Électricité – Protection des personnes

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Électricité – Protection des personnes

Banc d’étude des Schémas des Liaisons à la Terre

Jean-David.Delord@univ-eiffel.fr http://jean.david.delord.free.fr

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TP IUT Génie Thermique

Préambule

Ce document est la synthèse :

• Du document de présentation du banc de M. François GIRAULT¹,

• De mon cours sur la protection des personnes²,

• De la notice technique du constructeur.

1 https://eduscol.education.fr/sti/sites/eduscol.education.fr.sti/files/ressources/pedagogiques/2146/2146-kazfets-slt-notice- fr.pdf

2 http://jean.david.delord.free.fr/Dossier_ressource/maintenance/s6/electricite/protection_personnes_slt.pdf

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Introduction

1. Présentation générale de la maquette

Le banc est destiné à l’étude des Schémas des Liaisons à la Terre (SLT) désignés TT, TN et IT selon la norme CEI 60 364. Il permet de simuler une installation électrique dont le schéma est représenté sur chacune des deux faces de travail du banc ; la distribution des récepteurs électriques y est modulable et le conducteur PE vert-jaune peut être raccordé de différentes manières, conformément à chaque SLT. Les deux faces de travail du banc sont presque identiques. Elles sont utilisables simultanément :

• La face A est dédiée à l’étude des schémas TT et TN ;

• La face B est dédiée à l’étude du schéma IT.

Les deux faces partagent la même partie opérative, située dans le caisson inférieur du banc, et constituée de divers résistors (dont un rhéostat à manivelle 1-24 Ω et un potentiomètre 0-2.3 kΩ). Les bornes de ces résistors sont reliées à des douilles de sécurité placées en bas du banc sur le panneau latéral droit.

Les interrupteurs-sectionneurs de mise hors /sous-tension de chaque face sont aussi situés sur le panneau latéral droit. Sur chaque face de travail, l’appui sur le bouton coup-de-poing d’arrêt d’urgence général à verrouillage à clef met hors tension l’ensemble du banc (donc, les deux faces simultanément).

Le banc SLT est prévu pour simuler un réseau de distribution électrique hiérarchisé sur 3 niveaux. Chaque niveau comporte un ou plusieurs groupes d’appareils de protection, désignés Q1, Q2X, Q3X (X = 1, 2 ou 3), le premier chiffre indiquant sa position hiérarchique dans le réseau. Excepté Q31 sur la face A (qui est un interrupteur différentiel), chaque groupe comporte :

• Un disjoncteur magnéto-thermique,

• Un dispositif différentiel à courant résiduel (DDR).

De plus, un voyant signale la présence de tension en aval de chaque groupe d’appareils.

Le raccordement des appareils au réseau s’effectue via des douilles sécurisées en amont et en aval. Sauf pour Q31, les douilles en aval sont systématiquement doublées pour câbler la sortie avec ou sans utilisation du DDR.

Les disjoncteurs et les DDR sont d’autant plus sensibles aux défauts qu'ils sont proches des 3 récepteurs de l'installation. Ces derniers (R1 et R2 monophasés, R3 triphasé) sont situés

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TP IUT Génie Thermique en bas de chaque face de travail. Ils sont simplement constitués de bornes

d'alimentation (douilles) et d'un cadre noir conducteur simulant leur masse métallique (avec 3 douilles de connexion).

L’étude des SLT consiste à simuler des défauts d’isolement de mode commun (entre la masse et un conducteur actif) dans les récepteurs. Pour chacun, un bouton-poussoir (S) est prévu à cet effet : sa borne haute étant déjà reliée à la masse, si l'on connecte la borne basse une borne d'alimentation, l’appui sur le bouton simulera un tel défaut d’isolement.

Des personnes – les pieds en contact avec la terre et la main touchant une masse – sont également schématisées et matérialisées par des douilles sécurisées (rouges) en deux points du corps (main, cœur). En reliant ces douilles via des résistors, on peut simuler les conditions d’électrisation d’une personne.

Pour ne pas perturber le réseau électrique du laboratoire avec les courants de défauts générés sur le banc, chaque face de travail a sa ligne d’alimentation principale isolée par un transformateur avec neutre sorti au secondaire. Ce transformateur doit être vu comme la source d'électricité de l'installation simulée.

