securite_electrique

8/3/2019 Securite_electrique

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Scurit lectrique - 1Plate-forme 3E (lectricit, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. Universit J.Fourier Grenoble

Scurite lectrique

PARTIE THEORIQUE

1 - Lecourant alternatif triphasToute l'lectricit industrielle ( plus de 99%) est produite sous forme de triphas alternatif parce

que :

- les alternateurs ont un excellent rendement (>98%)

- le transport de l'nergie lectrique peut se faire moindre cot

- le triphas est plus facilement redress que le monophas (pour l'alimentation en courant

continu d'appareils transistoriss ou de moteurs courant continu)

- le triphas permet la cration de champs magntiques tournants la base des moteurs

asynchrone et synchrone (rciproque de l'alternateur)

1-1) Courant alternatif monophas

Le monophas domestique BT est pris entre phase et neutre du rseau triphas 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 manire quilibre. Le compteur de

chaque consommateur intgre dans le temps la puissance active.

On peut mesurer la puissance active P avec un wattmtre, appareil qui comporte 2 circuits :

- un circuit gros fil travers par le courant I alimentant le rcepteur

- un circuit fil fin travers par un courant proportionnel la tension V ou U laquelle est

soumise le rcepteur.

La puissance ractive correspond la circulation de puissance lectromagntique effectuant des

allers-retours (2 par priode) entre la source et la charge ractive (bilan nul sur une priode).

La seule puissance qui "compte" (c'est--dire qui fait tourner le compteur) est la puissance active P,

elle seule intervient dans le bilan final d'change d'nergie. Pourtant la circulation de la puissance

ractive Q dans la ligne d'amene de la centrale EDF au compteur du consommateur, demande une

intensit suprieure ce qu'elle serait si la charge tait purement active (une rsistance par exemple),

donc conduit des pertes Joule en ligne suprieures, puissance qu'EDF doit fournir sans pouvoir la

facturer au consommateur.

Par exemple en charge inductive de facteur de puissance cos= 0,9 , les pertes Joules en ligne,

proportionnelles au carr de l'intensit, sont de 20% suprieures {elles varient en (1/cos)2= 1/0,81

= 1,2} ce qu'elles seraient en charge rsistive avec cos= 1.

Aussi EDF impose-t-elle ses gros clients (P>1MW) un cos > 0,95 sous peine d'amende. Malgr

cela 50% de la puissance produite par les alternateurs d'EDF est perdue en ligne!


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1-2 ) Transport du courant triphas

Alternateur

1000V

100m 500km

MT 40kV BT 220/380V1

2

3

N

HT 400kV

transfo transfo transfo

10km1km

Les alternateurs EDF produisent du triphas (et non du monophas : meilleure utilisation de l'espace

statorique cf.T.P machines courant alternatif). Le triphas cote aussi moins cher au transport : 3

fils suffisent pour transporter la puissance P = 3 V Icos , alors qu'il en faut 2 en monophas pour

transporter P = V Icos d'o une conomie d'un facteur 2 sur le cuivre.

Enfin, en alternatif, grce aux transformateurs (qui ont un excellent rendement 99%), on peut

modifier la prsentation de la puissance lectrique : monter V pour abaisser I. Les pertes Joulevariant comme I2(P/V)2, on lve au maximum la tension pour le transport longue distance. La

tension est cependant limite par la tenue des isolants. La BT (basse tension) la distribution est

impose pour la scurit des personnes.

2 -Scuritlectrique des personnes

2-1) Le danger d'lectrisation et d'lectrocution

Le phnomne lectrique qui peut tuer l'homme est le courant traversant la rgion du cur (risques

de fibrillation cardiaque) : aucun effet grave en dessous de 10 mA (sauf ttanisation et risques de

chute!), risques mortels partir de 30 mA. Ce courant est fonction de la tension laquelle la

personne est soumise et de sa rsistance lectrique (qui dpend de la nature des contacts : peau

humide, bottes ou gants de caoutchouc, nature du sol ...); elle varie de 200 2000.

Sans entrer dans les dtails, on admet que la tension de contact UC laquelle on peut tre soumis

sans danger, ne doit pas dpasser une valeur limite UL , qui vaut en alternatif : 12V (efficaces) dans

des locaux immergs, 25V dans un lieu humide et 50V dans un endroit sec (la tolrance est le double

en continu).

