Protection des matériels et des personnes dans les installations électriques

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1 Protection des matériels et des personnes dans les installations électriques Pour protéger une installation électrique ou les personnes qui l'utilisent, il va falloir détecter les défauts (surcharge, courts-circuits, surtensions, baisses de tension ) avant de les neutraliser, le plus souvent en coupant le courant dans le circuit incriminé. Nous allons maintenant préciser la nature de ces défauts avant de présenter les différents systèmes permettant de couper le courant dans une installation. Nous distinguerons la protection des installations et du matériel, de la protection des personnes, qui n'imposent pas les mêmes contraintes (délais de détection, ordre de grandeur des courants limites ). Nous verrons que l'être humain est bien fragile et qu'il est préférable d'en tenir compte. I. La protection des matériels. I.1. Les défauts dans les installations électriques. I.1.1. Les surcharges. Ce défaut provient d'une charge qui appelle une puissance trop importante pour la ligne d'alimentation. Ceci se traduit par un appel de courant tel que l'installation voit sa température augmenter au delà ses limites normales de fonctionnement. On observe alors une usure des isolants pouvant conduire à la longue à d'autres défauts (courts-circuits ). Ce type de défaut est bien entendu d'autant plus grave que le courant appelé dépasse fortement les limites définies pour l'installation. En effet, les échauffements provoqués seront alors de plus en plus importants et entraîneront une usure de plus en plus rapide des isolants. Pour éviter les effets de ce type de défaut, il va falloir couper le courant dès que celui-ci va dépasser les limites autorisées. Pour cela, on peut utiliser des fusibles (gg ou gi), des contacteurs avec relais thermique ou encore des disjoncteurs (à coupure d'autant plus rapide que l'intensité est importante). Exemple de surcharge: excès d'appareils électriques fonctionnant en même temps sur la même phase (radiateur + machine à laver + un appareil branché occasionnellement sur un prise + ). I.1.2. Les courts-circuits. Il s'agit de la mise en contact de deux conducteurs portés à des potentiels différents. Ceci provoque alors une brutale augmentation du courant et donc des échauffements importants conduisant à la dégradation des isolants (ce qui risque de provoquer d'autre courts circuits ). On peut également observer des arcs électriques, si les conducteurs n'étaient pas strictement en contact. Pour se protéger des courts-circuits, on pourra utiliser des fusibles (gi, gg ou am), ou un disjoncteur à relais magnétique (coupure plus rapide que l échauffement ). Exemple de court-circuit: deux fils dénudés ou deux fils dont l'isolant à été usé (par exemple par des surcharges); deux phases qui se touchent (oiseau touchant deux phases d'une ligne électrique). I.1.3. Les surtensions. La surtension est souvent d'origine inductive. Elle peut être provoquée par des phénomènes de résonance sur le réseau électrique, par la foudre Une surtension importante peut provoquer un claquage des isolants de l'installation (diélectriques), ce qui risque de provoquer des courts-circuits. Pour éviter ce genre de défaut, on peut séparer les conducteurs portés à des niveaux de tensions différents dans les canalisations. Dans les zones ou les installations à risque, on installe des parafoudres I.1.4. Les baisses de tension. Elles sont souvent provoquées par des déséquilibres dans les réseaux triphasés et elles entraînent un mauvais fonctionnement des récepteurs (mauvais éclairage par exemple). Pour palier à ce genre de défaut, on utilise des relais à minima de tension. I.2. Les dispositifs de protection. I.2.1. Présentation générale. Nous allons détailler la nature des différents dispositifs (fusibles, contacteurs, disjoncteurs, parafoudres ) que nous avons évoqués au paragraphe précédent. Nous verrons que la détection des défauts peut être liée: - à un effet thermique comme la fusion d'un fusible ou la rupture d'un contact d'un bilame (ferronickel/invar). 1

