Electric

et Sécu

Luc LASNE, université de Bordeaux 1

DEPARTEMENT E.E.A Electronique – Electrotechnique - Automatique www.creea.u-bordeaux.fr

ité domestique

rité électrique

lasne@creea.u-bordeaux.fr 15 / 10 / 2003

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Sommaire

I) Introduction .................................................................................................................... 3 II) Installations électriques domestiques............................................................................ 3 II-1) Installation amont ...................................................................................................... 3

II-2) Régimes de neutres................................................................................................. 4 II-3) Impédance des contacts de Terre........................................................................... 5 II-3) Impédance des contacts de Terre........................................................................... 6 II-4) Composants de protection...................................................................................... 6 II-5) Schémas d'installation............................................................................................ 8

III-1) Choc électrique......................................................................................................... 9

Contact direct ................................................................................................................. 9 Contact indirect ............................................................................................................ 10

III-2) Régimes de neutre et protection des personnes...................................................... 10

Régime de neutre à la terre (TT et TN) ............................................................................. 10 Régime de neutre isolé.................................................................................................. 11 Isolation locale ............................................................................................................. 12

III-3) Comportement à avoir face au risque électrique ................................................... 12

Dans une habitation privée ou un établissement public............................................... 12 Dans un hôpital ou un lieu où la continuité électrique est impérative......................... 12 Dans le cas d'une intervention sur un appareil branché sur un transformateur ......... 13

III-4) Quelques exemples classiques de risques et d'électrocutions …............................ 13

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I) Introduction L'énergie électrique distribuée sur le réseau est disponible, au niveau domestique, sous la tension la plus faible de la gamme à savoir 230V / 400V. Cela s'appelle la basse tension (BT). Malgré cette appellation, cette tension est dangereuse, potentiellement mortelle et implique de fortes précautions d'emploi de par l'importance des courants qui peuvent être débités . L'accès à l'énergie électrique est, de plus, omniprésente dans la vie de ses utilisateurs, les prises et appareils électriques sont des terminaisons très utilisées par des personnes pourtant souvent non informées sur le risque électrique. Les installations électriques domestiques sont donc soumises à des lois et des normes permettant d'assurer : La détection des défauts des installations et leur protection contre les risques de

surintensités, surcharges et surtensions La protection des personnes face aux dangers d'installations défectueuses ou de

manipulations à risque Les utilisateurs avertis de l'électricité sont souvent peu formés sur la réalité des installations domestiques qui constituent les programmes de BEP ou BAC pro. Cette connaissance est pourtant fondamentale.

II) Installations électriques domestiques

II-1) Installation amont De façon schématique, les lignes de distribution de l'énergie électrique amènent des tensions de la gamme des moyennes tensions (MT) au plus proche des quartiers résidentiels ou des gros consommateurs (industries, etc…). Les poste de transformation MT/BT permettent ensuite de distribuer les trois phases BT, le neutre et éventuellement la terre à l'ensemble des consommateurs localisés à proximité. Le schéma de principe ci-dessous représente un exemple de livraison de l'énergie électrique:

terre (jaune et vert)

neutre (bleu)

3 phases (noir, rouge, marron)

particuliers

poste de transformation

de quartier

gros consommateur

(industries) Le schéma électrique correspondant à cet exemple est celui présenté ci-dessous : 230V / 400V

ZNT

BT MT

Liaison à la terre

Terre

N

Z3Z4

Z2Z1

3

Les charges monophasées représentent des impédances (Z1, Z2 et Z3) connectées entre phase et neutre. Il est à noter qu'il est nécessaire de répartir le plus possible ces charges sur les trois phases afin de garantir au mieux l'équilibre du réseau. Les charges triphasées (Z4) sont généralement à neutre relié1 pour éviter le déséquilibre des tensions en cas de déséquilibre des courants1. Il est important de noter que le neutre des installations est créé localement par le couplage des transformateurs triphasés MT/BT. Il est également important de remarquer que le neutre est relié à la terre par une impédance particulière: ZNT. L'étude des liaisons à la terre porte le nom de "régimes de neutres" et constitue une particularité qui modifie profondément la nature et le fonctionnement des protections.

