COURS 1SI : CI-3 CORRIGÉ LA PROTECTION DES PERSONNES page 1 / 8 1. DANGERS DU COURANT ÉLECTRIQUE La figure suivante définit les quatre zones principales des effets du courant alternatif sur l homme. Les accidents d origine électrique sont causés par un contact accidentel avec un conducteur alimenté. Quatre paramètres interdépendants influent sur le niveau des risques : Ic, le courant qui traverse le corps ; Uc, la tension de contact à laquelle est soumise la personne ; R, la résistance du corps et résistances de contact main-fil et pieds-sol; t, le temps de passage du courant dans le corps. Rappel de la loi d ohm : Ic = Uc / Rc Les études menées ont permis d'établir les courbes précisant, en fonction du temps, les zones correspondant aux différents effets physiopathologiques résultant du passage du courant et indiquant les seuils de courant dangereux : effets du courant alternatif effets du courant continu La tétanisation est une paralysie des muscles. Le sujet peut succomber par asphyxie du fait du blocage de sa cage thoracique. La fibrillation ventriculaire est la contraction anarchique du muscle cardiaque. Elle ne cesse jamais spontanément, mais seulement grâce à des contre-chocs électriques appliqués par un défibrillateur. Le risque de fibrillation maximal se situe entre 80 ma et 3 A.
COURS 1SI : CI-3 CORRIGÉ LA PROTECTION DES PERSONNES page 2 / 8 2.1.2. CONTACT ENTRE PHASE ET TERRE : Une personne qui touche un conducteur de phase ou une pièce mise au potentiel de la phase alors qu elle est en contact avec la terre se trouve soumise à la tension du réseau EDF. La situation est moins défavorable dans la mesure où la résistance pieds-sol contribue à limiter le courant. Le corps n est plus analogue à un récepteur ordinaire puisqu il provoque une fuite de courant à la terre. Cette propriété est exploitéee par les dispositifs de protection prévus pour cette situation de contact 2.2. CONTACT INDIRECT La résistance du corps humain varie en fonction de l'état de la peau (sèche, humide, mouillée) et de la tension de contact. Déterminer approximativement la valeur de la résistance R du corps humain : Pour une peau sèche soumise à une tension de contact de 50 V : 4 kω Pour une peau sèche soumise à une tension de contact de 250 V : 1,5 kω Pour une peau mouillée soumise à une tension de contact de 50 V : 0,8 kωω 2. NATURE DES CONTACTS 2.1. CONTACTS DIRECTS Un contact direct se produit lorsqu une personne est en contact avec des conducteurs actifs (phase ou neutre) ou des pièces conductrices habituellement sous tension. Deux cas de figure peuvent alors se produire : contact entre phase et neutre ou contact entre phase et terre. 2.1.1. CONTACT ENTRE PHASE ET NEUTRE Bien que très rare c est le cas le plus défavorable. La personne étant supposée isolée du sol, le courant va circuler directement à travers la cage thoracique via le système respiratoire et cardiaque. La résistance pied/sol n intervient pas et la résistance globale est donc très faible. Le corps est alors un récepteur et aucun dispositif de protection ne peut détecter ce type de contact comme un défaut. Le seul recours est de couper l alimentation du circuit en urgence. Un contact indirect se produit lorsqu une personne touche une masse métallique accidentellement mise sous tension. Cette situation est la conséquence d un défaut d isolement. La plupart des défauts d isolement entre phase et masse métallique ne sont pas francs mais apparaissent au contraire très lentement (vieillissement des isolants, usure, ). Les masses métalliques étant reliées au neutre, un courant de fuite va s établir. Ce courant va augmenter avec le temps et le potentiel des masses métalliques va s élever de la même façon à cause de la résistance de la prise de terre : il y a danger. Tout comme les contacts directs entre phase et terre, les contacts indirects provoquent une fuite de courant à la terre. Cette particularité est exploitée par un dispositif de protection pour protéger les personnes. Les contacts indirects sont dangereux car il s agit de pièces que l on manipule franchement (capot, poignée, ) qui sont mises à un potentiel dangereux. 2.3. ÉVALUATION DE LA DANGEROSITÉ D UN CONTACT ENTRE PHASE ET TERRE L alimentation électrique est issue du réseau EDF triphasé 230/400 V. La tension entre deux phases (L1, L2 ou L3) est de 400 V. La tension entre phase et neutre est de 230 V. Une personne touche accidentellement un conducteur de phase. Pour simplifier l étude et se placer dans le cas le plus défavorable, on négligera les résistances de contact main-fil et pieds-sol.