2 - à un effet magnétique: une surintensité provoque la fermeture d'un circuit magnétique ce qui entraîne l'ouverture d'un contact. La détection permet, par la même occasion, l'élimination des défauts. rq: la séparation de deux pièces sous tension lors d'une coupure de courant entraîne l'apparition d'un arc électrique. Pour réellement interrompre le courant, il va falloir couper cet arc. C'est ce qu'on appelle le soufflage de l'arc. I.2.2. Grandeurs caractéristiques des appareils électriques. Les dispositifs de protection que nous allons détailler permettent d'éviter les effets néfastes des surintensités ou des surtensions. Pour choisir le niveau de protection (fonction de l'appareil à protéger), on se base notamment sur les caractéristiques suivantes : - courant nominal (courant assigné): valeur de l'intensité que peut supporter l'appareil de protection en fonctionnement normal. - tension nominale : tension maximale de fonctionnement normal du dispositif. - pouvoir de coupure : courant maximal pouvant être coupé sous tension nominale. - tension d'isolement : tension qui peut être supportée sans détérioration des isolants. - tension assignée de tenue aux chocs électriques : tension supportable par un appareil lors d'une surtension (foudre, mise sous tension ). - Durée de vie : nombre de cycles de fonctionnement que peut réaliser le dispositif de protection. I.2.3. Les fusibles. Le fusible est un appareil de connexion permettant d'ouvrir un circuit par fusion d'un élément calibré. Les éléments fusibles peuvent se présenter sous forme de cartouches cylindriques ou de cartouches à couteau. Les fusibles sont symbolisés de la façon suivante: 2

3 On distingue plusieurs classes de fusibles: - classe gi et gg : protègent contre les surcharges et les courts circuits (usage général). - classe am : fusibles d'accompagnement moteur qui protègent contre les courts-circuits Il faut noter qu'en plus des grandeurs nominales de fonctionnement, il est nécessaire de considérer la durée séparant l'instant d'instauration du courant dangereux et la fusion de l'élément fusible. C'est pourquoi on définit la courbe de fusion donnant le délai de fusion en fonction du courant traversant le fusible. I.2.4. Les sectionneurs. Un sectionneur est un appareil mécanique de connexion permettant de fermer ou d'ouvrir un circuit pour mettre une installation électrique hors tension. L'ouverture doit se faire à courant nul ou suffisamment faible et la fermeture ne doit pas se faire avec un fort appel de courant. Contrairement au cas précédent, le fonctionnement est imposé par un élément extérieur (observateur ou commande), sauf dans le cas des sectionneurs à fusible, si le fusible entre en action. Pour l'usage domestique, la présence d'un sectionneur est obligatoire en tête de circuit (sectionneurs à fusible avec coupure du neutre). I.2.5. Les disjoncteurs. Le disjoncteur est un appareil mécanique permettant l'établissement ou la coupure d'un courant lors du fonctionnement normal d'un circuit. Il peut aussi interrompre le courant lors de courts-circuits. Dans un tel dispositif, on associe un système permettant manuellement l'ouverture et la fermeture du circuit à des éléments assurant une protection contre les surcharges et les courts circuits. La protection contre les surcharges sera assurée par détecteur thermique (élément bilame) alors que la protection contre les courts circuits sera assurée par un déclencheur électromagnétique (Cf I.2.1.). Pour caractériser un disjoncteur, on se réfère à la courbe de déclenchement représentant le délai de coupure en fonction de l'intensité à couper. Elle comporte deux zones correspondant au fonctionnement du relais thermique et du relais magnétique. I.2.6. Les parafoudres. Le principe du parafoudre consiste à assurer un lien entre les conducteurs actifs et la terre au moment de la surtension provoquée par la décharge. L'impédance présentée par le parafoudre doit être très faible lors de la surtension et élevée lors du fonctionnement normal. Son comportement est celui d'une varistance (impédance variable en fonction de la tension). 3

