Manipulation IED303 Les installations électriques domestiques

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1 Manipulation IED303 Les installations électriques domestiques 1. Introduction 1.1 Buts de la manipulation Cette manipulation a pour but de vous familiariser avec les différents concepts présents dans une installation électrique domestique, tels que : la mise à la terre, le fonctionnement et l utilité d un disjoncteur, le fonctionnement et l utilité d un disjoncteur différentiel, l influence de l impédance de terre, les différents types de court-circuit, Les informations utiles au laboratoire se trouvent dans les pages qui suivent. Il vous est également demandé de lire attentivement le point du chapitre 8 du cours. 1.2 Nature et importance des accidents électriques Dans toute installation électrique, la sécurité est primordiale. Les risques d électrocution 1 ou d incendie sont bien réels. Pour protéger les personnes, des analyses physiopathologiques sur le comportement du corps humain vis-à-vis du courant électrique ont été effectuées. Il en résulte que l impact du courant dépend d un grand nombre de facteurs tels que la nature du courant (alternatif, continu, pulsé, ), la durée du passage, les conditions de contact et les caractères propres à l individu. A partir de ces études, on a pu déterminer des courbes délimitant les zones tempscourant de sécurité pour lesquelles il n y a aucun danger de fibrillation ventriculaire. La Figure.1 présente une telle courbe, obtenue pour du courant alternatif passant de la main gauche aux deux pieds. Figure 1 : Courbe de sécurité 1 Electrocution : accident mortel dû à l électricité Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 1

2 Le fait de se trouver dans la zone de sécurité implique uniquement que la fibrillation ne surviendra pas. Néanmoins, tout danger n est pas écarté comme on peut le voir sur la figure suivante (Figure.2). Celle-ci montre l impact d un courant inférieur à celui du seuil de sécurité sur le corps humain, elle est donnée à titre indicatif car chaque individu réagit différemment lors du passage d un courant électrique à travers le corps. Figure 2 : Effet du courant sur le corps humain Les figures 1 et 2 nous permettent de constater qu un courant de l ordre de 40mA pourrait provoquer la mort d une personne. En fait, ce n est pas la tension qui est dangereuse mais bien la valeur du courant traversant le corps humain. Pour déterminer quelle tension est dangereuse, il faut connaître la résistance du corps humain, résistance qui dépend fortement de l individu et qui est fonction de l état d humidité de la peau. On définit donc des tensions limites absolues en dessous desquelles on est sûr que le courant parcourant le corps humain (choisi à 25mA) ne produit pas de dommages (Figure.3). Figure 3 : Tensions limites Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 2

3 La Figure.4 et la Figure.5 permettent de se faire une idée de la manière dont le corps humain est modélisé et quelle est son impédance totale (impédance d un trajet main-main ou main-pied) en fonction de la tension. Figure 4 : Schéma simplifié des impédances internes du corps humain Figure 5 : Valeur statistique de l impédance totale du corps humain Les valeurs en pourcent sur la Figure.5 représentent le pourcentage de la population ayant une impédance totale inférieure à la courbe considérée. On remarque que l impédance est variable et dépend fortement de la tension. Outre le danger d électrocution, il faut aussi protéger l installation contre les risques d incendie dus à une éventuelle surchauffe des câbles. En effet, un courant trop important dans un câble provoquerait une augmentation de température, de par les pertes Joule, qui pourrait le faire brûler et ainsi causer un début d incendie. Pour éviter ces phénomènes, des normes régissent la conception d une installation électrique en imposant des mesures de protection. Celles-ci peuvent être passives ou actives. Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 3