Pour une plus grande durée de vie des appareils, il s’agit d’un transformateur triphasé Δ-Y, qui abaisse les tensions simples du secondaire à 130 V. Les courants de court-circuit sont ainsi diminués par rapport à la réalité dans les réseaux monophasés 230 V. Cette différence ne doit pas être négligée dans l’interprétation des mesures en travaux pratiques.

Sur chaque face, la terre du laboratoire n’est pas accessible. Les 5 prises de terre représentées sont fictives et simplement reliées entre elles par un conducteur (ligne équipotentielle cachée). On peut alors choisir, selon le SLT, de la relier ou non au neutre du secondaire du transformateur, via un résistor pour simuler la résistance de terre RB.

Idem pour le conducteur vert-jaune et la résistance de terre RA.

2. Les risques liés à l’utilisation de l’électricité

L'utilisation de l'électricité présente des risques pour les personnes :

• D’incendie et d'explosion, 500 mA étant le courant limite pouvant provoquer l’incandescence du point de contact de deux pièces conductrices,

• D’électrisation et d'électrocution.

On emploie le terme d'électrisation pour toutes victimes, décédées ou survivantes et on réserve le terme d'électrocution aux victimes décédées. Même si le nombre d'accidents du travail a fortement baissé, il reste évidemment toujours trop élevé.

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2.1. Seuils de sensibilité du corps humain aux courants électriques

En première approximation, le corps humain peut être assimilé à une résistance électrique R. Lors d'un contact accidentel, l'énergie dissipée par le passage du courant I durant le temps t se calcule par :

Cette formule montre très clairement que les dégâts causés par l’électrisation dépendent d’abord de l’intensité qui traverse le corps humain, puis du temps de contact et enfin de la résistance électrique du corps.

Cette énergie consommée par le corps provoque des brûlures internes et externes, mais ces effets sont accompagnés d'autres actions plus spécifiques au corps humain telles que :

▪ La tétanisation des muscles des membres : Elle se produit à partir de 10 [mA]

et se traduit par une contraction qui empêche le lâcher. Si le courant est coupé rapidement, le muscle retrouvera son état normal et l'électrisation restera sans séquelle,

▪ La tétanisation du diaphragme : Si le courant n'est pas interrompu, la résistance du corps diminue, l'intensité qui le traverse augmente. Lorsque le seuil de 30 [mA] est atteint, le diaphragme qui commande la respiration est à son tour tétanisé. La paralysie respiratoire entraîne le décès par asphyxie en quelques minutes.

▪ La fibrillation ventriculaire : Le courant électrique a aussi pour effet de dérégler le rythme autoprogrammé du cœur. Une fois déclenché, avec 75 [mA]

environ, ce phénomène est spontanément irréversible. Le sujet se trouve dans un état de mort apparente et son cerveau n'est plus irrigué.

Zone Principaux effets physiologiques constatés

AC-1 Aucune réaction

AC-2 Sensations désagréables mais pas d’effets physiologiques dangereux

AC-3 Tétanisation musculaire avec risque de paralysie respiratoire mais sans fibrillation ventriculaire AC-4 Fibrillation ventriculaire probable de 0 à 5% (AC-4.1), de 5 à 50% (AC-4.2), de 50 à 100% (AC-4.3)

possibilités d’arrêt respiratoire, d’arrêt cardiaque, de brûlures graves, etc…

Courant passant par le corps humain

Durée de passage du courant

W = R . I². t

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TP IUT Génie Thermique Compte tenu que les premières secondes et les premières minutes qui succèdent à l'accident sont fondamentales pour les chances de survie, il est bon de rappeler les actions à exercer immédiatement :

▪ Couper le courant électrique de toute urgence,

▪ Prévenir les services de secours,

▪ Pratiquer le bouche-à-bouche et le massage cardiaque en attendant les secours spécialisés.

2.2. Tension de sécurité

L’intensité qui traverse la personne Ic, dépend de la tension de contact Uc et de la résistance électrique de son corps R.

R varie beaucoup en fonction de l’humidité de la peau et de la tension de contact. L’âge et la corpulence ont aussi une influence.

La norme NF C 15-100 définit 3 courbes de sécurité selon la nature des lieux et fixe la règle de sécurité :

Quel que soit le régime de neutre, tout défaut d’isolement susceptible de développer une tension de contact Uc, supérieure à la tension de sécurité Us (12, 25 ou 50 V selon les locaux) devra être éliminé par les dispositifs de protection en un temps inférieur ou égal à celui défini par les courbes de sécurité.

