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Un aquarium : de l'eau, de l'électricité - Partie 1

Qui vit innocent… vit content ! QUOI ?


De l'eau, mais aussi de l'électricité ! Quand il s'agit de surcroît, d'eau salée, la bonne fée peut rapidement devenir maléfique tant les risques sont importants. Pour que notre passion reste un plaisir, je vous propose dans cette série "Qui vit innocent... vit content" d'aborder en 3 parties, tous les aspects nécessaires à un système électrique performant et sûr.

Dans un premier article, nous aborderons les normes, les textes réglementaires, des définitions, des concepts… Des notions très chi… barbantes, mais nécessaires pour parler le même langage et définir le QUOI, c'est-à-dire de quoi parle-t-on. Dans un second temps, les illustrations et mises en situation seront plus… ludiques et surtout indispensables pour comprendre le POURQUOI : pourquoi cette réglementation tellement pointilleuse est et restera nécessaire. Enfin, dans un troisième et dernier article, nous pourrons élaborer le COMMENT : comment sécuriser les installations électriques de nos aquariums. Mais attention ! Passer directement au comment ne donnera pas le SAVOIR, indispensable pour aborder une situation nouvelle, donc inconnue, en apportant les bonnes réponses ! Bonne lecture…

Partie 1 : Qui vit innocent… vit content ! QUOI ?
Partie 2 : Qui vit innocent… vit content ! POURQUOI ?
Partie 3 : Qui vit innocent… vit content ! COMMENT ?

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Partie 1 : Qui vit innocent… vit content ! QUOI ?

 

Comprendre les sujets abordés, définir des mots, élaborer des concepts, découvrir une méthode simple permettant de raisonner facilement sur des sujets inconnus une heure plus tôt, là sont les objectifs de cette première partie.

Il se trouve qu’avec les chaleurs caniculaires de ces derniers jours (nous sommes mi-juillet), il n’est pas question de faire grand-chose dans la maison… Alors, Cap Récifal et… je tombe par hasard sur le topique ci-dessous qui date de presque une année.

 

Ce genre de propos n’est pas rare et me plonge toujours dans une grande perplexité. J’ai eu à perdre un collègue de 28 ans, père de deux enfants, dont la seconde n’avait que six mois, à cause de la fée Elektra… mon métier d’origine… avant de devenir fainéant dans l’E.N. Il ne s’agit pas ici de ridiculiser, de juger, ou bien de faire le malin : ce serait inconvenant, détestable… et surtout contre-productif. Il s’agit de donner à tous les passionnés de Cap Récifal les moyens d’agir en conscience, sans pour autant être titulaire d’un diplôme +++ en électrotechnique ou en physique, dans le seul but d’assurer la sécurité de sa famille, de soi-même, de ses biens sans oublier ses hôtes aquatiques.

Question : qu’en est-il des 45 Volt mesurés dans cet aquarium ?

Heu… il a mesuré quoi ? Entre quoi et quoi ? Et surtout, avec quoi ? Telles sont les seules réponses que je fais si je ne dispose pas d’informations supplémentaires… A moins de répondre au hasard, par des présupposés non démontrés… ou de répéter ce que j’ai entendu dire ou vaguement lu dans un topique quelconque, sans savoir véritablement de quoi je parle… Alors on raisonne ensemble ? Non ? Oui ?

Très bien, c’est parti !

1. Grandeurs et notions… indispensables

1.1. Circuit électrique

Schéma électrique

C'est la description graphique du fonctionnement d’un équipement électrique, une véritable langue avec, comme toutes les langues :
- Un vocabulaire : les symboles qui sont normalisés au niveau européen.
- Une syntaxe : « quand on peut dire quoi faire on met E R » ; pour nous, ce sera par exemple « tout circuit doit être protégé contre les courts-circuits ».
- Un syntagme : « Le loup hurle le soir au fond des bois » et non pas « Loup soir le fond le hurle au des bois ».
- Une sémantique : « Le moule à gâteau est rempli » n’est pas le même moule que celui de « Ces moules à la crème sont délicieuses », bien que dans les deux cas on parle cuisine.
Tout comme en français, un certain esthétisme ne nuit pas à la compréhension du schéma, bien au contraire…
Figure 1

Le petit schéma électrique de la figure 1 est la représentation du plus petit circuit électrique possible : un générateur de courant G, une résistance électrique R, des bornes a, b et c… et des fils symbolisés par des traits fins qui relient les éléments entre eux. Le générateur débite un courant I sous une tension U. Le courant I tourne dans le circuit G, a, R, b, c et G et est commun à tout le circuit. Entre les bornes a et c du générateur, il existe la tension U. Les bornes b et c sont sur le même fil. On peut donc estimer les deux bornes comme étant électriquement identiques (ce qui n’est pas totalement exact… nous verrons plus loin pourquoi ces deux bornes peuvent ne pas être électriquement identiques).

Figure 2

Si ces deux bornes sont électriquement identiques, nous pouvons apporter la simplification de la figure 2 : la borne b disparaît. Dans ce second schéma, on visualise bien que la tension U est la même aux bornes du générateur G et de la résistance R.