4 Les mesures passives sont celles ne faisant pas intervenir un mécanisme de coupure, comme rendre la possibilité d un contact avec une partie active 2 hautement improbable (isolation), rendre non dangereux le contact avec une partie active ou une masse 3 (très basse tension de sécurité) ou encore rendre non dangereux le contact entre une masse et le sol par l intermédiaire d une liaison équipotentielle 4 (prise de terre). Les mesures actives assurent, quant à elles, la coupure du courant en un temps suffisamment court pour que les effets sur l installation ou sur le corps humain soient bénins. 1.3 Les types d installation électrique Les installations électriques diffèrent par leur schéma de liaison à la terre, c'est-à-dire l état de connexion du neutre du transformateur et des masses de l installation. Il existe quatre types d installations électriques (Figure.6), ces schémas ont une importance dans la détermination des conditions de protection contre les contacts direct 5 et indirect 6. Figure 6 : Schémas de liaison à la terre [1] 2 Partie active : conducteur ou toute partie conductrice destiné à être sous tension en service normal, ainsi que le conducteur du neutre. 3 Masse : partie conductrice d un matériel susceptible d être touchée, et qui, en fonctionnement normal, n est pas sous tension, mais qui peut le devenir lorsque l isolation principale est défaillante 4 Liaison équipotentielle (LEP): liaison électrique mettant au même potentiel, ou à des potentiels voisins, des masses ou des éléments conducteurs. 5 Contact direct : contact électrique de personnes avec des parties actives 6 Contact indirect : contact électrique de personnes avec des masses mises sous tension à cause d un défaut d isolement. Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 4

5 La première lettre du code donne la situation de la connexion du neutre du transformateur en amont de l installation. La lettre T signifie que le neutre est connecté à la terre, tandis que la lettre I signifie que le neutre est soit complètement isolé (Z est infini), soit connecté par l intermédiaire d une impédance importante. La seconde lettre donne la situation des masses de l installation. La lettre T signifie que les masses sont reliées à une prise de terre indépendante de celle de l alimentation tandis que la lette N signifie que les masses sont reliées au point de l alimentation mis à la terre, soit par l intermédiaire d un conducteur distinct de celui du neutre (troisième lettre S), soit par l intermédiaire d un conducteur commun avec le neutre (troisième lettre C). Le schéma TT est celui que l on retrouve dans toutes les installations domestiques, les autres sont destinés à l industrie ou aux laboratoires (par exemple, le laboratoire de génie électrique est de type IT). La figure présente des installations alimentées en triphasé, les appellations et les principes sont identiques pour une installation alimentée en monophasé. 1.4 La prise de terre Le rôle de la terre est (notamment) de protéger l utilisateur contre l électrocution en cas contact indirect, c est-à-dire en cas de contact avec un appareil électrique dans lequel un défaut provoquerait la mise sous tension d une des masses de cet appareil. Supposons en effet qu'un appareil électrique soit défectueux, de telle manière qu'un fil interne à l'appareil et portant une tension élevée (par exemple 220V) touche son châssis métallique. Si l'utilisateur touche ce châssis (contact indirect), il subira une différence de potentiel entre d'une part le 220V et d'autre part le potentiel du sol sur lequel il se trouve (Figure.7). Figure 7 : Appareil en défaut isolé [2] Etant donné que l impédance du sol Rs et les impédances de la terre Ra et Rb sont négligeables devant l impédance de la personne, les 220V sont appliqués presque totalement sur celle-ci. Si le Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 5