4 Le niveau kéraunique d'une zone représente le nombre de jours par an où l'on observe la foudre (lorsque ce niveau dépasse 25, les installations alimentées par lignes aériennes doivent être protégées par parafoudre). II. La protection des personnes. Les dispositifs utilisés pour protéger les personnes sont différents de ceux utilisés pour protéger les installations électriques, notamment parce que le seuil de détection des défauts doit être beaucoup plus faible. II.1. Les effets du courant électrique sur l'organisme. Le choc électrique est l'effet ressenti lors du passage d'un courant électrique à travers le corps. L'intensité du choc dépend de l'intensité I du courant et donc de l'impédance présentée par le corps humain. I < 5mA : pas de danger. 5 ma < I < 20 ma : picotement et crispation des muscles. Danger dû à la perte de contrôle de certains muscles (chute, gestes involontaires ). 20 ma < I < 30 ma : tétanisation des muscles et risque d'asphyxie. I > 30 ma risques d'accident cardiaque (fibrillation et arrêt cardiaque). Il faut noter que l'impédance présentée par le corps humain dépendra beaucoup du parcours du courant et de l'état d'isolation aux extrémités concernées (mains humides ou sèches ; port de chaussures isolantes ou non ). La résistance du corps peut alors évoluer entre 1 kω et 50 kω environ. Ainsi, sous une tension donnée, les effets d'une électrocution peuvent être plus ou moins grave (et mieux vaut présenter une impédance élevée). La durée d'exposition est également très importante. Des études cliniques sur les effets du courant électrique ont permis d'établir, en fonction de la tension de contact, la durée d'exposition à la tension qui est supportable. Ces données sont résumées dans les courbes de sécurité, fournies pour différents niveaux de tension de contact limite. Cette dernière représente la valeur de tension supportable indéfiniment sans danger et dépend du type de milieu considéré (bureau, chantier, piscine ), sachant que l impédance d un individu dépend de l endroit où il se trouve... II.2. Les différents types d'accidents électriques. On distingue principalement deux types d'accidents électriques, les contacts directs et les contacts indirects. Lors d'un contact direct, l'accidenté touche directement les parties actives d'un système électrique sous tension. 4

5 En revanche, dans le cas du contact indirect, l'accidenté va entrer en contact avec des masses (parties métalliques normalement isolées des parties sous tension du dispositif) mises accidentellement sous tension (échelle métallique entrant en contact avec une ligne, perçage d'un mur qui se termine sur une ligne électrique, carcasse d'une machine à laver mise sous tension à cause d'une mauvaise isolation des conducteurs ). II.3. Principe du disjoncteur différentiel. Ce disjoncteur comporte un circuit magnétique torique sur lequel on bobine la (ou les) phase (s) et le neutre. En l'absence de courant de fuite, les flux produits par chacun des bobinages se compensent. Le flux global dans le circuit magnétique est alors nul. En cas de défaut, l'apparition d'un courant de défaut provoque l'apparition d'un flux dans le circuit. Ce dernier est détecté par l'intermédiaire d'un bobinage enroulé sur le tore relié à un électro-aimant qui provoque l'ouverture du circuit. On distingue les disjoncteurs de moyenne sensibilité (1A à 100 ma) des disjoncteurs de haute sensibilité (30 ma à 6 ma). Toutes les installations alimentées par EDF doivent être protégées par un disjoncteur différentiel placé en tête de l'installation. Pour éviter que l'ensemble de l'installation ne soit coupé en cas défaut, on peut installer d'autre disjoncteurs différentiels de haute sensibilité sur les différentes parties de l'installation. rq: ce type de dispositif existe aussi en triphasé (cette fois ce sera la somme des flux résultants de chacune des phases qui devra s'annuler). II.4. Protection des personnes en cas de contact direct. Quand c'est possible, on cherchera à mettre les parties actives hors de portée (boîtiers de protections, lignes aériennes ou enterrées ). Sinon, on doit veiller à assurer une isolation rigoureuse des conducteurs sous tension. Dans les zones à risques, on utilise la très basse tension de sécurité (TBTS). Tension alternative Tension continue exemples 50 V 120 V habitations, bureaux 25 V 50 V chantiers, locaux humides 12 V 25 V piscines, salles d'eau Dans certains cas, on peut également utiliser un disjoncteur différentiel à courant résiduel (DDR) de haute sensibilité (30 ma). Cependant, il faut noter qu'en cas de contact entre deux conducteurs à des potentiels différents, les courants de fuite seront souvent très faibles (sous le seuil de détection du DDR) et la protection sera alors inactive (cas des doigts dans le prise!). II.5. Protection des personnes en cas de contact indirect. Suivant le type de connexion du neutre de la source et des masses des appareils avec le terre (régimes de neutre), il est nécessaire de prévoir des structures de protection différentes. II.5.1. Les régimes de neutre. La norme C définit trois régimes de neutre caractérisés par deux lettres. La première définit la relation entre le neutre de l'alimentation et la terre. T signifie que ce point est relié directement à la terre (liaison très basse impédance) alors qu'un I signifie qu'il est isolé (liaison par une forte impédance). 5