1.2. Boucle.

Figure 3

Un véritable schéma électrique comporte bien d’autres éléments indispensables à l’électricien pour comprendre le fonctionnement de l’équipement considéré. La figure 3 est un des schémas possibles du montage de la figure 2 : X1 et X2 sont les bornes repérées selon la norme, le fusible F protège l’équipement des courts-circuits, l’interrupteur S permet la mise EN/HORS service de la résistance R, la résistance R est reliée à la terre (rassurez-vous, les explications vont faire l’objet de plusieurs paragraphes), les indications U et I ne figurent plus car elles sont inutiles pour un professionnel (s’il en a besoin, il les mesure).

On voit bien que sur le véritable schéma de la figure 3 il nous est difficile de raisonner : trop d’informations (F, S…) parasitent notre attention. Ce qui est utile au professionnel pour comprendre le fonctionnement n’est pas adapté pour comprendre le/les dangers pour les hommes ou les femmes qui interviennent sur/autour de cet équipement électrique. Il est donc préférable de garder le dessin de la figure 1 ou celui de la figure 2 pour raisonner et comprendre ce qu’il se passe dans tel cas bien précis.

Dans la figure 1, on a une boucle G, a, R, b, c et retour à G. Dans cette boucle, il y a un générateur de courant G qui débite un courant I. Si un homme est DANS cette boucle, qu’il y soit totalement ou partiellement, il est POTENTIELLEMENT en danger !

Les figures 4 et 5 nous donnent deux exemples possibles de contact entre le circuit électrique et un homme (un récifaliste distrait !). Il y a peut-être danger… mais faute d’avoir étudié les deux cas, on ne peut rien affirmer de plus.

Figure 4
Figure 5

 

La figure 6 n’est pas une boucle… donc pas de courant I… donc aucun danger. Mais si notre récifaliste distrait touche un point quelconque du circuit, il faut refaire une nouvelle figure pour étudier le cas et savoir si OUI ou NON il est en danger.

Figure 6
Figure 7

 

Dans la figure 7 il n’y a pas de générateur de courant dans la boucle a, R, b, a… donc en l’état, aucun danger. Dans la figure 8 il n’y a pas de générateur du tout, donc…

Dans la figure 8, il y a une boucle sans générateur. Donc…

Figure 8
Figure 9

Enfin, dans la figure 9, notre récifaliste distrait commet la faute la plus grave qu’un électricien puisse faire : il a court-circuité le générateur G. Un courant de court-circuit Icc tourne et n’est limité que par la résistance interne du générateur G, qui est très faible. Les conducteurs chauffent, les isolants fondent… et le feu est possible !

1.3. Quand le normal devient totalement… anormal !

La norme distingue le contact entre un homme (ou une femme) et une pièce nue normalement sous tension (contact direct) et le contact entre une femme (ou un homme). Bon ! Inutile de sauter sur votre clavier, pour l’ensemble de cet article je parlerai d’homme au sens « appartenant à l’espèce humaine »... (bien que dans certains cas, on se demande si c’est véritablement le cas), et une pièce normalement isolée de la tension et qui ne l’est plus (contact indirect) : une pensée émue pour Claude François. Cet accident sera décortiqué plus tard car il est édifiant et démontre, s’il était besoin, que la fée Elektra et l’eau ne font pas bon ménage. Ce second cas est beaucoup plus traitre, car la personne en contact ne prend aucune précaution particulière puisque le danger est normalement absent et pourtant totalement présent…

L’usage veut qu’on parle d’électrisation lorsqu’il n’y a pas décès et d’électrocution dans le cas contraire. Mais l’électrisation est souvent la cause de graves accidents pouvant conduire à une mort certaine (sursaut qui déséquilibre et provoque une chute…).

La norme française NFC 15-100, reprise par la norme européenne CEI 15-100 indique la/les protections électriques minimales obligatoires dans chaque équipement pour protéger les personnes et les biens. Les textes règlementaires de l’Union Technique des Électriciens (U.T.E.) indiquent les protections supplémentaires souhaitables pour les mêmes objectifs. Enfin, le premier souci est de protéger les lignes électriques : une ligne en surcharge chauffe, ce qui détruit les isolants, crée des arcs électriques qui génèrent des incendies pouvant tuer ou mutiler les personnes… Décidemment, dans le monde de la fée Elektra, la vie n’est pas un long fleuve tranquille !

1.4. La loi ! Euh… la loi d’Ohm ?

Figure 10

Je suis d’un naturel enjoué, qui aime rire de tout… mais pas avec n’importe qui… Il y a une chose avec laquelle je ne ris jamais : LA LOI D’OHM ! Penser, même brièvement, même un tout petit peu, que quelqu’un, quelque part, s’amuse avec la loi d’Ohm me plonge dans une rage folle ! Des punitions corporelles devraient être autorisées pour celles ou ceux qui auraient l’impensable audace de rire de/avec la loi d’Ohm !

U = R x I
(Fig. 10)
U en Volt symbole V (Volt du physicien Italien inventeur de la pile électrique,
R en ohm, symbole Ω,
I en Ampère, symbole A (Ampère du physicien Français Ampère inventeur, entre autre, du premier télégraphe électrique).

En déclinant on obtient :

R = U / I  et I = U / R.

