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? u 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 : lternative sinusoïdale T=20 ms F=1/T=50 Hz Ueff=230 V oscillo 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. 6V 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 m V1 6V V2 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= 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.
la lampe brille normalement. I=1548 m 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 % 6V V1 Elévateur de tension 6V 48V V2 V3 baisseur de tension 48V 6V III. 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 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) ux 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 : QURNT IV p.433 Matériel : une source de courant réglable, un ampèremètre, différents fusibles (200 m, 500m ) ugmenter 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 compa rera l intensité de coupure indiquée sur le composant avec l intensité réelle. I fusible
On trouve ces protection au niveau de l installation, mais aussi au niveau des appareils euxmêmes (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 partir de quelle intensité est-ce mortel? On parle généralement d un courant alternatif de 30 m. quelle tension est-ce que ça correspond? U=RI avec R résistance du corps. u fait, quelle est sa valeur? vec 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 i φ 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 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. u 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