Sécurite électrique PARTIE THEORIQUE

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1 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 cosψ = 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 cosψ = 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 - 1

2 1-2 ) Transport du courant triphasé Alternateur élévateurab aisseurabai sseur 1000V 100m HT 400kV 500km MT 40kV BT 220/380V km transfo transfo transfo 1km 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 cosφ, 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 (efficaces) 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 =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 - 2

3 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,T,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 T) - 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 T, 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 - (régime T) de la façon suivante : 2-3 ) Le régime TT : TC : neutre et conducteur de protection sont Confondus : TS : neutre et conducteur de protection sont Séparés 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 () et neutre (). 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 - 3

4 R V Rb + I2 Réseau EDF + I2 Rh + I2 I2 PE I2 Rd Ra installation utilisateur 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 0 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. 0 = V / (R + Rd + Rh + Rb) = 220/( ) 110mA > Danger Elle est soumise à la tension = 220V > Danger - La carcasse de l'appareil en défaut est maintenant mise à la terre. Alors on a V = Rh + Rb( + I2) = RaI2 + Rb( + I2) et = V Ra / [Rh (Ra + Rb) + Rb Ra ] ote : si Ra = Rb et Rh >> Ra alors 0 / 2 et Vh = V / 2. Si Ra = 0 alors = 0 et Vh = = Rh = 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 - 4

5 R V Rb +I2 Réseau EDF +I2+ Rh magnétothermique I2 Rc +I2+ PE I2 Rd Ra installation utilisateur Supposons que l'appareil récepteur ait une puissance de 660W (alors son courant nominal = 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 absorbé normalement par l'appareil sous tension = V / (R +Rc ) V / Rc - le courant qui traverse la personne touchant la carcasse = 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 Rb I2 = Rh / Ra Dans le cas étudié, = 3A, 55 ma, I2 = 2000*55e-3/1 110A (Danger) et Vh = = Rh 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 17 ma (Danger) et la tension de contact = 2000x17e-3 34V (Danger). I2 = 1.5A. Le courant dans le disjoncteur magnéto-thermique passe de =3 A sans défaut, à ++I2 4.5A et le magnéto-thermique réglé à 5A ne déclenche pas : Sécurité électrique - 5

6 Ainsi une protection magnéto-thermique ne suffit pas toujours à protéger les personnes, en particulier si le défaut n'est pas franc. c) Protection par un disjoncteur différentiel Résiduel (DDR) Placé à l'entrée de l'installation, sur le fil de phase et sur le neutre, il déclenche rapidement lorsque la différence entre le courant amené par la phase et celui emmené par le neutre excède son seuil I n (courant différentiel résiduel nominal). R V +I2+ DDR +I2+ Rb I2 PE +I2 Réseau EDF Rh Rc Rd Ra installation utilisateur Si on met sous tension l'appareil comportant le défaut Rd = 100Ω, il suffit que le seuil du DDR soit réglé à I n = I2 = 1A et les personnes sont protégées Mais le défaut peut avoir une résistance plus élevée ou la résistance de terre de l'utilisateur peut être mauvaise, ce qui peut entraîner un nondéclenchement du DDR. Pour avoir une sécurité complète, on choisit le seuil de déclenchement du DDR inférieur à UL / Ra (Rh>>Ra) d'autant plus bas que la résistance de l'utilisateur est mauvaise. Un DDR protège les personnes seulement si I n UL / Ra. Encore une fois on comprend l'importance de vérifier la qualité de la mise à la terre de l'installation : Ra doit être la plus faible possible. Le schéma TT a l'inconvénient de déclencher au premier défaut, privant de courant toute l'installation en aval de la protection de son alimentation. Bien sûr, on peut installer des DDR indépendamment sur chaque partie de l'installation. Si des DDR se trouvent en cascade, il faut naturellement que le DDR en amont ait un seuil de déclenchement plus élevé que chacun des DDR situés en aval. Il faut aussi que le DDR aval ait un temps de réponse plus court (instantané) que le DDR amont (temporisé) 2-4) Régime T Ce schéma n'est possible que dans les installations alimentées par un poste de transformation privé, MT/BT par exemple. Dans le schéma T (TC ou TS), du côté utilisateur le conducteur Sécurité électrique - 6