II-2) Régimes de neutres Il existe trois façons de relier le Neutre et les masses des installations à la Terre. La norme C15.100 définit trois régimes de neutre qui sont caractérisés par deux lettres :

1ère lettre : situation de l'alimentation (sortie du transformateur) par rapport à la terre. T : liaison avec la terre I : isolation ou liaison à la terre à travers une impédance

2ème lettre : situation des masses des appareils par rapport à la terre. T : les masses sont reliées directement à la terre N : les masses sont reliées au neutre de l'installation

On distinguera de façon particulière les trois régimes suivants : TT , TN et IT Régime TT Le régime de distribution TT est le régime employé par EDF pour toute distribution d'énergie publique basse tension. Le principe de la liaison consiste à relier le neutre à la terre en tête de l'installation BT ainsi que toutes les masses directement à la terre locale. Ainsi, dès qu'un défaut d'isolement apparaît, il se caractérise par un court circuit Phase-Terre qui doit être interrompu, on dit alors qu'il y a "coupure au premier défaut". Schéma TT :

230V / 400V BT MT

Liaison à la terre

Terre

N

Z1Z

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1 Voir le cours "L'électrotechnique, notions de base et réseau électrique", chapitre IV-7

Régime TN Le régime de distribution TN est le régime employé quand la mise à la terre des masses des appareils pose un problème. Ces dernières sont alors connectées au conducteur de neutre, relié en tête d'installation à la terre. Ainsi, dès qu'un défaut d'isolement apparaît, il se caractérise par un court circuit Phase-Neutre qui doit être interrompu, on dit encore qu'il y a "coupure au premier défaut". Schéma TN : Régime IT Le régime de distribution IT est le régime employé lorsque les défauts d'isolation doivent être détectés mais sans provoquer de coupure (dans les hôpitaux par exemple). Le neutre n'est pas relié à la terre ou est relié à travers une impédance de forte valeur (1500 à 2200Ω). Les masses de appareils, elles sont reliées à la terre. Ainsi, dès qu'un défaut d'isolement apparaît, il ne présente pas de tension dangereuse ni de courant vers la terre important. La détection du courant dans l'impédance permet de détecter le défaut. En revanche, si un deuxième défaut apparaît, il représente un court circuit entre phases ou entre phase et neutre qu'il faut éliminer, on dit alors qu'il y a "coupure au second défaut". Schéma IT :

230V / 400V BT MT

Z Z1

N

forte impédance

Terre

230V / 400V BT MT

Liaison à la terre

Terre

N

Z1Z

Les différents régimes de neutre imposent la nature des protections à prévoir sur l'installation aval.

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II-3) Impédance des contacts de Terre L'impédance des conducteurs reliant les masses à la terre est très importante. En effet, elle impose en partie le courant de fuite vers la masse . Pour un même défaut, plus l'impédance de terre est grande moins on détecte ce défaut par interrupteur différentiel2. Le schéma ci-dessous montre la différence entre deux cas d'impédance de terre pour lesquels le seuil de détection d'une fuite vers la masse est de 500mA.

I = 230/(500) = 0.46A

Cas n°1 : I>500mA : tension de contact 138V mais courant non détecté ⇒ danger !