• 50 [V] : locaux d’habitation – locaux industriels et commerciaux non mouillés,

• 25 [V] : locaux industriels et commerciaux mouillés – enceintes conductrices non mouillées - extérieur,

• 12 [V] : enceintes conductrices mouillées, volume de protection des salles d’eau et piscines.

Ic = Uc R

25 50 100 200 230 300 400

1000 2000 3000 4000 5000

R [Ω]

Uc [V]

Peau : Sèche Humide Mouillée Immergée

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3. Mesures actives de protection contre les contacts indirects

3.1. Schémas des liaisons à la terre (SLT)

La norme NF C 15-100 décrit 3 schémas de liaison à la terre (SLT) :

• Le TT : neutre à la terre et masses à la terre,

• Le TN : neutre à la terre et masses au neutre,

• L’IT : neutre isolé ou impédant et masses à la terre.

La première lettre désigne le neutre, la seconde les masses.

Nous étudierons en premier, le régime de neutre TT, de très loin le plus utilisé. C’est le régime utilisé sur le réseau public ERDF.

3.2. Régime TT

Le neutre est mis à la terre au niveau du transformateur général basse tension (TGBT).

Toutes les masses des appareils électriques sont interconnectées et reliées à la terre.

En cas de défaut d’isolement sur une phase, il se crée un courant de défaut Id qui passe dans la masse et revient au TGBT par la terre (pointillé rouge). Comme la prise de terre des masses constitue une certaine résistance RA, il apparait une tension de défaut Ud entre la masse et la terre.

Q1

Q2

𝐼𝑑

L1 L2 L3 N 𝑉 = 230𝑉

𝑈_𝑑 𝑅_𝐴

𝑅𝐵 ou 𝑅𝑁

Conducteur de protection électrique PE

RA et RB : résistance de prise de terre

𝑅_ℎ

Rh : résistance Être humain Id : boucle de courant de défaut

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Travail demandé

4. Manipulation 1

SLT planche 1 Cas a :

• Ouvrir tous les organes de coupure (Q1 à Q33).

• Réaliser le montage correspondant à la planche 1 sans établir la liaison b (PE2 sur récepteur R2).

Câble électrique Câble électrique à ajouter en 2^ème partie de manipulation

•Ri : récepteur 1, 2 ou 3

•Bpi : bouton poussoir 1, 2 ou 3

•Hi : homme 1, 2 ou 3

•UL : tension limite

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• Mettre sous tension en fermant Q1, Q21 et Q32.

• Créer un défaut franc dans le récepteur R2 en appuyant sur le bouton poussoir Bp2.

• Mesurer la tension entre les masses des récepteurs R1 et R2 (entre les mains de l'opérateur H2) et conclure sur un éventuel danger :

UC12= ; __________________________________________________

• Mesurer la tension entre la masse R2 et la Terre et conclure sur un éventuel danger :

UC2= ; __________________________________________________

Cas b :

• Établir la liaison directe PE2 (Les masses des récepteurs R1 et R2 se trouvent interconnectées et reliées à la Terre). Schéma équivalent :

• Créer un défaut franc dans le récepteur R2 en fermant Bp2.

• Mesurer la tension entre les masses des récepteurs R1 et R2 (entre les mains de l'opérateur H2) et conclure sur un éventuel danger^:

UC12= ; __________________________________________________

• Mesurer la tension entre la masse R2 et la Terre et conclure sur un éventuel danger :

UC2= ; __________________________________________________

• Brancher une résistance de 1000  entre le corps et les pieds de l’opérateur H2, puis avec un ampèremètre entre son corps et sa main, mesurer le courant qui le traverse :

IC2=

Conclusion :

L’interconnexion des masses et leur mise à la Terre ne sont pas des conditions suffisantes pour assurer la protection des personnes.

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5. Manipulation 2

• Réaliser le montage correspondant à la planche 2 (pour la charge de 20  du départ n°2, utiliser le rhéostat).

Schéma équivalent :

4,7 

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• Créer un défaut (Rd2 = 4,7 ) dans le récepteur R2 en appuyant sur Bp2.

• Calculer le courant de défaut théorique Id et déterminer UC1 et UC2. Pour ce faire vous devez raisonner dans la boucle de courant de défaut (cf page 5) et faire un schéma de résistances vous permettant d’appliquer la loi d’Ohm, loi des nœuds et loi des mailles.