Si la tension de contact UC est suprieure ces limites UL, on peut tout de mme s'en sortir sil'lectrocution ne dure pas trop longtemps. Par exemple, en local sec, il n'y a pas de danger si ce

temps t n'excde pas 170ms pour une tension de 220V, et pas de danger si t


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est au contact de la carcasse mtallique et l'utilisateur, dont les pieds sont au sol, joue le rle de

conducteur. Pour l'viter, la premire prcaution est de supprimer tout risque de contact avec des

conducteurs sous tension en utilisant par exemple une carcasse en plastique (sche-cheveux, robot

mnager, perceuse,... etc ) qui offre cependant un risque d'incendie. Mais pour des raisons

mcaniques et/ou lectriques (rfrence de potentiel), beaucoup d'appareils ont une carcasse

mtallique. La protection des personnes dpend alors des installations lectriques :

- du rseau BT (basse tension) de distribution EDF

- de l'installation BT de l'utilisateur.

2-2 ) Les rgimes de protections (TT,TN,IT)

a) Signification de la premire lettre

Elle concerne ce qui se passe chez EDF.

Au niveau de son transformateur MT/BT (moyenne tension/basse tension) triphas, EDF sort 3 filsde phase et un fil de neutre qui vont chez l'utilisateur. Mais EDF relie aussi ce fil de neutre :

- soit directement la terre - lettre T - (rgimes TT ou TN)

- soit indirectement la terre, travers une impdance Z - lettre I - (rgime IT).

Si Rb est la rsistance de mise la terre (Rb


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N

R

Ph Ph

N

PE

RaRd

Rh

V

Uc

I1+ I2

I1

I1

Rseau EDF

installation utilisateur

Rb

I2

I1+ I2

I2

I1+ I2

a) Dfaut franc

Supposons qu' l'intrieur de l'appareil le fil de phase touche la carcasse, Rd est la rsistance de

dfaut. La personne, de rsistance Rh2000 est traverse par le courant I10 qui suit le trajetsuivant : phase R0, dfaut Rd0, masse de l'appareil, personne Rh, sol, terre EDF de valeur

Rb.

- La carcasse de l'appareil n'est pas mise la terre :

Supposons que Ra = Rb = 1.

I10 = V / (R + Rd + Rh + Rb) = 220/(0+0+2000+1) 110mA > Danger

Elle est soumise la tension Uc = 220V > Danger

- La carcasse de l'appareil en dfaut est maintenant mise la terre.

Alors on a V = Rh

I1

+ Rb

( I1

+ I2

) = RaI2

+ Rb

(I1

+ I2)

et I1 = V Ra / [Rh (Ra + Rb) + Rb Ra ]

Note : si Ra = Rb et Rh >> Ra alors I1 I10/ 2 et Vh = V / 2.

Si Ra = 0 alors I1 = 0 et Vh = Uc = Rh I1 = 0 > Aucun danger

En ralit Ra n'est pas nulle (qqs ohms) et le dfaut provoque une monte du potentiel de la carcasse

qui peut tre dangereuse. On comprend l'importance de vrifier la qualit de la mise la terre de

l'installation : Ra doit tre la plus faible possible. On peut d'autre part envisager une protection par

disjoncteur magnto-thermique.

b) Protection par un disjoncteur magnto-thermique


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N

R

Ph Ph

N

PE

RaRd

Rh

V

Uc

I1

Rseau EDFinstallation utilisateur

I1

I2

I2

I1+I2

Rb

Rc

I1+I2+InIn

I1+I2+In

In

magnto-

thermique

Supposons que l'appareil rcepteur ait une puissance de 660W (alors son courant nominal In =

660/220 = 3A et sa rsistance de charge est Rc = 220 / 3 = 73) et que le seuil de dclenchement du

magnto-thermique ait t rgl 5A.

S'il y a dfaut, le transformateur va dlivrer :

- le courant In absorb normalement par l'appareil sous tension

In = V / (R +Rc ) V / Rc

- le courant I1 qui traverse la personne touchant la carcasse

I1 = V Ra / [Rh (Ra + Rb) + Rb Ra ]

- le courant I2 de dfaut passant de la carcasse au sol travers Ra et retournant au transfo EDF par

RbI2 = Rh I1/ Ra

Dans le cas tudi, In = 3A, I1 55 mA,

I2 = 2000*55e-3/1 110A (Danger)

et Vh = Uc = Rh I1 110V (Danger).

Le courant I2 provoque le dclenchement du magnto-thermique rgl 5A et la personne

est protge.

Toutefois ce dclenchement doit tre rapide (t


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Ainsi une protection magnto-thermique ne suffit pas toujours protger les personnes, en

particulier si le dfaut n'est pas franc.

c) Protection par un disjoncteur diffrentiel Rsiduel (DDR)

Plac l'entre de l'installation, sur le fil de phase et sur le neutre, il dclenche rapidement lorsque la

diffrence entre le courant amen par la phase et celui emmen par le neutre excde son seuil In

(courant diffrentiel rsiduel nominal).