COURS 1SI : CI-3 CORRIGÉ LA PROTECTION DES PERSONNES page 3 / 8 Faire un schéma simplifié équivalent à l installation électrique faisant apparaître : Uc, la tension de contact à laquelle est soumise la personne ; U 3N, la tension de entre la phase 3 et le neutre ; Rc, la résistance du corps ; Ic, le courant qui traverse le corps. Quelle est la valeur de la tension Uc : Uc = U 3N = 230 V Déterminer approximativement la valeur de la résistance Rc du corps humain dans ce cas (pour une peau sèche à l aide de la figure de la page 2) : Rc = 1,5 kω Etablir l expression littérale de Ic : Ic = Uc / Rc Calculer Ic : Ic U 3N Rc Uc Ic = 230 / 1500 = 153 ma En utilisant la figure de la page 1, déterminer approximativement le temps maximal pendant lequel la personne pourra supporter ce courant sans danger (zone AC-2) : Le temps est inférieur à 20 ms Reprendre les calculs si la personne a la peau mouillée Déterminer approximativement la valeur de la résistance Rc du corps humain dans ce cas (pour une peau sèche à l aide de la figure de la page 2) : Rc = 200 Ω Calculer Ic : Ic = 230 / 200 = 1,15 ma En utilisant la figure de la page 1, déterminer approximativement le temps maximal pendant lequel la personne pourra supporter ce courant sans danger (zone AC-2) : La valeur du courant est supérieur à la valeur maximale du courant (200 ma). Le danger est immédiat 3. PROTECTION CONTRE LES CONTACTS DIRECTS ET INDIRECTS Pour protéger les personnes contre les contacts directs entre phase et neutre, il n y a que deux moyens : - Mise hors de portée des pièces sous tension (capotage, isolement, respect de l indice de protection). - Utilisation d une tension non dangereuse (circuits alimentés en très basse tension (TBT). Pour protéger les personnes contre les contacts directs entre phase et terre et les contacts indirects, il existe (en plus des deux moyens définis précédemment) deux moyens supplémentaires : - Isolement par rapport au réseau (transformateur d isolement) ; - Contrôle du courant Ic (disjoncteur différentiel basse sensibilité (30 ma).
COURS 1SI : CI-3 CORRIGÉ LA PROTECTION DES PERSONNES page 4 / 8 3.1. INDICES DE PROTECTION DES APPAREILLAGES ÉLECTRIQUES Les indices de protection des appareillages électriques sont choisis en fonction des influences externes auxquelles ils seront soumis : présence d'eau, présence de corps solides. Pour l indice IP, le premier chiffre caractéristique définit le degré de protection contre la pénétration de corps solides. Le deuxième chiffre définit le degré de protection contre la pénétration de corps liquides. L indice IK définit le degré de protection procuré par les enveloppes contres les chocs mécaniques externes. Les indices vont de 0 (aucune protection) à 10 (protection contre les chocs de 20 joules). Les tableaux ci-dessous permettent de choisir les appareils dont les indices de protection sont compatibles : Identifier l indice de protection du luminaire : IP 55 Indiquer l aptitude de ce matériel à supporter la pénétration de corps solides : Protégé contre les poussières. Indiquer l aptitude de ce matériel à supporter la pénétration de l eau : Protégé contre les jets d eau de toutes directions à la lance. 3.2. TENSIONS LIMITES DE SÉCURITÉ UL La résistance du corps humain au passage du courant électrique varie avec l humidité, la tension de contact et l individu. Pour être toujours en situation de sécurité, la norme NFC 1500 impose de ne jamais être exposé à des tensions de valeurs supérieures aux tensions de sécurité UL. La plaque signalétique du produit doit clairement faire référence aux textes normatifs auxquels ils sont soumis. Ci-contre, exemple du luminaire Sarlam 714 536. Ce produit porte le marquage de base CE, les marquages imposés par la norme produit EN 60 598, et la marque de conformité "NF Luminaires".