6 neutre du transformateur du poste en amont n est pas isolé (TT, TN-S, TN-C), un courant électrique circulera donc à travers l'utilisateur, courant qui pourrait éventuellement être mortel. La gravité de l'électrisation 7, dépend (entre autres) de l'intensité du courant, qui elle-même dépend de la résistance de l'utilisateur. C'est la raison pour laquelle les consignes de mise à la terre sont particulièrement strictes dans les salles de bain et les cuisines où l'utilisateur, en contact avec de l'eau, peut présenter une résistance très faible. Pour éviter un tel risque d'électrocution, toute partie métallique d'un appareil qui pourrait être touchée de l'extérieur doit être mise à la terre (Figure.8). C est la raison de la présence de la troisième borne sur la prise mâle de certains appareils électriques. Si cette condition est réalisée, en fonctionnement normal, aucun courant ne circule dans le conducteur de terre et le châssis est porté au potentiel de la terre. Figure 8 : Mise à la terre d un appareil en défaut [2] En cas de défaut, un courant circulera entre l alimentation et la terre ; on appelle celui-ci le courant différentiel. On remarque sur la Figure.8 que le potentiel de la terre T est mis au potentiel du défaut grâce au conducteur de protection (câble jaune-vert) qui relie les masse de l appareil à la prise de terre, ce qui implique que la différence de potentiel appliquée à la personne qui touche le châssis est nulle, aucun courant ne le traverse et il ne risque donc rien. Si le courant passant par le défaut dépasse une certaine valeur (30mA à 300mA), une protection appelée disjoncteur différentiel (voir ci-dessous) déclenchera le circuit dans lequel l appareil en défaut est connecté. Le courant de déclenchement de ce type de protection ne peut pas être nul car il existe, dans tout circuit électrique, des capacités parasites qui entraînent l apparition d un faible courant différentiel en fonctionnement normal. S il existe néanmoins un défaut pour lequel le courant différentiel est inférieur au courant de déclenchement, alors le disjoncteur différentiel ne déclenchera pas, ce qui n aura pas de conséquence pour l utilisateur s il vient à entrer en contact avec le châssis de l appareil en défaut puisque la différence de potentiel appliquée sur cette personne est nulle. 7 Electrisation : terme désignant tout accident électrique, mortel ou non. Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 6

7 De plus, pour un bon fonctionnement du principe de la prise de terre, la résistance de terre doit être la plus faible possible (<30Ω sauf cas particulier). En effet, pour que la prise de terre fonctionne correctement, il faut que le schéma équivalent du système soit celui de la Figure.8 ce qui n est pas assuré dans le cas où l impédance de terre devient importante. Le fait de limiter l impédance de terre et de choisir des seuils de courant de déclenchement faibles pour les protections différentielles (au maximum 300mA) limite également l élévation de la tension de la prise de terre et donc de toute les masses des appareils qui y sont connectées. Pour prévenir le risque d électrisation, il ne suffit pas d effectuer une mise à la terre des appareils électriques et de prévoir des différentiels. Les éléments conducteurs étrangers, tel qu une conduite d eau, qui est susceptible de propager un potentiel dangereux, doivent également être reliés au réseau de mise à la terre. En l absence d une telle connexion, un défaut dans un appareil en contact avec une canalisation peut faire apparaître une tension dangereuse entre les conduites d eau et de gaz par exemple. Chaque immeuble doit donc être doté d une liaison équipotentielle principale (LEP, Figure.8 et Figure.9) qui relie la borne principale de mise à la terre avec les éléments conducteurs étrangers tels que conduites d eau, de gaz, de chauffage central, etc (Figure.9). Eléments du schéma Rôle Conducteur de terre Conducteur de protection Liaison équipotentielle principale Liaison équipotentielle supplémentaire Relie la borne de terre principale à la boucle de terre Relie l ensemble des appareils électriques (prises, luminaires, ) à la borne de terre principale (à l exception des appareils T.B.T.S.) Relie les éléments pouvant être conducteurs (comme les canalisations d eau, de gaz, ) à la terre) Relie les éléments conducteurs étrangers et les masses dans les salles de bains. Figure 9 : Mise à la terre d une installation Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 7