Cas n°1 : I>500mA : tension de contact 222.8V mais courant détecté ⇒ coupure

138V 230V Rdefaut = 300Ω

Rterre = 200Ω

222.8V

I = 230/(320) = 0.72A

230V Rdefaut = 300Ω

Rterre = 20Ω

II-4) Composants de protection La protection des installations électriques a pour objectifs :

d'interrompre en quelques milli-secondes les courants correspondants à des court-circuits, c'est-à-dire ceux qui dépassent très rapidement et très largement le courant maximal autorisé pour l'installation : c'est une partie de la protection des circuits

d'interrompre en quelques secondes, voire quelques minutes, les courants correspondant à des surcharges, c'est-à-dire ceux qui dépassent de peu et sans variations le courant maximal autorisé : c'est l'autre partie de la protection des circuits

d'interrompre, au-delà d'un seuil de 0.5A, les courants qui se rebouclent par la terre pour éviter la non facturation de l'énergie consommée

d'assurer autant que possible la protection des personnes, c'est-à-dire d'interrompre en quelques milli-secondes tout courant, au-delà d'un seuil de 30mA, circulant à travers une personne vers la terre.

- La protection contre les court-circuits et les surcharges est assurée par des fusibles ou des disjoncteurs magnéto-thermiques. Fusibles : Principe : Le fusible est un conducteur destiné à fondre brutalement au-delà d'une certaine intensité le traversant. Chaque fusible est construit pour fondre en un temps nominal tf quand le courant If le traverse. On représente sur le graphe ci-contre la courbe de fonctionnement d'un fusible. On notera qu'au-delà d'un certain courant, le fusible est incapable de réaliser la coupure sans que la tension de rétablissement n'amorce un arc électrique.

temps (s)

Courant maxi = pouvoir de coupure

If Intensité (A)

tf

Symboles :

fusible fusible à percuteur sectionneur fusible

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2 voir chapitre II-4

Disjoncteurs magnéto-thermiques : Principe : Le disjoncteur magnéto-thermique possède deux organes de coupure. L'un est un bilame qui interromps, par effet thermique, le courant au-delà d'une valeur maximale. L'autre est un coupe circuit magnétique qui se déclenche lors de l'apparition de pics de courant brutaux. On représente sur le graphe ci-contre la courbe de fonctionnement d'un Disjoncteur. On notera qu'au-delà d'un certain courant, le disjoncteur est incapable de réaliser la coupure sans que la tension de rétablissement n'amorce un arc électrique. Symboles :

Disjoncteur magnéto-thermique Disjoncteur

- La protection contre la non facturation est assurée par les disjoncteurs ou les interrupteurs différentiels qui interrompent les courants vers la terre supérieurs à 500mA. - La protection des personnes est assurée par les disjoncteurs ou les interrupteurs différentiels qui interrompent les courants vers la terre supérieurs à 30mA. Disjoncteur et interrupteur différentiel : Principe : Le disjoncteur différentiel est un disjoncteur classique qui, de plus intègre un dispositif de détection et de coupure lors de fuites de courant vers la terre. Un interrupteur différentiel assure juste cette dernière fonction. La coupure s'opère dès qu'une fuite vers la terre supérieure à une valeur I∆n apparaît pendant un temps suffisant. La détection des fuites vers la terre se fait par la détection de la différence entre le courant entrant IP et courant sortant IN de l'installation. La loi des nœuds donne : IP = IN + IT où IT représente une fuLorsque IP – IN = IT > I∆n , l'enroulement de détection permouvre le circuit.

IP

IN Tore magnétique + enroulement de détection

detect

DDDDR

Protection contre surcharges Protection contre court-circuits

Courant maxi = PC

If

temps (s) tf

Intensité (A)

Phase

Neutre

Symboles :

Dispositif Différentiel RéHS : haute sensibilité (I∆n =30mA) MS : moyenne s

Installation électrique

ite à la terre. et d'actionner un contacteur qui

IT

R

siduel ensibilité (I∆n =500mA)

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Sélectivité des protections : Si plusieurs protections sont associées en série, il faut prévoir l'ordre préférentiel de réaction. En général, on associe un fusible en série avec un disjoncteur pour augmenter les chances de coupures. Dans ce cas, on préfère que le disjoncteur se déclenche préférentiellement. Il suffit pour cela de choisir ces deux organes suivant les courbes de fonctionnement présentées ci-dessous :

Protection fusible (secondaire) Protection disjoncteur (primaire)

If disjon Intensité (A)

temps (s) tf

If fuse > If disjoncteur

II-5) Schémas d'installation On représente ci-dessous le schéma complet de l'installation électrique classique d'une habitation en régime TT. Le régime TN ne différerait en rien en ce qui concerne la protection.