COURS 1SI : CI-3 CORRIGÉ LA PROTECTION DES PERSONNES page 5 / 8 3.3. COURBES DE SÉCURITÉ Si une personne est exposée à une tension de valeur supérieure aux tensions de sécurité UL, le temps d exposition doit être inférieur au temps limite de sécurité 3.4. EXEMPLE MONTRANT LA NÉCESSITÉ D UN DDR ASSOCIÉ À UN CONDUCTEUR DE PROTECTION DE MISE À LA TERRE (PE) 3.4.1. INSTALLATION SANS CONDUCTEUR PE L appareil électrique est utilisé dans un local sec. Il est connecté au réseau électrique triphasé et présente un défaut d isolement entre une phase et sa carcasse métallique. La résistance de défaut Rd vaut 50 W (défaut non franc). Une personne touche la carcasse de l appareil. Sa résistance corporelle Rc est estimée à 2 KW. Dans le cas d un contact direct entre phase et neutre (tension de contact égale à 230 V), déterminer graphiquement le temps limite d exposition dans un local sec : Le temps limite d exposition est d environ 50 ms Pour couper l alimentation en un temps inférieur au temps limite de sécurité, on utilise un Dispositif différentiel à courant résiduel (DDR). Cet appareil (disjoncteur différentiel) est obligatoirement associé à une prise de terre à laquelle sont reliés tous les appareils électriques via un conducteur de protection nommé PE (protection électrique). Le rôle du disjoncteur différentiel est de contrôler le courant de fuite consécutif au défaut d isolement et de limiter celui-ci à une valeur telle que le potentiel des masses métalliques ne dépasse pas la valeur de la tension limite de sécurité (UL). Faire un schéma simplifié équivalent à l installation électrique faisant apparaître : Uc, la tension de contact à laquelle est soumise la personne ; U PN, la tension de entre phase neutre ; Rc, la résistance du corps ; Rd, la résistance de défaut ; Ic, le courant qui traverse le corps. U PN Rd Rc Ic Uc Etablir l expression littérale de Uc en fonction de U PN, Rc et Rd: Uc = U PN Rc / (Rc + Rd)
COURS 1SI : CI-3 CORRIGÉ LA PROTECTION DES PERSONNES page 6 / 8 Calculer Uc : Uc = 230 2000 / (2000 + 50) = 224 V La tension de contact est-elle dangereuse? Justifier la réponse : La valeur de la tension (224 V) est supérieure à la valeur de la tension de sécurité (50 V en local sec). Cette tension est dangereuse. Etablir l expression littérale de Ic en fonction de Uc et Rc : Ic = Uc / Rc Calculer Ic : Ic = 224 / 2000 = 112 ma 3.4.2. INSTALLATION AVEC CONDUCTEUR PE La masse métallique de l appareil est relié à la terre par un conducteur de protection (PE). La résistance de terre de l'utilisation vaut 25 W. Faire un schéma simplifié équivalent à l installation électrique faisant apparaître : Uc, la tension de contact à laquelle est soumise la personne ; U PN, la tension de entre phase neutre ; Rc, la résistance du corps ; Rd, la résistance de défaut ; Ru, la résistance de mise à la terre de l utilisation. Ic, le courant qui traverse le corps. U PN Etablir l expression littérale de Uc en fonction de U PN, Rc, Ru et Rd: Uc = U PN Req / (Req + Rd) avec Req=Ru Rc / (Ru + Rc) Calculer Uc : Rd Ru Ic Rc Uc Req=2000 25 / (2000 + 25) = 24,7 Ω Uc = 230 24,7 / (24,7 + 50) = 76 V La tension de contact est-elle dangereuse? Justifier la réponse : La valeur de la tension (76 V) est supérieure à la valeur de la tension de sécurité (50 V en local sec). Cette tension est dangereuse. Etablir l expression littérale de Ic en fonction de Uc et Rc : Ic = Uc / Rc Calculer Ic : Ic = 76 / 2000 = 38 ma