8 1.5 Les disjoncteurs Les disjoncteurs tiennent une place extrêmement importante dans la protection des câbles contre les surintensités. Leur rôle est de prévenir tout risque d incendie en ouvrant le circuit électrique lorsque l intensité du courant passant par un câble dépasse une certaine valeur limite appelée intensité nominale du disjoncteur, cette dernière étant dépendante de la section des câbles électriques comme l illustre le tableau ci-dessous. La majorité des disjoncteurs d une installation électrique domestique sont thermomagnétiques. Lorsque le courant est supérieur à l intensité nominale du disjoncteur, celui-ci va déclencher soit de manière thermique (coupure retardée) soit de manière magnétique (coupure quasi-instantanée), selon la valeur du courant. Le déclenchement thermique est assuré par l utilisation d un bilame 8 parcouru par le courant, les pertes Joule provoquent l augmentation de la température de ce bilame qui, au-delà d une certaine température, enclenche un mécanisme qui ouvre le contact et interrompt le courant. On peut donc en déduire que plus le courant est important, plus la température du bilame augmente rapidement et plus vite le disjoncteur déclenche. Lorsque le courant dépasse une certaine limite, le déclenchement devient magnétique. Le courant, qui circule dans une bobine, crée un flux magnétique ; au delà d une certaine valeur, le flux devient suffisamment important pour déplacer une pièce ferromagnétique qui ouvre le circuit pratiquement instantanément (t<0,01s). Les caractéristiques des disjoncteurs sont divisées en trois catégories : B, C ou D (Figure.10). Ces caractéristiques sont divisées en trois zones : la partie décroissante en fonction du courant est la zone de déclenchement thermique, la zone colorée représente la zone de transition entre le déclenchement thermique et le déclenchement magnétique, au-delà de la zone colorée, le déclenchement est magnétique et pratiquement 8 Bilame : instrument d estimation de la température. Il s agit de deux lames de métaux différents collées l une contre l autre et qui ont un coefficient de dilatation différent, le bilame se déforme donc en fonction de la température. Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 8

9 instantané. Le choix du type de disjoncteur dépend de l application connectée au circuit qu il protège (exemple : si un disjoncteur protège un circuit utilisant un moteur, il ne va pas se déclencher directement lorsqu on dépasse le courant nominal car il est normal qu un moteur absorbe un grand courant au démarrage). On peut voir ci-dessous (Figure.10) les différentes courbes ainsi qu un tableau descriptif. Dans les installations domestiques, la majorité des disjoncteurs sont donc de type C. Il faut également qu ils aient un pouvoir de coupure 9 de 3kA minimum. Courbe de coupure Courant d essai Temps de déclenchement Application B 3*In t 0,1s Pour charges résistives, p.ex. chauffage électrique. 5*In t < 0,1s Pour protéger les personnes dans certains réseaux TN. C 3*In t 0,1s Toutes les charges courantes, p.ex. éclairage, prises de courant, 10*In t < 0,1s moteurs légers. D 10*In t 0,1s Consommateurs à pouvoir de fermeture élevé, p.ex. moteurs 20*In t < 0,1s lourds. Figure 10 : Courbes de coupure 9 Pouvoir de coupure : valeur maximale du courant qui peut être interrompu par l'ouverture d'un contact du disjoncteur Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 9

10 1.6 Les disjoncteurs différentiels De nombreux accidents d origine électrique sont dus à des contacts directs résultant du manque d entretien des matériels, de la négligence ou de l imprudence des usagers. Afin d assurer la sécurité de ceux-ci, la protection différentielle à haute sensibilité (courant de déclenchement 30mA) coupe de courant avant que son passage à travers la personne n ait des conséquences dangereuses. Le dispositif ne limite pas le courant mais intervient dans un temps compatible avec la sécurité. Le fonctionnement de ce type de protection est simple, il compare le courant dans le conducteur aller et celui dans le conducteur retour et déclenche dès que le courant de fuite atteint un certain seuil appelé «sensibilité du différentiel». Un disjoncteur différentiel assure aussi la fonction de disjoncteur «normal» qui déclenche lorsqu une certaine intensité de courant est dépassée. On voit sur la Figure.11 qu en cas de défaut, le courant de fuite se referme par la terre. Cela implique que le courant de retour via le fil neutre sera diminué du courant de fuite. Le noyau magnétique toroïdal et l enroulement autour de celui-ci vont donc détecter cette différence et lorsqu elle sera supérieure à la sensibilité du disjoncteur différentiel, il déclenchera. Figure 11 : Fonctionnement d un disjoncteur différentiel Actuellement, un différentiel principal de 300mA est obligatoire à l entrée de toute installation domestique, ensuite l installation est subdivisée en plusieurs groupes de circuits et chacun de ceuxci est protégé par un différentiel de sensibilité appropriée aux risques rencontrés dans chaque sous-groupe (Figure.12). Ceci assure une sélectivité en cas de défaut puisque seul le différentiel du sous-groupe dans lequel le défaut surviendra déclenchera, les autres sous-groupes pourront encore fonctionner correctement. Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 10