1.5 En série ou en parallèle, elles résistent !

Figure 11

La résistance équivalente à deux résistances (R1 et R2) montées en série est égale à la somme des deux résistances (Fig. 11) :

Rt = R1 + R2.

 

Les tensions U1 aux bornes de R1 et U2 aux bornes de R2 s’additionnent également :

Ut = U1 + U2
Figure 12

L’intensité I est commune à tout le circuit.
La résistance équivalente à deux résistances (R1 et R2) montées en parallèle (Fig. 12) est égale à (ne me demandez ni pourquoi ni comment, il en est ainsi ! C’est comme ça et pis c’est tout !) :

Rt = (R1 x R2) / (R1 + R2)


La tension U est commune aux deux résistances. L’intensité It est égale à la somme des deux intensités I1 et I2 :

It = I1 + I2 avec I1 = U / R1 et I2 = U / R2.

1.6 Isolants et conducteurs… soi-disant parfaits !

Il n’existe ni isolant ni conducteur électriquement parfait. L’isolant parfait est… le vide sidéral. Quant aux métaux conducteurs, ils seraient parfaits à 0 degré Kelvin, soit à -273°C. À cette température (0 degré absolu), les conducteurs ont une résistance électrique de 0 Ω.
Ces deux paramètres ont des conséquences inattendues, en particulier pour notre sécurité…, ce que les chapitres à venir vont nous démontrer. Mais dès à présent on peut raisonner.

Figure 13
La figure 13 montre que la tension au bout d’une ligne est plus petite qu’au départ de celle-ci : une ligne (Phase, Neutre) alimente un récepteur quelconque éloigné du générateur. Comme le conducteur parfait n’existe pas, le fil de Phase présente une résistance électrique, de valeur RPh Ω et est traversé par le courant I. L’application toute simple de la loi d’Ohm nous fait écrire : ∆UPh = I x RPh avec ∆UPh qui est la tension entre les deux extrémités de la Phase. Même raisonnement pour le Neutre ce qui nous donne ∆UN = I x RN avec ∆UN aux extrémités du fil du Neutre. Résultat :

UArrivée = UDépart - ∆UPh - ∆UN.

 

Celles ou ceux d’entre vous qui comme moi habitez dans le monde rural, celui des p’tits déj’ des matins ensoleillés sur la pelouse, des diners interminables sous les étoiles les soirs d’été… toujours sur la pelouse… bref, si vous êtes à la campagne et heureux de l’être, vous pouvez vérifier facilement mes dires : selon que vous habitez à proximité du transformateur E.D.F. du village ou que vous êtes au bout du bout du chemin, la tension sur vos prises de courant varie de 245 V à 220 V… (La loi fixe à ± 5% la tension distribuée par E.D.F.).

Figure 14

La figure 14 nous montre que des courants « de fuite » passent de la Phase au Neutre à travers les isolants des conducteurs… qui ne sont pas parfaits ! Ces courants « de fuite » sont très faibles, de l’ordre de 10 à 15 Ampère pour une ligne de quelques dizaines de mètres. Mais on comprend facilement que si la ligne est longue, ou que le réseau est important, ce courant « de fuite » n’est plus négligeable. J’ai eu à découvrir, du temps où j’étais jeune et beau (Mais si ! J’ai été jeune !), une usine dans laquelle les « courants de fuite » étaient de plus de 3 A ! Or ce courant, ou plus exactement « ces courants de fuite » passent… où ils peuvent passer… (Encadré ci-dessous). Une conclusion perturbante : lorsqu’une installation électrique, dans un bâtiment ou dans un équipement industriel, est sous tension, des courants circulent même si aucun récepteur n’est en fonctionnement ! Autrement dit l’arrêt n’est pas synonyme de zéro Ampère. A méditer…

Ohm, un grand pas pour l'Homme

Rien n’est plus simple que la loi d’Ohm, et pourtant… En électrotechnique, son application stricte nous permet de répondre à une multitude de bizarreries qui ne relèvent aucunement de la magie. Dans cet article, pour simplifier les concepts abordés, je ne manipule que les grandeurs physiques du courant continu, celui des piles ou des batteries. Pourtant, l’énergie électrique distribuée par E.R.D.F. est du courant alternatif ; certains doivent être déjà sur leur ordinateur pour me le faire remarquer. Cela ne change en rien les raisonnements développés : simplement, les équations restent beaucoup plus simples en continu qu’en alternatif. Mais sachez qu’en courant alternatif, les « courants de fuite » sont encore beaucoup plus importants qu’en courant continu ce qui génère des courants dit « telluriques » qu’il ne faut pas négliger pour notre sécurité…

2. Quelques données chi… barbantes, mais absolument incontournables…

Les normes et les textes réglementaires ont toujours un coté indigeste, ennuyant et parfois obscure. Mais ils/elles sont nécessaires, surtout dans un monde individualiste, monde dans lequel le « chacun pour soi qui fait n’importe quoi » prime sur le mieux collectif.
Dans cette premièe partie, les mots « protection » et « sécurité » règnent en maîtres… non pas parce que je les ai choisi, mais parce qu’ils figurent partout dans les textes officiels.