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III) Sécurité électrique

Cette partie a pour but de sensibiliser les utilisateurs quotidiens de l'électricité aux risques qu'ils encourent, en particulier lors de la manipulation de matériel de laboratoire, qui expose tout particulièrement à des tensions électriques dangereuses. La simple utilisation du réseau électrique 230V /400V abrite des pièges qui peuvent être fatals pour tout un chacun. Il est tout d'abord nécessaire de comprendre et de définir la réalité du "choc électrique" afin de prendre conscience des manières de l'éviter.

III-1) Choc électrique Un choc électrique est la participation d'un corps humain à une conduction électrique dangereuse. Pour que cela soit possible, il faut qu'il ait été en contact avec une tension suffisante à faire circuler un courant nocif. Une électrocution est un choc qui a aboutit à la mort.

Contact direct Quand un individu touche un conducteur sous une tension V, il permet le passage d'un courant électrique I à condition que ses pieds ou une autre partie de son corps touche la référence de tension du générateur qui produit la tension V. Dans ce cas, l'intensité du courant qui passe est directement reliée à la tension par la relation :

RVI =

où R est la résistance cumulée du corps humain, du contact au niveau des doigts, des pieds, des chaussures, etc…Cette résistance varie beaucoup en fonction de l'humidité de l'air et des semelles des chaussures . L'important dans un choc électrique est la valeur du courant qui traverse la personne choquée. Le tableau ci contre expose les effets de différentes intensités traversant le corps humain dans le cas d'un courant alternatif à 50Hz. L'important à considérer est qu'un courant supérieur à 30 mA est mortel à moins d'être extrêmement bref, ce qui est en général impossible du fait que les muscles se contractent sur l'objet sous tension et rendent impossible le fait de le lâcher. il faut donc retenir :

Sous 230 V Alternatif à 50Hz : I > 30mA = MORT

ou encore plus simple à retenir :

sous n'importe quelle tension > 50V = Risque de choc électrique et d' ELECTROCUTION

Courant Effets 1 à 5mA pas de perception 10 à 20 mA picotement contraction des muscles 25 à 30 mA tétanisation, contractions thoraciques50mA et > fibrillation du cœur, mort assurée

R

courant I

Tension V

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Contact indirect Le contact indirect à une tension électrique provient lorsque un conducteur sous tension est en contact accidentel avec la carcasse d'un appareil. La conséquence est que le courant peut traverser un individu si il touche la référence de tension avec une autre partie de son corps. Le problème peut être résolu si la carcasse est directement reliée à la référence de tension. Dans ce cas le contact accidentel court-circuite la tension V et fait disjoncter les systèmes de protection. Pourtant, dans certains cas, le contact ne court-circuite pas franchement la tension dangereuse et expose donc les personnes à des chocs électriques.

Tension V

liaison à la masse ?

contact accidentel

courant I

La liaison entre les appareils et la référence de tension est primordiale puisqu'elle détermine directement le trajet des courants dus à des défauts accidentels. La réalité de la protection des personnes dépend donc naturellement du régime de neutre.

III-2) Régimes de neutre et protection des personnes

Régime de neutre à la terre (TT et TN) Constitution

On considère volontairement ci dessous le cas triphasé qui est le plus complexe.

courant vers la masse = détection

Terre

Neutre

phase 2

phase 3

phase 1 Comme le neutre et les masses sont connectées à la terre, il suffit de toucher un conducteur pour établir un chemin de courant et s'électrocuter. Le fait de toucher deux conducteurs différents permet de plus de faire passer le courant entre les deux bras et entre chaque phase et la terre. C'est le cas le plus grave.