11 Figure 12 : Exemple de schéma de protection Les différentiels peuvent être de plusieurs types. En domestique, on utilise des différentiels de type A, c est-à-dire qu ils sont sensibles au courant continu pulsé. Le différentiel général doit également avoir une intensité nominale de 40A minimum et un pouvoir de coupure d au moins 3kA. 1.7 Emploi de la très basse tension de sécurité La très basse tension de sécurité (TBTS) est parfois utilisée comme système de protection principal contre les contacts direct et indirect lorsque l application l exige. Le principe est d employer une tension suffisamment faible (au maximum 50V en alternatif et 120V en continu lisse) pour ne pas mettre en danger l usager qui entrerait en contact avec un appareil défectueux ou pour lequel des conducteurs ne sont pas isolés. Figure 13 : Volumes des salles d'eau On retrouve cette TBTS dans certains volumes (0 et 1) des salles d eau et piscines (Figure.13) (sa valeur est limitée à 12V en alternatif et à 30V en continu, ce qui correspond aux tensions limites pour une personne immergée dans l eau, cfr Figure.3) de même que pour l alimentation de certains Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 11

12 matériels ou équipement comportant, pour des raisons fonctionnelles, des parties actives non isolées tels que certains appareils d éclairage dont les suspensions ou les bras servent de conducteurs. Pour le bon fonctionnement de cette protection, il ne doit exister aucune connexion entre un appareil utilisant la TBTS (aussi bien un conducteur actif qu une des masses) et un élément susceptible de modifier la tension imposée par l alimentation fournissant la basse tension, comme par exemple la prise de terre. En effet, celle-ci peut être portée à un potentiel non nul en cas de courant de fuite ou courant de défaut se refermant par la terre de l installation. Tout appareil utilisant la TBTS est donc isolé de la terre. 1.8 Conducteurs et prises La section des conducteurs doit toujours être choisie en fonction de la puissance prévue. Le tableau ci-dessous reprend les sections minimales à utiliser en fonction du type d appareil qui est connecté au circuit d alimentation de 230V. Le nombre de prises simples ou multiples est limité à 8 par circuit. Toutes les prises sont munies d une broche de terre raccordée et sont de types «sécurité enfant», c est-à-dire qu il doit être impossible d y introduire un objet métallique. Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 12

13 2. Manipulation 2.1 Introduction La figure ci-dessus représente le schéma de l installation que vous utiliserez au cours de ce laboratoire. La partie poste permet d illustrer l intérêt de la mise à la terre dans une installation électrique domestique. En fonction de la position de l interrupteur, il est possible de réaliser un schéma de liaison à la terre de type TT (interrupteur fermé) ou de type IT (interrupteur ouvert). La partie domestique permet d illustrer les différents aspects d une installation électrique domestique. Normalement, le disjoncteur principal de 6A n a pas de raison d être, il est cependant présent sur le panneau pour empêcher les protections du laboratoire de déclencher avant celle du panneau. La résistance de 30Ω placée entre la terre de l installation et la terre du poste représente l impédance de terre. 2.2 Consommation On vous demande de : 1. Brancher les appareils nécessaires pour effectuer les mesures de courant, tension et puissance au niveau des lampes. 2. Alimenter le tableau en prenant garde à ne pas inverser la phase et le neutre. Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 13