2.1. C’est quoi déjà le titre de cet article ?

Marie Skłodowska, plus connue sous le nom de Marie Curie, manipulait sans précautions particulières le radium qu’elle venait de découvrir… Aujourd’hui encore son petit laboratoire reste complètement contaminé. Était-elle idiote ? Certes non ! C’est la seule à avoir obtenu deux prix Nobel dans deux matières différentes : la chimie et la physique ! Mais la méconnaissance des dangers encourus l’a rendue imprudente. Elle est morte d’une leucémie le 4 juillet 1934… Hé oui ! Qui vit innocent vit content

2.2. Bref historique… plutôt macabre !

  • En 1882, la Société Britannique des Ingénieurs Télégraphistes et Électriciens recommandent qu’il faille disposer appareillages et conducteurs de telle façon qu’il n’y ait pas de risque d’électrisation pour une tension supérieure à 60 Volt.
    En 1889, un télégraphiste monté sur un poteau s’électrocute et brûle pendant une demi-heure en plein centre de New-York sur une ligne 200V= (courant continu).
  • En 1890, Kremler est le premier exécuté à la chaise électrique avec du 1560V~ (courant alternatif). C’est à l’évidence ce qu’on appelle la modernité
  • En, 1923, en France, une norme impose la mise à la terre des masses… sans indiquer les conditions de mise à la terre et sans prévoir de protection des personnes.
  • En 1927, un arrêté impose en France la mise à la terre du neutre.
  • En 1935, le décret sur la protection des personnes (NF C 310) commence à parler du risque inhérent au défaut d’isolement. Il est à noter que les dispositifs de protection de seuil inférieur à 30A (il n’y a pas d’erreur, il s’agit bien de 30 Ampère) sont sensés assurer la protection des personnes.
  • En 1951, les premiers C.P.I. (Contrôleur Permanent d’Isolement) à tubes électroniques sont installés dans les mines, en effet, les conditions de travail dans les mines sont très dures : l’eau ruisselle de partout et les poussières mettent à l’épreuve les matériels et les appareillages. Pour éviter les accidents d’origine électrique, la surveillance automatique de l’isolement total du réseau est un grand progrès.
  • En 1954, invention du disjoncteur différentiel.
  • Depuis 1962, les normes, décrets et textes réglementaires se succèdent pour améliorer la sécurité des installations électriques.
    Sources : Les Cahiers Techniques de Télémécanique - Groupe Schneider.

2.3. Mon coup de gueule… à moi… ! Heu... Na !

Le courant électrique (et non pas la tension) tue, brûle, mutile. Il faut voir le majeur du bébé de 9 mois raccourci de 2 phalanges, bébé bricoleur qui entre son doigt dans une prise, ou l’échancrure de la lèvre supérieure d’une fillette de 16 mois, qui a tellement mordu le câble de sa lampe de chevet que cette lèvre supérieure est rongée jusqu’à la narine…, sans compter tous les incendies, tous les traumatismes, bref, toutes les conséquences d’un « pépin » d’origine électrique. Faut-il voir tout cela pour se sentir concerné ?
Le courant électrique tue plus, brûle plus, mutile plus les gens dans leur logement que les travailleurs dans les entreprises (la norme NF C 15-100 et les textes réglementaires parlent uniquement de travailleurs, d’apprenants ou de public ; elle parle aussi de locaux qui sont industriels, résidentiels individuels ou collectifs, agricoles, etc.). Dans le monde du travail, au moins pour épargner aux employeurs des procès redoutables, tout est fait correctement par des professionnels et surtout, est vérifié tous les ans par des organismes spécialisés (VERITAS, APPAVE, SECURITAS...). Chez les particuliers…

Être d’un naturel enjoué n’est pas synonyme d’inconscience. Que chaque récifaliste « bricole » l’installation électrique de son aquarium, OUI, mille fois OUI ! Mais pas n’importe comment : il vous en coûtera même parfois moins cher pour être protégé des « coups durs » les plus courants qui sont aussi les plus simples à éviter !

Que diriez-vous d’un pays dans lequel il n’existe aucun code de la route officiel… où chacun se fait son propre code à lui… parce que « son sien » est meilleur que celui des autres ? Que deviendrait, en cas d’accident, le bon droit de celui qui roule à droite et se fait écharper par celui qui roule à gauche… à moins que ce ne soit l’inverse ? Mais c’est promis, juré, craché, je ne vous ferai plus la morale…

Chatouillage et gratouillage

Le tambour
: ... je sens une espèce de démangeaison ici.  Ça me chatouille, ou plutôt, ça me grattouille.
Knock : Attention ! Ne confondons pas. Est-ce que ça vous chatouille, ou est-ce que ça vous grattouille ?
Le tambour : Ça me grattouille. Mais ça me chatouille bien un peu aussi....
Knock ou le Triomphe de la médecine. Jules Romains.
Notre corps est très sensible. Il l'est particulièrement aux effets du courant électrique.