COURS 1SI : CI-3 CORRIGÉ LA PROTECTION DES PERSONNES page 7 / 8 Si la tension de contact est supérieure à la tension de sécurité UL, déterminer graphiquement le temps limite de contact que la personne pourra supporter : Le temps limite d exposition est d environ 1 s Conclure sur la nécessité d un dispositif différentiel à courant résiduel : Pour la sécurité la personne ne doit pas être exposée plus d une seconde. Il faut un dispositif qui coupe le circuit avant ce temps limite (DDR). 3.5. DISPOSITIF DIFFÉRENTIEL À COURANT RÉSIDUEL (DDR) Pour couper l alimentation en un temps inférieur au temps limite de sécurité, on utilise un Dispositif différentiel à courant résiduel : le disjoncteur différentiel. Le disjoncteur est obligatoirement associé à une prise de terre à laquelle sont reliés tous les appareils électriques via un conducteur de protection nommé PE (protection électrique). 4.1. LE RÉGIME TT Le régime TT est imposé dans les installations alimentées par le réseau public basse tension EDF. Seuls les usagers propriétaires du transformateur (industriels, lycées techniques, hôpitaux ) peuvent utiliser d'autres régimes de neutre. Dans le SLT TT, le neutre du secondaire transformateur est relié à la terre et les masses de l installation sont reliées à la terre. Un dispositif de coupure DDR (disjoncteur différentiel) doit couper l'alimentation dès que la tension de défaut est supérieure à UL. (En France, un DDR de 500mA en tête d'installation et un autre de valeur maximale 30mA sur les circuits prises). Rn : résistance de la prise de terre du neutre du transformateur ; Ru : résistance de la prise de terre de l'utilisation ; PE : conducteur de protection reliant la prise de terre aux masses métalliques. Le disjoncteur différentiel se déclenche et ouvre le circuit dès que le courant de fuite If est supérieur à I?n, appelé sensibilité ou calibre du différentiel. L ouverture se produit en un temps très court (entre 15 et 20 ms). Pour que les personnes ne soient pas exposées à une tension dangereuse, le calibre I?n doit être choisi tel que : I n < UL / Ru Avec : - UL : Tension limite de sécurité du local ; - I n : Calibre du DDR ; - Ru : Résistance de terre de l utilisation. 4. SCHÉMA DE LIAISON À LA TERRE (SLT) OU RÉGIME DE NEUTRE Un Schéma de Liaison à la Terre, ou SLT définit le mode de raccordement à la terre du point neutre d'un transformateur de distribution et des masses côté utilisateur. Un schéma de liaison à la terre se caractérise par deux lettres. La première indique le raccordement du neutre du transformateur, elle peut être : T, neutre raccordé à la terre ; I, neutre isolé par rapport à la terre. La seconde lettre indique la façon de connecter les masses utilisateurs, elle peut être : T, masses reliées directement à la terre ; N, masses reliées au neutre, lequel est raccordé à la terre.
COURS 1SI : CI-3 CORRIGÉ LA PROTECTION DES PERSONNES page 8 / 8 4.2. DÉFAUT EN RÉGIME TT L appareil électrique est utilisé dans un local sec. Il est connecté au réseau électrique triphasé et présente un défaut d isolement entre la phase 1 et sa carcasse métallique. La résistance de défaut Rd vaut 20 W (défaut non franc). Le DDR a un calibre I n de 500 ma. Etablir l expression littérale de Id en fonction de U 1N N, Ru, Rn et Rd : Id = U 1N / (Rd + Rn + Ru) Calculer Id : Id = 230 / (20 + 18 + 25) = 3,65 A Le DDR va-t-il se déclencher (justifier la réponse)? Le courant de défaut est supérieur DDR va se déclencher. Calculer Ucdec, la valeur pour laquelle le DDR se déclenchera à coup sur : Udec = I n Ru = 0,5 25 = 12,5 V Commenter cette valeur : au calibre I n (500 ma). Le Sur le schéma, surligner en vert le conducteur de protection électrique PE. Flécher en rouge le chemin du courant de défaut Id. Faire un schéma simplifié équivalent à l installation électrique faisant apparaître : Uc, la tension de contact à laquelle serait soumise une personne touchant la carcasse; U 1N, la tension entre la phase et le neutre ; Rd, la résistance de défaut (20 Ω); Rn : résistance de la prise de terre du neutre du transformateur (18 Ω) ; Ru : résistance de la prise de terre de l'utilisation (25 Ω) ; Id, le courant de défaut. U PN Rd Ru Rn Id Uc Cette valeur est inférieure à la tension limite de sécurité du local sec (50 V). 4.3. CALCUL DE LA VALEUR MAXIMALE DE LA RÉSISTANCE DE PRISE DE TERRE Toutes les habitations sont équipées d un disjoncteur différentiel de calibre I n = 500 ma en tête d installation. Calculer valeur maximale que doit prendre la résistance de prise de terre Ru pour que le disjoncteur se déclenche avant l apparition d une tension dangereuse : Ru = UL / I n = 50 / 0,5 = 100 Ω