N

R

Ph Ph

N

PE

RaRd

Rh

V

Uc

I1

RseauEDF

installationutilisateur

I1

I2

I1+I2

Rb

Rc

I1+I2+In

In

I1+I2+In

In

DDR

Si on met sous tension l'appareil comportant le dfaut Rd = 100, il suffit que le seuil du DDR soit

rgl In = I2 = 1A et les personnes sont protges Mais le dfaut peut avoir une rsistance plus

leve ou la rsistance de terre de l'utilisateur peut tre mauvaise, ce qui peut entraner un non-

dclenchement du DDR. Pour avoir une scurit complte, on choisit le seuil de dclenchement du

DDR infrieur UL/ Ra (Rh>>Ra) d'autant plus bas que la rsistance de l'utilisateur est mauvaise.

Un DDR protge les personnes seulement si In UL/ Ra.

Encore une fois on comprend l'importance de vrifier la qualit de la mise la terre de l'installation :

Ra doit tre la plus faible possible. Le schma TT a l'inconvnient de dclencher au premier dfaut,

privant de courant toute l'installation en aval de la protection de son alimentation. Bien sr, on peut

installer des DDR indpendamment 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 dclenchement plus lev que

chacun des DDR situs en aval. Il faut aussi que le DDR aval ait un temps de rponse plus court

(instantan) que le DDR amont (temporis)

2-4) Rgime TN

Ce schma n'est possible que dans les installations alimentes par un poste de transformation priv,

MT/BT par exemple. Dans le schma TN (TNC ou TNS), du ct utilisateur le conducteur


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quipotentiel, qui relie les masses entre elles, est directement reli au neutre. On le nomme PEN. Son

avantage est que le courant de dfaut I2, qui se referme par le neutre du rseau, est un courant de

court-circuit phase-neutre trs lev pour dclencher trs rapidement une protection classique

magnto-thermique.

N

R

Ph Ph

N

PEN

Rd

Rh

V

Uc

I1

Rseau

EDF

installationutilisateur

I1

I1

Ra

Rc

I1+I2+In

In

I1+I2+In

In

DDR

I2

I2

Si la liaison PE-N est impeccable Re=0. En cas de dfaut franc et si Rd=0 et la surintensit I2 est

norme I2 = V / (R + Rd + Re) = 220A et le disjoncteur magnto-thermique dclenche

instantanment et protge les personnes et le matriel. Cependant si le dfaut n'est pas franc (Rd =

200) ou si la liaison PEN est trs mauvaise (ligne trop longue Re = 200), les problmes sont les

mmes que dans le rgime TT et la solution de protection des personnes est un DDR.

On comprend la ncessit de contrler la qualit de la liaison PE-N pour conserver Re faible. Le

schma TN a l'inconvnient de dclencher au premier dfaut, privant de courant toute l'installation

en aval de la protection de son alimentation

2-5) Rgime IT

Ce schma n'est possible que dans les installations alimentes par un poste de transformation priv,

MT/BT par exemple.

Son intrt est qu'il n'y a pas de danger pour les personnes au premier dfaut, permettant ainsi la

continuit du service et la rparation du dfaut. Il y a danger au deuxime dfaut qui doitobligatoirement couper l'alimentation.

a) Pas de danger au 1 dfaut


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Ph1

Ph2

Ph3

N

Z

Id

Id

Rd2

Rseau priv

RaUc

utilisation

CPI

Le courant Id de ce premier dfaut Rd entre la phase 1 et la carcasse de l'appareil mis la terre par

Ra se referme par le sol et l'impdance Z d'isolation entre le neutre et la terre. Id = V / (R + Rd +

Ra).

Supposons Z = 500 (valeur trs basse), le dfaut franc Rd = 0 et la terre Ra = 20. Alors Id =

220/(500+20) = 0,42A ce qui met la carcasse de l'appareil Uc = Ra Id = 8,5V par rapport au sol. Il

n'y a pas de danger pour la personne qui le touche, condition d'tre certain que Z > 500. Il faut

donc installer un contrleur permanent d'isolement du rseau (CPI) qui signale (alerte visuelle et

sonore) l'apparition du dfaut, c'est--dire lorsque l'impdance du rseau devient infrieur

Z=500.

b) Danger au 2 dfaut

Ra1

Ph1

Ph2

Ph3

N

CPI

Z

Id

Rd2

Uc

Rd1

Ra2Id

U

Rseau priv

atelier n1

atelier n2

Si un deuxime dfaut apparat sur une autre phase, sur un autre appareil situ dans un autre local

(c'est--dire avec une autre prise de terre Rb2), la tension compose U fait circuler un courant Id = U

/ (2R+Rb1+Rb2+Rd1+Rd2) soit Id = 380/40 = 9.5A qui amne les carcasses des 2 appareils en

dfaut Uc = Rb1 Id = 190V par rapport au sol > Danger


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On peut installer des DDR sur chaque partie de l'installation pour viter le danger de l'apparition

simultane des 2 dfauts.