2.4 « Ça vous chatouille ou ça vous gratouille ? »

Le tableau 1 donne les effets du courant électrique sur le corps humain. À l’origine, des essais ont été effectués d’abord sur des veaux, puis surtout sur des porcs pour déterminer les niveaux létaux du courant électrique pour l’homme (le porc possède une physiologie identique à celle de l’homme… j’ai bien dit de l’homme !).
Le mythe du « coup de jus qui ne m’a rien fait » est un fantasme : il y a des peaux plus ou moins épaisses, plus ou moins abîmées, des chaussures plus ou moins isolantes, une humidité ambiante plus ou moins importante..., bref, des cas particuliers qui s’étudient, notamment par les ingénieurs de l'Institut National de Recherche et Sécurité (I.N.R.S.), pour comprendre chaque accident répertorié et en tirer les conséquences par des améliorations normatives.

 
Tableau 1 : Effets du courant sur le corps humain
Courant Effets sur le corps humain
0,5 mA Perception de courant par la peau (fourmillements).
5 mA Secousse électrique, ce qu’on appelle « une bonne châtaigne ».
10 mA Contracture empêchant de lâcher prise.
25 mA Tétanisation des muscles respiratoires entraînant une asphyxie au-delà de 3 minutes.
40 mA Fibrillation ventriculaire au-delà de 5 secondes.
50 mA Idem au-delà de 1 seconde.
2 000 mA Destruction du cerveau.
Source : Institut National de Recherche et Sécurité (I.N.R.S.).

 

On compte bon an mal an autour de 150 accidents mortels d’origine électrique dans les entreprises (dans le monde du travail, chaque accident fait l’objet d’une enquête). Pour les particuliers, il est difficile de savoir, les accidents n’étant pas toujours répertoriés : les assureurs laissent entendre qu’il y aurait 2 à 3 fois plus d’accidents mortels et d’incendies.

Le tableau 1 nous apprend que l'on ressent le courant dès 0,5 mA, c'est-à-dire 10 000 fois moins que l’intensité dans un fer à repasser.

2.5. Temps de coupure maximum autorisé

Cette lecture du tableau n°1 mérite attention : on constate que le temps d’électrisation revêt aussi une importance considérable. Le tableau 2 donne le temps maximal qu’un dispositif de protection doit mettre pour agir.

Tableau 2 : Temps de coupure d'un dispositif électrique
Tension de contact
(Volt)
Temps de coupure
(Seconde)
< 50 5
50 5
75 0,6
90 0,45
120 0,34
150 0,27
230 0,18
300 0,12
400 0,07
500 0,04
Source : NF C 15-100

 

Châtaignes à ne pas ramasser !

Mon métier m’a amené à prendre «plusieurs « châtaignes », dont trois ont été redoutables. La première m’a occasionnée une brûlure à la main gauche justifiant 15 jours d’arrêt du travail. Les deux autres m’ont laissé H.S. pendant près d’une heure. Mais il y a un effet méconnu et redoutable suite à une électrisation trop importante : c’est le « blocage » des reins (si un médecin lit ces lignes, il pourra compléter mon propos). En cas d’extrême danger, le cerveau, pour sauver le cœur, bloque toutes les autres fonctions physiologiques. C’est pourquoi, au lieu de rire de sa « châtaigne » qu’il croit avoir vaincu, notre récifaliste distrait doit boire (de l’eau ou du jus de fruit) jusqu’à ce qu’il urine pour ne pas s’empoisonner avec son urée…

Ces deux tableaux appellent quelques commentaires.

  • C’est la conjonction du courant et du temps qui électrise ou électrocute.
  • Le tableau 2 s’entend les deux mains sur deux bornes différentes, conductrices, avec la peau d’au moins une main abîmée : on considère que ce cas correspond à une résistance électrique de 1 000 Ω ; c’est le cas le plus fréquent lorsqu’il y a accident.
Figure 15 : Effets d'un courant électrique sur le corps humain.Illustration : Diaxens

Si notre récifaliste distrait « bricole » le tableau électrique de son aquarium et qu’il touche en même temps la phase et le neutre, il est soumis à une tension de 230 V~. Dans ce cas, il est traversé par un courant de : I = U / R soit I = 230 / 1 000 = 0,23 A. D’après la figure 15, la protection qu’il n’a pas manqué de mettre doit agir en moins de 40 ms (40 millisecondes). Si cette protection est efficace, il sera sauf… pour cette fois, non sans être quelque peu secoué pendant plusieurs minutes (encadré ci-contre).

2.6. Classe d’isolation des appareils électriques

Les appareils électriques, plus précisément les récepteurs (moteurs, outils portatifs, électroménager, baladeuses, …) ont, sur l’étiquette posée par le fabricant, un symbole normalisé indiquant la classe d’isolation de l’appareil. Il existe 4 classes repérées de 0 à 3. Tout appareil qui n’a plus son étiquette d’origine tombe en classe 0.

Le tableau 3 détermine les symboles pour chaque classe.