• Mesurer les tensions entre les masses des récepteurs et la Terre et conclure sur un éventuel danger : o UC3= ; __________________________________________________

o UC2= ; __________________________________________________

o UC1= ; __________________________________________________

En conclusion (compléter les mots manquants)

• Bien que le circuit ait été chargé aux limites de Q32 (In ≈ 6,2 A) nous constatons que le défaut à la masse _____________________________________ déclenchement du magnéto-thermique Q32.

• Bien que le disjoncteur Q31 soit ouvert, on relève entre la masse du récepteur R1 et la Terre une tension excessive (UC1= _________ _____ UL= 50V). Cette tension, _________________ dans le local mouillé où se trouve R1, est renvoyée par l’interconnexion des masses.

• Mesurer le courant qui traverse H2 : __________________________

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TP IUT Génie Thermique Cas b :

• Couper Q32 et passer par le DDR Q32. Schéma équivalent :

• Mettre sous tension en refermant Q32.

• Créer le défaut (Rd2=4,7 Ω) dans le récepteur R2 en appuyant sur Bp2. Que constatez-vous ?

______________________________________________________________________________________________

En conclusion, une protection par DDR _________________________________ pour assurer la sécurité.

6. Manipulation 3

Mise en place d’un disjoncteur différentiel électromécanique à courant résiduel (DDR)

C’est un appareil qui assure une protection contre les défauts d’isolement par déclenchement électromécanique instantané ou sélectif (retardé pour assurer une sélectivité verticale) qui permet une :

• Protection des personnes contre les contacts indirects,

• Protection des personnes contre les contacts directs (choisir IΔn= 10 ou 30 mA),

• Protection des installations électriques (risques d’incendies provoqués par courant de défaut).

Un DDR fonctionne sur le principe d’une pince ampèremétrique. Il détecte la fuite de courant vers la terre en mesurant l’intensité qui passe dans l’ensemble des conducteurs actifs, phase(s) et neutre.

Tous les conducteurs actifs passent dans le tore magnétique (4), une ou plusieurs fois. En l’absence de fuite de courant, le champ magnétique est nul. Dès qu’apparait une fuite de courant vers la terre, un champ magnétique tourne dans le tore et la bobine d’induction (6) génère un courant proportionnel à l’intensité de défaut.

Ce courant est utilisé dans un électro-aimant (7) pour appuyer sur la gâchette et provoquer l’ouverture des pôles (1).

Le déclenchement du DDR se produit si l’intensité différentielle attend le seuil In.

Pour assurer la sécurité, il faut toujours Ud < UL. En conséquence, In doit être inférieure à 𝐼_∆𝑛 < ^𝑈^𝐿

𝑅_𝐴

1 1 3 2

8

4

5 5

6 7

1 – Pôles

2 – Accrochage mécanique 3 – Levier d’armement 4 – Tore

5 – Bobinages principaux 6 – Circuit de détection 7 – Électro-aimant 8 – Dispositif magnétique

4

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• Réaliser le montage correspondant à la planche 3. Schéma équivalent :

• Ajuster les seuils du différentiel de Q1 à I∆n = 1A et t = 60 ms.

• Créer un défaut dans le récepteur R3 en appuyant sur Bp3.

o UC2= ; __________________________________________________

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• Calculer le courant de défaut Id, et vérifier les valeurs de UC mesurées ; puis mesurer ce courant en introduisant un ampèremètre dans le circuit.

Id :_______________________________________

Cas b :

• Ouvrir Q1.

• Déterminer le réglage du différentiel Q1 :

UL = _________________ ; RA = _________________ ; In = _________________

In sera fixé à 300 mA et t = 60 ms.

• Fermer Q1.

• Créer le défaut en appuyant sur Bp3.

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7. Manipulation 4

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• Créer un défaut dans le récepteur R3 en appuyant sur Bp3.

o UC2= ; __________________________________________________

o UC1= ; __________________________________________________

• Vérifier ces mesures par calcul du courant de défaut Id.

Cas b :

• Ouvrir Q1.

• Remplacer RA = 120 Ω par RA = 3,9 Ω (200W).

• Fermer Q1.

• Créer le défaut en appuyant sur Bp3.

o UC2= ; __________________________________________________

o UC1= ; __________________________________________________

• Vérifier ces mesures par calcul du courant de défaut Id.

• En conclusion (à compléter), si I∆n est fixée alors, pour que la protection soit efficace : 𝑅_𝐴 ≤

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8. Manipulation 5

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• Ajuster les seuils du différentiel de Q1 à I∆n = 1A et t = 250 ms

• Le disjoncteur différentiel Q32 s’ouvre.