Si les 2 appareils en dfaut sont dans le mme local, leurs 2 masses tant relies la mme prise de

terre, il y a danger si la personne touche simultanment les 2 carcasses, mais le courant de dfaut Id

= U / (Rd1 + Rd2) fait rapidement disjoncter le magnto-thermique de protection.

Il est impratif d'intervenir ds que le CPI signale le premier dfaut, par exemple en isolant de suite

l'appareil en dfaut par son disjoncteur. On peut localiser le dfaut 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

qualit.

La valeur d'une prise de terre est approximativement donne (en ohm) par

R = k/ L o- k varie de 0,8 2 selon la forme du conducteur enterr

- L est la longueur de la tige (tuyau, grille) enterre verticalement (k=0,8) ou horizontalement

(k=2)

- la rsistivit du sol (terrain gras 50m ; gravier 500m ; sable, roche 3000m).

La mesure d'une prise de terre x ncessite 2 prises de terre auxiliaires a et b, chacune trs loignes

les unes des autres.(plus de 20m). Le gnrateur G branch entre X et A fait circuler le courant I

entre X et A : Vx - Va = Rx I + Ra.I. Le voltmtre branch entre x et b mesure la tension Vx - Vb =

Rx I puisque Rb n'est travers par aucun courant. Ainsi Rx = (Vx - Vb) / I.


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Securite electrique

Partie EXPERIMENTALE

Risque lectrique

Cette sance a pour objet d'une part de sensibiliser les tudiants aux risques encourus lors de

l'utilisation de l'nergie lectrique, d'autre part de prvenir toute mauvaise utilisation de cette nergie.

Il est bon, au terme du TP, de retenir au minimum :

- Les notions de phase, de neutre, de terre, tension alternative monophase ou triphase

- Les caractristiques (tensions) de la distribution de l'lectricit domestique

- Le fonctionnement et les caractristiques d'un disjoncteur, la protection qu'il apporte

- Un ordre de grandeur des courants et tensions limites au del desquelles l'tre humain est en danger

- Les diffrents rgimes de neutre utiliss et leurs caractristiques essentielles.

1 - tude des diffrents rgimesdeneutre

1-1) Rgime de protection T.T.

Se reporter au dossier pdagogique pdagogique en salle de T.P, et effectuer les 4 premires

manipulations en rgime TT. Justifier les valeurs numriques obtenues

1-2) Rgime de protection T.N.

Effectuer les trois premires manipulations (cf. Dossier pdagogique en salle de T.P.) en rgime T.N.

Justifier les valeurs numriques obtenues

1-3) Rgime de protection I.T.

Rappeler ses spcificitsFaire un bilan des avantages et inconvnients de ces rgimes de neutres ainsi que de leurs utilisations

prfrentielles : domestiques, industrielles ?

2 -Distribution lectrique

A l'aide d'un multimtre, dterminer la nature (phase, neutre, terre) de chacun des fils :

- d'une prise lectrique classique

- des prises triphases de la salle de T.P.


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Attention au cours de l'utilisation : 220V

En dduire comment est ralise la distribution lectrique de la salle, en particulier l'alimentation

220V rsulte-t-elle :

- d'un branchement entre 2 phases partir d'une distribution 130V triphase?

- d'un branchement entre phase et neutre partir d'une distribution 220V triphase?

3 -Disjoncteurs

Identifier les disjoncteur placs sur les tables de travail et ceux du tableau lectrique

3-1) Disjoncteur magnto-thermique

Contre quel dfauts protge-t-il?Dchiffrer les performances d'un disjoncteur magnto-thermique : courant nominal, type, intensit

de dclenchement

Observer de quoi est constitu le disjoncteur magnto-thermique dmont sur la table de T.P.?

3-2) Disjoncteur diffrentiel

Quel est son fonctionnement ?

Observer de quoi est constitu le disjoncteur diffrentiel dmont sur la table de T.P. ?

4 - Facultatif : Pertes en lignes dans le transport de l'lectricit

Soit U la tension efficace aux bornes de la ligne haute tension et R la rsistance de la ligne.

Calculer la puissance dissipe dans la ligne ? Quelle est l'origine de cette perte?

Quelle est alors la puissance dlivre en bout de ligne, aux bornes d'arrive ?

Calculer le rendement du transport lectrique.

Conclusion, comment peut-onjouer pour amliorer le rendement ?

Quel dispositifutiliser pour mener bien cette amlioration?

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