Tableau 3 : Classes d'isolation électrique
  • Classe 0 : les appareils doivent être installés dans un local électrique : soit un bâtiment ou une pièce spécifiquement construit à cet effet, soit une armoire électrique, une boîte de raccordement, …, pour leur donner une isolation assurant la protection des personnes (Il faut être habilité pour entrer totalement ou partiellement (les mains dans une armoire électrique) dans un local électrique. Être électricien ne suffit pas : l’habilitation est donnée par l’employeur alors que le diplôme est donné par l’état…).
  • Classe 1 : les équipements nécessitent une mise à la terre de leur masse métallique. C’est le cas chez vous du lave-linge, du lave-vaisselle, du four électrique, des plaques de cuisson, …
  • Classe 2 : cette classe regroupe la plus part des appareils portatifs (perceuse, meuleuse, scie sauteuse, scie circulaire, …) de Monsieur, le Moulinex de Madame… à moins que ce ne soit l’inverse, les épouses utilisant la ponceuse et les maris le presse purée (Heu… j’ai rien dit ! Mais alors, rien de rien… si ce n’est qu’un presse purée électrique… un appareil à mouliner à la rigueur… ). Physiquement, on ne peut pas mettre ces appareils à la terre, ET IL NE FAUT SURTOUT PAS ESSAYER DE LE FAIRE ! Regardez attentivement l’étiquette de votre pompe favorite…
  • Classe3 : les appareils de cette classe, la plus restrictive et la plus drastique dans sa mise en œuvre, fonctionnent en T.B.T.S. (Très Basse Tension de Sécurité). La T.B.T.S. sera abordée dans la partie suivante.

2.7. Indice de Protection, le fameux IP

Tableau 4 : Indices de protection IP

Chaque appareil, chaque appareillage, possède un indice I.P. défini par deux chiffres (protection contre les solides et contre l’eau) dont la signification est donnée au tableau 4. La prise de courant de votre salle à manger ou de votre chambre est classée IP21 ou IP22, selon les fabricants. En fonction des besoins, l’indice change. Lorsque l’un des deux chiffres n’est pas connu, la lettre X remplace le chiffre : IPX3 indique que la protection contre les poussières n’est pas donnée par le constructeur mais que le matériel est étanche à une pluie verticale inclinée d’un angle de 60° au maximum.

Exemple concret : soit une pompe de brassage IPX7 (immergeable jusqu’à un mètre d’eau). Qu’en est-il de notre récifaliste distrait qui pose cette pompe de brassage au fond… de la fosse qu’il vient de réaliser, fosse d’une profondeur de 1,5 m, soit 50 % de plus que le mètre de l’IPX7, sachant que le temps, la chaleur, les U.V, la profondeur sont des facteurs de vieillissement… À méditer !

2.8. Volume de protection.

Figure 16 : Volumes de protection.

Je l’ai évoqué mais le cas mérite qu’on s’y attarde quelque peu. Claude François (ce drame m’a servi pendant une trentaine d’années de support pour mes cours… mais ça, c’était avant…), meurt électrocuté, les deux pieds dans sa baignoire pleine, en voulant redresser une applique en bronze qui était légèrement de travers… Tout y est !

  1. Classe d’isolation de cette applique ?
  2. Indice I.P. ?
  3. Pouvait-on installer cette applique en bronze à cet endroit ?
  4. Accessoirement, l’installateur était-il compétent ?

Le même accident aujourd’hui amènerait le juge à poser ces questions à qui de droit…

La figure 16 illustre bien le concept des 5 volumes de protection, repérés de 0 à 4. Le tableau 5 donne l’indice IP minimum imposé aux appareils et appareillages électriques, pour chaque volume.

Tableau 5
Volume Normes
Volume 0 Aucune installation électrique n’est autorisée.
Volume 1 Interrupteur, éclairage en T.B.T.S. 12V I.P. 64 minimum.
Volume 2 Chauffage et éclairage de classe 2, I.P. X3 minimum.
Volume 3 Matériel de classe 1, I.P. X1 minimum.
Source : NF C 15-100

 

J’attire votre attention sur trois problèmes, compte tenu des dimensions des salles de bain qui ne sont pas toujours suffisamment grandes pour l’usage d’une salle de bain actuelle : la prise de courant pour le rasoir électrique de Monsieur (cette prise est parfaitement adaptée à l’épilateur de Madame…), le chauffage électrique et le lave-linge, des équipements souvent placés dans cette pièce.

  1. Le lave-linge est un appareil de classe 1 (je n’en ai jamais vu de classe 2 ou 3). D’après la norme, il doit être placé dans le volume 3, ce qui n’est pas toujours le cas. Un appareil de classe 1 dans le volume 2, c’est une véritable chaise électrique qui tue régulièrement moult ménagères…
  2. Le radiateur électrique (ou le sèche serviette) doivent impérativement être de classe 2 (2 carrés imbriqués sur l’étiquette). J’ai un ami qui m’a expliqué qu’il avait fait une affaire en achetant un radiateur de 2 kW pour sa salle de bain, moins cher qu’un radiateur de 1,5 kW du même constructeur… Le Consuel (organisme qui vérifie les installations électriques dans les locaux d’habitation neufs pour que E.R.D.F. raccorde le compteur au réseau) a refusé l’installation : le radiateur était de classe 1 ! Résultat : il a fallu acquérir un radiateur classe 2 et programmer une nouvelle visite du Consuel, deux fois plus chère que la première.
  3. Figure 17 : Prise IP44
  4. La prise électrique du rasoir doit être à 60 cm du robinet pour être en volume 3. Pour bien faire, en l’occurrence respecter la norme, il faudrait que cette dernière soit IP44, comme celle de la figure 17. Ces prises ne sont pas esthétiques du tout. Nous reviendrons sur ce cas plus tard mais d’ores et déjà, sachez qu’il existe des prises spécifiques pour rasoir, parfaitement sécurisées… qui coûtent 4 fois le prix d’une prise « normale », comme celle que vous avez certainement et qui est un véritable piège à moustique (avec la lumière bleue) pour votre visage. J’ai la certitude que demain matin vous penserez à moi en vous rasant.