Protection La protection des personnes dans ce cas consiste en un disjoncteur (ou interrupteur) différentiel dont on représente un exemple ci contre. Ce type d'appareil coupe le circuit d'alimentation en tête de l'installation pour tout courant vers la masse >30mA et ce en moins de 0.5 secondes. le courant maximal toléré s'appelle i∆n et est indiqué sur l'appareil.

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Le fait de relier le neutre à la terre permet de détecter les fuites de courant qui peuvent être fatales, c'est en cela que ce régime est intéressant, mais uniquement s'il est équipé d'un interrupteur différentiel de protection des personnes à 30mA. Les installations électriques domestiques doivent alors être conformes au schéma ci dessous, qui assure la protection des pièces sensibles (salle de bain, etc…), il en est de même dans les laboratoires et les entreprises à tous les niveaux où le risque électrique peut apparaître. L'important est de s'assurer également du bon fonctionnement de l'interrupteur différentiel, ceci est possible grâce à la présence systématique un bouton de test qu'il est préférable d'actionner régulièrement.

Régime de neutre isolé Constitution

Ce régime de neutre est simple, il consiste tout simplement à relier le neutre et la terre à travers une forte impédance (voir figure). Ils peuvent carrément n'être pas reliés du tout ou bien l'être par un dispositif de sécurité qui se ferme lors d'une surtension accidentelle.

forte impédance (résistance)

plus de courant vers la masse =

plus de détection

Terre

Neutre

phase 2

phase 3

phase 1 Les contacts directs entre phase et terre ne sont alors plus dangereux. Cependant, le fait de toucher deux conducteurs différents devient mortel puisqu'il n'y a plus le courant vers la terre qui pourrait être détecté par un disjoncteur différentiel.

Toucher deux conducteurs sous tension = Mort assurée

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Protection Les seules protections possibles sont celles contre les court circuit par des disjoncteurs qui coupent le courant à partir d'une certain valeur limite. (voir également figure 6) La protection différentielle est impossible puisqu'il ne peut y avoir de courant vers la terre suffisant. Les régimes IT se justifient cependant dans certains établissements, comme les hôpitaux, où le moindre défaut ne doit pas condamner l'installation à la coupure systématique du courant. Cependant, le faible courant éventuel entre terre et neutre (à travers la forte impédance ) est contrôlé de manière à déclencher une alarme lors de l'apparition d'un défaut.

Isolation locale Il est possible d'isoler localement un dispositif électrique. Il suffit pour cela de le brancher sur un transformateur d'isolement. Un tel appareil permet de modifier l'amplitude des tensions alternatives mais surtout de dissocier le circuit secondaire de la référence de tension du primaire. Le passage du courant n'est alors plus possible entre un conducteur du secondaire et la terre. Cependant, il suffit encore de toucher deux conducteurs pour s'électrocuter à coup sûr (voir figure ci dessous).

secondaire isolé

primaire entre phase et neutre ou entre phases

III-3) Comportement à avoir face au risque électrique Les différents types d'installations passés en revue recèlent toutes leur dangers propres. Il faut alors adapter son comportement lors d'une intervention sur un réseau électrique en fonction du régime de neutre. Il est par ailleurs facile de présumer du régime en fonction de l'endroit considéré, cela dit, le mieux reste une démarche prudente d'approche logique des dangers.