6 La seconde permet de préciser la relation entre les masses de l'installation et la terre. Un T signifie, là encore, une liaison directe (basse impédance) alors qu'un N signifie que les masses sont reliées au neutre de l'installation. Les types de connexion rencontrés sont TT, TN et IT. II.5.2. Cas du régime TT. Ce système est employé pour la distribution d'énergie par le réseau basse tension. On rappelle que le neutre de la source est mis à la terre ainsi que l'ensemble des masses de l'installation (masses reliées entre elles et mises à la terre). Ce type d'installation est recommandé ou imposé pour les bâtiments alimentés par le réseau public Considérons un système où le neutre de la source est relié à la terre (via une résistance R n suffisamment faible) et où les masses de l'installation sont reliées entre elles et envoyées à la terre via une résistance R a suffisamment faible. On considère que le défaut (liaison entre le phase et la carcasse) peut être modélisé par une résistance R d (forcément très faible ). Une partie du courant arrivant par la phase ne revient pas par le neutre mais passe à la terre via R a. Ce courant est appelé courant de défaut. Le disjoncteur différentiel va couper si ce courant de défaut est supérieur à sa sensibilité. On a intérêt à avoir R a le plus faible possible afin que le défaut soit détecté. Le courant de défaut vaut alors Us Id = R a + R n + R d Supposons que la tension U s de la source soit celle du réseau (230V environ), que R a = 20Ω, R n = 10 Ω et que R d 0Ω (défaut franc). On a alors I d = 7,7A soit une tension U d =R a.i d de 154 V (risque mortel compte tenu de l'impédance moyenne d'un être humain voisine de 5000Ω). Un défaut dans une structure TT provoque donc une élévation dangereuse du potentiel des masses dont l'isolation est défectueuse. Pour assurer la protection des individus, on doit installer un disjoncteur différentiel dont la sensibilité doit être inférieure au courant I n défini par: I n = U L /R a où U L est la tension de sécurité (50V ou 25V). Ainsi, s'il y a un défaut (départ d'un courant vers la terre), le potentiel des masses ne devra pas s'élever au delà d'un seuil de tension assurant la sécurité de l'utilisateur. rq: on constate que le dispositif de protection doit être dimensionné en fonction de la qualité de la mise à la terre des masses (valeur de la résistance de liaison). Dans le cas d'une mise à la terre parfaite (R a =0Ω), la protection ne serait plus nécessaire C'est hélas impossible, d'où l'obligation d'une protection différentielle en tête d'une installation de type TT. II.5.3. Cas du régime TN. Dans ce type d'installation, les masses des appareils sont reliées au neutre de la source, lui-même relié à la terre. L'avantage de ce système est d'assurer une protection des personnes avec les dispositifs existants de protection contre les courts-circuits sans que l'on ait à ajouter de dispositif de protection supplémentaire (différentiel ou autre). On distingue deux types de système TN. Le système TNC correspond au cas où la liaison neutre-masses est assurée par un seul conducteur. En revanche, dans le cas du système TNS on a deux conducteurs séparés, l'un assurant la liaison entre le neutre et les masses, l'autre apportant un point neutre (ce fil peut éventuellement être coupé). Dans le cas d'un défaut sur un système de type TNC, on est ramené au schéma électrique suivant: 6