2.9. Tension limite de sécurité.

La tension limite de sécurité, repérée UL, est la tension au-dessus de laquelle une personne ne doit pas être soumise, même en cas de détérioration des isolants. Elle est fixée par la norme NF C 15-100. Le tableau 6 détermine les UL pour chaque type de local.

Tableau 6 : Tension limite de sécurité (UL)
Nature du local Tension limite
de sécurité (UL)
Locaux secs (salle à manger, salon, chambre, …) 50 Volt ~
Locaux humides (W.C., salle de bain, cuisine, cave, extérieur, …) 25 Volt ~
Locaux immergés (piscine, baignoire, douche, bidet, …) 12 Volt ~

3. Euh… Tricité statique ou tricité normale ?

Il n’y a pas d’électricité statique, qui serait gentille, non dangereuse comme il est dit dans le topique à l'origine de cet article, et une électricité… tout court, qui serait méchante, donc dangereuse pour nos pauvres personnes. Il y a des électrons, qui circulent dans le même sens ou pas…, ce qu’on appelle le courant électrique.

3.1. Au commencement était l’atome…

Figure 18 : Atome avec son noyau et ses électrons.

La structure de l’atome n’a été découverte qu’au XXème siècle. Un atome est constitué d’un noyau autour duquel tournent des électrons (Fig. 18). Le noyau est constitué de neutrons dont la charge électrique est neutre et de protons dont la charge électrique est positive. Les électrons ont une charge électrique négative. Il y a autant d’électrons que de protons.

L’atome d’hydrogène, le plus simple, ne contient qu’un électron, donc un seul proton. Un atome peut perdre ou gagner un électron : l’air « arrache » des électrons de la carrosserie de votre voiture lorsque vous roulez ; le vent fait la même chose aux nuages ; le frottement d’un sous-vêtement en nylon aussi…

Les figures 18 donnent 4 exemples d’atomes : celui de l’hydrogène (Fig. 18a), du plomb et de l’or (Fig. 18b) et du cuivre (Fig. 18c). On constate que plusieurs couches d’électrons « gravitent » autour du noyau.

Figure 18a : Atome d'hydrogène.
Figure 18b : Atomes de plomb et d'or.
Figure 18c : Atome de cuivre.

 

3.2. Notion de champ électrostatique

Figure 19 : Champ électrostatique ou électrique.

Un atome qui a perdu un électron est chargé positivement ; il crée autour dans l’espace qui l’entoure un champ électrostatique (Fig. 19) autrement nommé champ électrique. De fait, cet atome « cherche » à reconquérir l’électron perdu.

Figure 20 : Champ électrostatique entre nuages et sol.

Deux plaques conductrices parallèles, l’une chargée positivement et l’autre chargée négativement à l’aide d’un générateur à courant continu (Fig. 20), forment un condensateur. Entre ces deux plaques, il existe un champ électrostatique uniforme F mesuré en Volt/mètre. Si la tension U entre les deux plaques dépasse la tension dite de « claquage », un arc électrique nait. Il porte la température entre ces plaques à plus de 2 000°C. Des atomes de métal sont arrachés de la plaque chargée négativement pour se déposer sur la plaque chargée positivement. Un plasma, le 4ème état de la matière, constitué de gaz très chauds et de particules métalliques chargées, se crée entre les plaques.

3.3. Effets d’un champ électrostatique trop important

Euh… Souvenez-vous du Zeppelin, gonflé à l’hydrogène, véritable bombe incendiaire volante, qui a brûlé au moment de son arrimage. À l’approche du poteau d’arrimage un arc électrique se crée pour « égaliser » les charges électrostatiques…
Le camion-citerne venant remplir votre cuve à fioul ou votre citerne à gaz ou la passerelle qui vous permet de descendre de l’avion, sont conçus pour éviter le pire.
Une précision : sauf à de rares exceptions, les lignes « Haute Tension » ne passent pas au-dessus des habitations ; l’exposition constante à un champ électrostatique important aurait des conséquences sanitaires néfastes (on parle de cancer).

3.4. Et l’orage ?

« Parlez-moi de la pluie et non pas du beau temps
Le beau temps me dégoute et m'fait grincer les dents
Le bel azur me met en rage »…
Brassens, L’orage.

Il est dû aux cumulonimbus qui sont des nuages à développement vertical, de plus de 8 000 mètres de hauteur, dont la base se situe autour des 2 000 mètres (Fig. 20). Les courants ascendants, à l’intérieur du nuage, arrachent des électrons aux gouttes d’eau et à la glace (Fig. 21). Le bas du nuage est chargé positivement et le haut négativement. Un champ électrostatique énorme se crée à la longue dans le nuage. Il arrive que les charges électrostatiques sont telles que des arcs électriques se créent entre le haut et le bas du nuage.