Il y a sélectivité entre le DDR Q32 (_________________) et le DDR Q1 (temporisé à 250 ms). On obtient ainsi une protectionsélective.

Cas b :

• Câbler le DDR de Q21, et régler le temps de déclenchement de Q1 à 0 (position INST).

Un des disjoncteurs Q32, Q21 ou Q1 s’ouvre, au hasard des dispersions des courbes de disjonction de chaque appareil. Il n’y a pas de ___________________ entre les DDR Q32, Q21 et Q1, tous instantanées.

Cas c :

• Réaliser le montage de la partie a. Ajuster les seuils de Q1 à I∆n = 30 mA et t = 250 ms.

• Créer un défaut franc dans le récepteur R2 en fermant Bp2. Que se passe-t-il ?

_____________________________________________________________________________________________________________________________________

• Le déclenchement temporisé de __________________ permet la ___________________ entre Q32 et Q1.

En conclusion, un DDR ___________________ doit toujours être associé à un DDR ___________________ en aval.

Autre manipulation possible : Installation ne présentant pas de sélectivité différentielle.

• Câbler les DDR Q1, Q22 et Q33, avec pour seuils de Q1 : I∆n = 300 mA et t = 90ms.

• Créer un défaut franc sur le récepteur R3. Que se passe-t-il ?

______________________________________________________________________________________________

• On peut aussi supprimer la temporisation de Q1 en respectant le réglage I∆n à 300 mA. Que se passe-t-il ? ______________________________________________________________________________________________

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9. Manipulation 7

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• Ajuster les seuils du différentiel de Q1 à I∆n = 1A et t = 250 ms

• Mettre sous tension en fermant Q1 (réarmer le DDR correspondant si nécessaire), Q22, Q33.

• Que fait le disjoncteur différentiel Q1 : ________________________________________________________

• Calculer le courant de défaut Id et interpréter le résultat.

• Mesurer avec un ampèremètre la valeur du courant de défaut Id. Id = _____________________

Cas b :

• Remplacer RA = 22 Ω par RA = 390 Ω (en associant en série des résistances de 270 Ω et 120Ω).

• Mettre sous tension en fermant Q1, Q22, Q33.

• Le disjoncteur différentiel Q1 reste fermé. Pourquoi ?

______________________________________________________________________________________________

• Calculer Id dans ce cas.

• Mesurer la valeur du courant de défaut en branchant un ampèremètre à l’endroit du défaut franc sur R3.

o Id = _________________________

• Comparer Id à In. Conclure.

______________________________________________________________________________________________

• Mesurer la tension entre la masse du récepteur R3 et la Terre. Conclure.

o UC3 = ; _________________________________________

En conclusion, dans notre exemple UC3 reste < UL = 50 V si :

𝑅𝐴≤ 𝑈_𝐿

𝑠𝑒𝑢𝑖𝑙 𝐷𝐷𝑅 𝑒𝑛 𝑄1

La protection n’est donc assurée par le DDR Q1 de seuil I∆n = 1A que dans la mesure où (à compléter) :

𝑅_𝐴≤𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓

𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓= Ω

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10. Manipulation 7

(22)

• Créer un défaut de 120 Ω dans le récepteur R3 en appuyant sur Bp3. Que se passe-t-il ?

______________________________________________________________________________________________

• Calculer le courant de défaut Id.

• Placer un ampèremètre aux bornes de Bp3 et mesurer le courant de fuite à la Terre. Quelle est la valeur de Id et il y a-t-il un risque ?

o Id = _____________________ ; _______________________________________________________

Cas b :

• Débrancher l’ampèremètre.

• Ouvrir Q33.

• Brancher R3 sur le DDR de Q33, sensibilité sur I∆n = 300 mA.

• Fermer Q33.

• Créer le défaut de 120 Ω dans le récepteur R3 en fermant Bp3. Que se passe-t-il ?

______________________________________________________________________________________________

Les récepteurs placés dans les locaux présentant des risques d’incendie devront être protégés par des DDR de seuil I∆n ≤ 300 mA. (Article 482.2.10 de la norme NF C 15-100).

Autre manipulation possible : Mesurer les tensions de contact UC1, UC2 et UC3.

o UC3= ; __________________________________________________

o UC2= ; __________________________________________________

o UC1= ; __________________________________________________