7 L'existence d'un défaut conduit à une situation proche du court-circuit phase-neutre. Ce sont alors les dispositifs de protection contre les courts circuits (disjoncteurs ou fusibles) qui devront assurer la protection des utilisateurs. Pour cela, on devra les dimensionner de façon particulière (norme NF C ). A titre d'exemple, pour un système TN, pour différentes valeurs de U 0, tension entre phase et terre, la norme impose les temps de coupure suivants: U 0 (V) t (s) pour U L = 25V t (s) pour U L = 50V 127 0,35 0, ,2 0, ,05 0,2 Les contraintes imposées par la norme, on été définies en se référant aux courbes de sécurité. Ces courbes indiquent la tension de contact U c supportable pour une durée donnée. Elles sont différentes suivant la tension de sécurité U L imposée pour le lieu à protéger (U L est la tension supportable indéfiniment sans danger et dépend de la nature du lieu à sécuriser, notamment en ce qui concerne l'humidité). Ces courbes résultent d'études médicales sur la dangerosité des courants sur le corps humain. Dans le cas qui nous intéresse, il s'agit des courbes en régime alternatif (Cf II.1.). Pour connaître précisément les tensions de contacts et donc assurer au mieux la sécurité, il faudra une connaissance précise du système électrique. On pourra alors calculer le courant de défaut et la tension de contact. rq: U L = 50V est imposé dans les locaux secs (bureau), U L =25V est imposé dans des locaux humides (chantiers) et U L = 12V est imposé dans des endroits immergés. II.5.4. Cas du régime IT. Ce régime permet d'assurer une protection des personnes sans qu'il y ait coupure (meilleure continuité de service). On le retrouve dans le cas d'installations disposant d'un transformateur privé. Le neutre de la source est isolé de la terre (impédance importante entre neutre et terre) et les masses des appareils sont reliées à la terre. Nous allons voir que dans le cas où un seul défaut survient, il n'est pas nécessaire d'assurer la coupure de l'installation. Mais si un autre défaut survient, les tensions de contact deviennent très dangereuses. En effet, supposons qu'il existe un et un seul défaut dans l'installation entraînant un contact électrique entre une phase et la terre comme ceci est présenté sur la figure suivante: Supposons que Z = 50 kω, que le défaut soit franc (résistance nulle), que le fil de connexion de la masse à la carcasse des appareils représente une résistance R = 10 Ω et que la tension de phase soit de 230V. Alors le courant de défaut serait I d = 230/( ) = 4,6mA. Le potentiel de la masse défectueuse serait porté à V = R.I d = 46 mv par rapport à la terre, ce qui est sans danger compte tenu de la résistance équivalente présentée par un être humain. En revanche, si un deuxième défaut vient s'ajouter au premier, le circuit devient très dangereux, car on peut cette fois définir une boucle qui ne passe pas par l'impédance d'isolation Z mais par deux phases ce qui conduit à avoir la différence de deux phases (déphasées!) presque en court circuit (ou plutôt débitant sur une impédance très faible). La différence de potentiel entre les deux masses est alors très dangereuse (presque la différence de deux phases). Dans ce cas, le circuit du second défaut doit être déconnecté immédiatement à l'apparition de ce dernier. 7

8 Pour assurer une bonne protection, il faut s'assurer de la présence du premier défaut (mais la coupure n'est pas encore impérative). Pour cela, on utilise un contrôleur permanent d'isolement. Lors de l'apparition du second défaut, il faut impérativement couper et on distingue deux cas: - si les masses sont reliées indépendamment ou par groupe à la terre, ce sont les dispositifs de protection différentiels qui vont assurer la coupure (des courants partent à la terre ). - si les masses sont interconnectées (cas de la figure), ce sont les protections contre les surintensités (fusibles, disjoncteurs) qui assureront la coupure. rq: le contrôleur permanent d'isolement est un dispositif constitué d'un générateur imposant une tension entre le réseau et la terre. Le courant de fuite mesuré par l'appareil indique alors le niveau d'isolement. Il va informer l'utilisateur par l'intermédiaire d'un signal sonore par exemple. 8

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