Dans une habitation privée ou un établissement public Le régime de neutre a de grandes chances d'être un régime avec neutre à la masse TT ou TN. Pour manipuler sans danger un équipement électrique quelconque, il faut : • S'assurer de la protection différentielle à 30mA • Travailler hors tension si c'est possible • Utiliser un tournevis testeur pour tester chaque

conducteur avant de le toucher et non un voltmètre

• Ne jamais toucher deux conducteurs à la fois

Dans un hôpital ou un lieu où la continuité électrique est impérative Le régime de neutre est sûrement un régime à neutre isolé. Il faut alors : • Travailler hors tension si c'est possible • Utiliser un tournevis d'électricien pour tester chaque conducteur avant de le toucher • Ne jamais toucher deux conducteurs à la fois…pour cela manipuler avec une seule

main à la fois.

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Dans le cas d'une intervention sur un appareil branché sur un transformateur La démarche est la même que dans le cas d'une installation isolée. • Travailler hors tension si c'est possible • Utiliser un tournevis d'électricien pour tester chaque conducteur avant de le toucher • Ne jamais toucher deux conducteurs à la fois…pour cela manipuler avec une seule

main à la fois.

III-4) Quelques exemples classiques de risques et d'électrocutions … Le risque électrique est malheureusement très diversifié, voilà pourquoi il est difficile d'adapter son comportement à l'approche d'un système électrique inconnu. Cependant, quelques exemples courants sont à noter dans la vie de tous les jours… Pour changer une ampoule, suffit-il d'éteindre l'interrupteur ? Et bien non ! Le dessin de la figure ci dessous prouve qu'il est toujours possible de s'électrocuter en ayant éteint l'interrupteur qui commande une ampoule (à condition de ne pas être équipé d'un disjoncteur différentiel).

phase neutre

douille de l'ampoule

l' interrupteur coupe le neutre… (c'est malheureusement souvent le cas) Maison = neutre à la terre

~230V

Pour travailler sur un appareil branché sur transformateur, est il nécessaire de couper le courant ? Et bien oui, et ce pour deux bonnes raisons : La première est qu'il suffit de toucher deux conducteurs sous tension pour faire passer le courant dans les bras. Dans ce cas, le courant traverse aussi le cœur et la fibrillation est inévitable. La deuxième est que certains transformateurs, appelés autotransformateurs n'isolent pas le secondaire. Ainsi, contrairement à ce qu'on aurait pu présumer, il suffit de toucher un conducteur sous tension pour s'électriser.

le secondaire peut ne pas être isolé !

transformateur inconnu

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Est il suffisant qu'un appareil soit hors tension pour le manipuler sans dangers ? Et bien non… Evidement, si l'appareil en question a été pensé pour garantir une certaine sécurité, il suffit de le débrancher pour être tranquille. Cependant, un détail quasi omniprésent dans les circuits électriques peut s'avérer fatal dans certains circuits. La figure ci dessous représente un circuit qu'on trouve dans 90% des appareils domestiques courants, à savoir un redresseur qui transforme la tension alternative du réseau en une tension continue.

décharge du condensateur

= mort si tension

suffisantecondensateur de lissage

bloc redresseur

transformateur

tension alternative :

tension continuephase neutre

C

L'opération réalisée s'appelle une transformation AC/DC et est indissociable de la présence d'un condensateur qui "lisse" la tension de sortie de manière à ce qu'elle soit la plus continue possible. La plupart de ces circuits ont des tensions de sortie faibles compatibles avec l'électronique qu'ils alimentent. Pourtant, da ns les appareils des laboratoires et certains blocs d'alimentations de circuits puissants (Lasers, moteurs, etc…) ces tensions sont fortes voire très grandes. Le problème du condensateur est qu'il peut rester chargé (c'est à dire sous tension) même après l'extinction du courant. Il reste donc deux cas d'électrocution possible : Le transformateur isole le circuit de la terre

Dans ce cas, il est impossible de s'électriser en touchant un seul conducteur, en revanche il suffit de saisir les deux bornes du condensateur pour faire passer le courant Le transformateur n'isole pas le circuit :

Dans ce cas, il suffit de toucher un des conducteurs en liaison avec la borne + du condensateur pour recevoir la décharge…

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