7 équipotentiel, qui relie les masses entre elles, est directement relié au neutre. On le nomme PE. Son avantage est que le courant de défaut I2, qui se referme par le neutre du réseau, est un courant de court-circuit phase-neutre très élevé pour déclencher très rapidement une protection classique magnéto-thermique. R V +I2+ DDR +I2+ Ra I2 PE I2 Rc Rd Réseau EDF Rh installation utilisateur Si la liaison PE- est impeccable Re=0. En cas de défaut franc et si Rd=0 et la surintensité I2 est énorme I2 = V / (R + Rd + Re) = 220A et le disjoncteur magnéto-thermique déclenche instantanément et protège les personnes et le matériel. Cependant si le défaut n'est pas franc (Rd = 200Ω) ou si la liaison PE est très mauvaise (ligne trop longue Re = 200Ω), les problèmes sont les mêmes que dans le régime TT et la solution de protection des personnes est un DDR. On comprend la nécessité de contrôler la qualité de la liaison PE- pour conserver Re faible. Le schéma T a l'inconvénient de déclencher au premier défaut, privant de courant toute l'installation en aval de la protection de son alimentation 2-5 ) Régime IT Ce schéma n'est possible que dans les installations alimentées par un poste de transformation privé, MT/BT par exemple. Son intérêt est qu'il n'y a pas de danger pour les personnes au premier défaut, permettant ainsi la continuité du service et la réparation du défaut. Il y a danger au deuxième défaut qui doit obligatoirement couper l'alimentation. a) Pas de danger au 1 défaut Sécurité électrique - 7

8 Id CPI Rd2 Z Id Ra Réseau privé utilisation Le courant Id de ce premier défaut Rd entre la phase 1 et la carcasse de l'appareil mis à la terre par Ra se referme par le sol et l'impédance Z d'isolation entre le neutre et la terre. Id = V / (R + Rd + Ra). Supposons Z = 500Ω (valeur très basse), le défaut franc Rd = 0 et la terre Ra = 20Ω. Alors Id = 220/(500+20) = 0,42A ce qui met la carcasse de l'appareil à = Ra Id = 8,5V par rapport au sol. Il n'y a pas de danger pour la personne qui le touche, à condition d'être certain que Z > 500Ω. Il faut donc installer un contrôleur permanent d'isolement du réseau (CPI) qui signale (alerte visuelle et sonore) l'apparition du défaut, c'est-à-dire lorsque l'impédance du réseau devient inférieur à Z=500Ω. b) Danger au 2 défaut U Id CPI Rd1 Rd2 Z Réseau privé atelier n 1 Ra1 Id atelier n 2 Ra2 Si un deuxième défaut apparaît sur une autre phase, sur un autre appareil situé dans un autre local (c'est-à-dire avec une autre prise de terre Rb2), la tension composée U fait circuler un courant Id = U / (2R+Rb1+Rb2+Rd1+Rd2) soit Id = 380/40 = 9.5A qui amène les carcasses des 2 appareils en défaut à = Rb1 Id = 190V par rapport au sol > Danger Sécurité électrique - 8

