’intensité de coupure indiquée sur le composant avec l’intensité
réelle.
V1 V2
Elévateur
de tension
6V
–
48V
Abaisseur
de tension
48V
–
6V
V3
A
6V
∼
A
I
fusible

On trouve ces protection au niveau de l’installation, mais aussi au niveau des appareils eux-
mêmes (prévue par le constructeur : ex : thermique dans les sèche-cheveux ou dans un
moteur)
III.2 Pour les individus
III.2.1 Les dangers
Les dangers pour l’homme sont l’électrisation ou passage d’un courant
dans le corps pouvant entraîner l’électrocution (mort). Cela peut arriver :
• Par contact direct (entre la phase et le neutre ou entre la phase et
la terre)
• Par choc indirect : lorsqu’il y a un défaut dans un appareil et
que la carcasse de l’appareil se trouve en contact avec la
phase
A partir de quelle intensité est-ce mortel ? On parle généralement d’un
courant alternatif de 30 mA. A quelle tension est-ce que ça
correspond ?
U=RI avec R résistance du corps. Au fait, quelle est sa valeur ?
Avec ohmmètre : exp qualitative : les mains sèches et les main mouillées. R dépend de
l’environnement et de l’état du corps (normes accrues dans les lieux humides (SdB)). La
résistance du corps diminue en cas d’humidité. Donc dans les lieux humides, le risque est +
grand.
III.2.2 Les moyens de protection
III.2.2.1 Contact phase-neutre
Il n’existe aucun moyen de protection autre que la bienveillance des individus. En effet,
comment différentier un homme d’un appareil électrique ?
Il existe des clips dans les prises qui évitent d’y introduire volontairement des objets (petits
enfants). Souvent, l’accident est involontaire. Il faut couper l’alimentation lors de travaux sur le
réseau électrique.
III.2.2.2 Contact indirect phase-terre
Utilisation de la maquette Pierron MT1150 –
Quaranta IV p.439
Défaut sur l’appareil : la phase se trouve reliée à
la carcasse de l’appareil ? Si l’homme touche la
carcasse, il est électrisé.
1
er
Moyen de protection : relier la carcasse de la
machine à la terre = prise de terre dans tous les
appareils possédant une carcasse conductrice =
borne male des prises de courant. (toutes les terres
de la maisons sont reliées à une électrode plongée
profondément dans le sous sol de la maison). Mais
attention : pour que le courant passe
préférentiellement par ce chemin, il faut que la
résistance de la terre soit inférieure à la résistance
de l’homme. Il faut donc que la résistance de la
terre ne soit pas trop élevée.
Expérience avec une mauvaise terre : danger : le courant passe toujours par l’homme. Lors
de la construction des maisons, des vérifications sont faites par EDF pour vérifier que la
résistance de la terre n’est pas trop élevée.
Expérience avec une bonne terre : OK, le courant passe dans la terre.
Mais ce moyen de protection, même s’il est suffisant pour la santé de l’homme, il ne permet pas
d’identifier le défaut sur l’appareil.
2
ème
moyen de protection : le disjoncteur différentiel.
Principe : si un courant de fuite est détecté (i
phase
≠ i
neutre
),
alors le circuit est instantanément ouvert. Ce moyen de
protection est utile à la fois dans le cas d’un contact direct
i
φ
i
n
i
f

phase-terre, que dans le cas d’un contact indirect phase-terre. Tant que le défaut n’est pas
éliminé, on ne peut pas refermer le circuit.
Expérience bonne terre, défaut machine : ça disjoncte.
3
ème
moyen de protection : le transformateur d’isolement. (p.502 Quaranta IV)
Les moyens de protections précédents
sont efficace si et seulement si la
résistance de la terre est plus faible
que celle de l’individu. Dans les lieux
humides, la résistance de l’homme
étant extrêmement faible, on ajoute
une protection supplémentaire : le
transfo d’isolement (dans toutes les
armoires de salle de bain)
Le système d’alimentation se trouve complètement isolé du circuit phase/neutre. Il y a toujours
danger si on touches les 2 bornes de l’alimentation, par contre, aucun danger lorsqu’on touche
une borne et la terre, la terre étant désolidarisée du circuit, celui-ci ne peut plus être fermé et le
courant ne circule plus. L’inconvénient de ce système et qu’un défaut dans un appareil ne peut
pas être identifié
Conclusion
La sécurité électrique est un aspect qu’il ne faut surtout pas négliger. Même s’il existe des
moyens de protection, comme nous l’avons vu dans ce montage : mise à la terre des carcasses
conductrices d’appareils, disjoncteurs différentiels, coupe-circuit, blindage (un appareil n’est pas
mis à a terre, mais sa carcasse et isolante), il faut rester vigilant dans sa façon de faire. Au
laboratoire, on travaillera à des tensions inférieures à 50 V en sinusoïdales et inférieures à 120
V en continu. On veillera, en TP, à effectuer les montages alimentation éteinte, à allumer
l’alimentation en dernier et à l’éteindre en premier. On ne joue pas avec la vie des élèves…
BIBLIO
• Bellier Dunod chap 15 p.291 [1]
• Duffait capes p.17 [2]
• Quaranta IV p.428, 487 et 500 (transfo) [3]
Questions
Principe d’un disjoncteur magnétique
Principe du bilame (disjoncteur thermique)

principe du disjoncteur différentiel
Schéma d’une installation type