14 3. Observer la tension à l entrée du circuit ainsi que le courant absorbé et la puissance consommée en fonction du nombre de lampes connectées. 4. Observer les variations de la tension aux bornes de la lampe halogène ainsi que le courant absorbé et la puissance consommée par celle-ci lorsque vous faites varier le bouton du gradateur. Mettez en relation les résultats que vous obtenez avec le point du cours concernant les gradateurs. 5. Comprendre le fonctionnement de l interrupteur va-et-vient et réaliser un schéma de principe. 2.3 Surcharge 1. Mesurez la durée avant déclenchement du disjoncteur pour trois valeurs différentes du courant de surcharge. Sachant que le panneau didactique délivre du 220V et que les ponts de lampes du laboratoire sont conçus pour supporter 110V, trouvez un moyen de réaliser les essais en utilisant les ponts de lampes disponibles. Pour chacun des essais, mesurez le courant absorbé ainsi que la puissance dissipée dans le pont de lampe. 2. Les résultats que vous obtenez sont-ils en accord avec l allure de la caractéristique du disjoncteur? (la caractéristique de déclenchement des disjoncteurs utilisés est donnée en annexe) 3. Quel est le type de déclenchement? Sur base de vos conclusions, expliquez les résultats obtenus. 4. En se basant sur la caractéristique du disjoncteur, quelle est la puissance maximale que vous pouvez dissiper (en régime) sans que le disjoncteur ne déclenche? (réaliser les calculs pour cosφ=1 et cosφ=0.8) 2.4 Courts-circuits francs Dans cette partie de la manipulation, on vous demande de réaliser différents courts-circuits et d observer, pour chaque essai, quelles sont les protections qui entrent, ou non, en action 1. Phase-neutre : L appareil en aval du court-circuit est-il endommagé? 2. Phase-terre (Schéma IT) : Que remarquez-vous? 3. Phase-terre (Schéma TT) : Que remarquez-vous? 4. Terre-neutre (Schéma TT) : Que remarquez-vous? 2.5 Contacts directs et indirects Dans cette partie, vous devez indiquer à quel type de court-circuit vous avez affaire, observer quelles sont les protections qui déclenchent ou non et mesurer le courant s il y en a un. 1. Simulez les situations suivantes : une personne, travaillant sur son installation électrique sans avoir déclenché les protections nécessaires assurant sa sécurité, touche par mégarde le fil de phase dans une installation IT, puis dans une installation TT. Que se passe-t-il dans Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 14

15 chacun de ces deux cas, expliquez. Lorsque l interrupteur est ouvert, le fait de toucher le fil du neutre présente-t-il un danger? Et lorsqu il est fermé? Expliquez vos observations. 2. Simulez les situations suivantes : une personne, installée sur un escabeau en métal, installe un socket au plafond de manière à pouvoir y placer une ampoule. Cette personne n a pas ouvert l interrupteur permettant d alimenter cette lampe et touche par mégarde le fil de la phase avec une de ces mains et celui du neutre avec l autre. Que remarquez-vous? (effectuez les essais pour une installation de type IT et ensuite avec celle de type TT). Concluez. Si l escabeau avait été en bois, qu est ce que cela aurait changé? 3. Simulez les situations suivantes : une machine à laver, défectueuse par le fait que le fil de phase entre en contact avec la carcasse (carcasse reliée à la terre), est banchée dans une maison dont l installation électrique est de type TT, puis IT. Que se passe-t-il? Un habitant de cette maison voulant changer une ampoule dans la même pièce que la machine à laver est conscient du danger d effectuer cette opération lorsque l interrupteur est connecté, il prend donc soin de déconnecter ce dernier avant de se mettre au travail. Il se tient debout sur le sol et par mégarde, touche le fil neutre avec une de ses mains. Qu observez-vous? Comment modifieriez vous l installation pour éviter ce type d incident dans le cas d un schéma de type IT. 3. Bibliographie [1] AUBER, R., C. ATLANI ; Prévention des accidents électriques, Techniques de l'ingénieur (D5100). [2] SERRE, D ; Installations électriques BT, Protection contre les contacts directs, Techniques de l'ingénieur (D5043) [3] SERRE, D ; Installations électriques BT, Protections électriques, Techniques de l ingénieur (D5045) Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 15

16 Caractéristique de déclenchement des disjoncteurs «Hager» du panneau Service BEAMS Energy Elec-H-303 [ ] Page 16