9 On peut installer des DDR sur chaque partie de l'installation pour éviter le danger de l'apparition simultanée des 2 défauts. Si les 2 appareils en défaut sont dans le même local, leurs 2 masses étant reliées à la même prise de terre, il y a danger si la personne touche simultanément les 2 carcasses, mais le courant de défaut Id = U / (Rd1 + Rd2) fait rapidement disjoncter le magnéto-thermique de protection. Il est impératif d'intervenir dès que le CPI signale le premier défaut, par exemple en isolant de suite l'appareil en défaut par son disjoncteur. On peut localiser le défaut en isolant successivement chacune des parties de l'installation. 2-6) Mesure d'une prise de terre Le bon fonctionnement des DDR pour la protection des personnes exige des prises de terre de qualité. La valeur d'une prise de terre est approximativement donnée (en ohm) par R = k ρ / L où (k=2) - k varie de 0,8 à 2 selon la forme du conducteur enterré - L est la longueur de la tige (tuyau, grille) enterrée verticalement (k=0,8) ou horizontalement - ρ la résistivité du sol (terrain gras 50Ωm ; gravier 500Ωm ; sable, roche 3000Ωm). La mesure d'une prise de terre x nécessite 2 prises de terre auxiliaires a et b, chacune très éloignées les unes des autres.(plus de 20m). Le générateur G branché entre X et A fait circuler le courant I entre X et A : Vx - Va = Rx I + Ra.I. Le voltmètre branché entre x et b mesure la tension Vx - Vb = Rx I puisque Rb n'est traversé par aucun courant. Ainsi Rx = (Vx - Vb) / I. Sécurité électrique - 9

10 Securite electrique Partie EXPERIMETALE Risque électrique Cette séance a pour objet d'une part de sensibiliser les étudiants aux risques encourus lors de l'utilisation de l'énergie électrique, d'autre part de prévenir toute mauvaise utilisation de cette énergie. Il est bon, au terme du TP, de retenir au minimum : - Les notions de phase, de neutre, de terre, tension alternative monophasée ou triphasée - Les caractéristiques (tensions) de la distribution de l'électricité domestique - Le fonctionnement et les caractéristiques d'un disjoncteur, la protection qu'il apporte - Un ordre de grandeur des courants et tensions limites au delà desquelles l'être humain est en danger - Les différents régimes de neutre utilisés et leurs caractéristiques essentielles. 1 - Étude des différents régimes de neutre 1-1) Régime de protection T.T. Se reporter au dossier pédagogique pédagogique en salle de T.P, et effectuer les 4 premières manipulations en régime TT. Justifier les valeurs numériques obtenues 1-2) Régime de protection T.. Effectuer les trois premières manipulations (cf. Dossier pédagogique en salle de T.P.) en régime T.. Justifier les valeurs numériques obtenues 1-3) Régime de protection I.T. Rappeler ses spécificités Faire un bilan des avantages et inconvénients de ces régimes de neutres ainsi que de leurs utilisations préférentielles : domestiques, industrielles? 2 - Distribution électrique A l'aide d'un multimètre, déterminer la nature (phase, neutre, terre) de chacun des fils : - d'une prise électrique classique - des prises triphasées de la salle de T.P. Sécurité électrique - 10

11 Attention au cours de l'utilisation : 220V En déduire comment est réalisée la distribution électrique de la salle, en particulier l'alimentation 220V résulte-t-elle : - d'un branchement entre 2 phases à partir d'une distribution 130V triphasée? - d'un branchement entre phase et neutre à partir d'une distribution 220V triphasée? 3 - Disjoncteurs Identifier les disjoncteur placés sur les tables de travail et ceux du tableau électrique 3-1) Disjoncteur magnéto-thermique Contre quel défauts protège-t-il? Déchiffrer les performances d'un disjoncteur magnéto-thermique : courant nominal, type, intensité de déclenchement Observer de quoi est constitué le disjoncteur magnéto-thermique démonté sur la table de T.P.? 3-2) Disjoncteur différentiel Quel est son fonctionnement? Observer de quoi est constitué le disjoncteur différentiel démonté sur la table de T.P.? 4 - Facultatif : Pertes en lignes dans le transport de l'électricité Soit U la tension efficace aux bornes de la ligne haute tension et R la résistance de la ligne. Calculer la puissance dissipée dans la ligne? Quelle est l'origine de cette perte? Quelle est alors la puissance délivrée en bout de ligne, aux bornes d'arrivée? Calculer le rendement du transport électrique. Conclusion, comment peut-on jouer pour améliorer le rendement? Quel dispositif utiliser pour mener à bien cette amélioration? Sécurité électrique - 11