Figure 21 : Création d'un champ électrostatique dans le cumulonimbus.

Le vent pousse les nuages… et arrache lui aussi des électrons aux gouttes d’eau. L’ensemble du nuage est chargé positivement par rapport au sol. Le rééquilibrage des charges électrostatiques peut s’effectuer avec le sol (foudre) ou entre deux cumulonimbus. C’est l’orage d’été, souvent violent, parfois dévastateur.

Figure 22 : Répartition des causes d'incendies.

La foudre frappe les points les plus hauts, entendons-nous dire… Ce n’est pas totalement exact, nous verrons dans la partie 2 pourquoi. Pour autant, les arbres, les clochers… payent un lourd tribu à la foudre. J’ai eu à subir un gros orage d’été à 1 150 m d’altitude dans les Alpes maritimes, sur un petit terrain de camping. La foudre est tombée sur deux arbres. Le lendemain matin, une équipe est venue déblayer les arbres éclatés en deux. Lorsqu’un tracteur a déterré la première souche, j’ai constaté que la terre était vitrifiée autour des racines principales… La foudre cause des incendies : la figure 22 donne la répartition des causes des d’incendies (source Union quelque chose des Assurances). On constate que la foudre n’est responsable que de 1% des sinistres, alors que pour l’électricité c’est 41%... à méditer…

3.5. Tension de pas… ou pas de tension ?

Figure 24 : Tension de pas, entre les deux points de contact avec le sol.

La foudre, c’est une intensité comprise entre 1 000 A et… 100 000 A. Le conducteur parfait n’existe pas (paragraphe 1.6.), donc la terre n’est pas un conducteur parfait. Ainsi, lorsque la foudre frappe, par exemple un arbre, la loi d’Ohm s’applique : U = Rsol x foudre ! Par conséquent, si je suis dehors lorsque la foudre tombe, j’ai une tension entre les deux pieds ; tension dite tension de pas (Fig. 24). Si cette tension dépasse la tension limite de sécurité UL, je suis en danger !

Figure 23 : En situation de foudres, s'accroupir, pieds joints, comme en C1.

La tension de pas est dangereuse dans un cercle de 50 m de rayon autour de l’impact de la foudre. La figure 23 illustre 3 situations différentes en cas de foudre :

  • La randonneuse (en C1), s’accroupit les pieds joints pour minimiser au maximum la tension de pas. C’est la seule chose à faire !
  • Le randonneur avance sans précaution particulière (C2). Il risque l’électrocution !
  • La vache (C3), à cause de la distance entre les pattes avant et arrière sera électrocutée ; la presse parlera le lendemain de bêtes foudroyées…
Câble à la pelle !

Il m’est arrivé de vivre une situation assez cocasse. Une pelleteuse creusait une tranchée dans la cour d’un immense silo à grains (vécu vers 1975, le silo construit en 1945). À un moment, nous voyons le pelleteur sauter de sa machine les pieds joints, puis, par sauts successifs, s’éloigner d’une bonne trentaine de mètres de sa machine. Il venait de remonter un câble 15 000 V enterré et non signalé par un grillage (c'était courant à l’époque de la reconstruction du pays). Pour éviter une tension de pas peut-être mortelle, il appliquait, non sans râler, la procédure apprise pour obtenir son diplôme de pelleteur…

 

Nous avons vu que des courants de « fuite » circulaient « comme ils pouvaient ». Il en est de même des courants de défaut d’isolement, qui sont nombreux. Nous verrons dans le chapitre suivant, pourquoi des courants de défaut d’isolement importants circulent.

Figure 25 : Beau bébé !
Figure 26 : Beau bébé en danger si un courant tellurique circule dans le sol.

 

Imaginons le magnifique bébé de la figure 25 (j’ai essayé de dessiner un nourrisson à 4 pattes… Malgré un don exceptionnel pour l’art graphique, le résultat était quelque peu… Vive Internet !), à 4 pattes sur la pelouse du pavillon familial. Image bucolique et heureuse d’un jeune couple qui vient de faire construire… Beaucoup de pavillons, construits sur un sous-sol, ont de la terre de remblai autour de la terrasse, ces terres ne sont donc pas homogènes… Des parcours telluriques préférentiels s'y créent pour le passage des courants électriques. La figure 26 illustre la situation dans laquelle le bambin risque de se retrouver… Ce cas n’est pas un cas d’école : c’est tellement vrai que E.D.F. (à l’époque E.R.D.F. n’existait pas… mais ça, c’était avant !) a pris des mesures pour éviter cette situation dans les quartiers pavillonnaires. Ce sujet sera abordé dans la seconde partie.

4. Prises de terre qui deviennent très vite… prises de tête !

Trop souvent, le profane s’imagine que le courant électrique entre dans le sol… pour y rester ! Après tout, c’est ce que fait la foudre. On touche là une différence fondamentale entre l’égalisation des charges électrostatiques (une fois le nombre d’électrons rééquilibré, tout est terminé) et le passage d’un courant électrique. Pour qu’il y ait courant, il faut une boucle ET dans cette boucle un générateur de courant (paragraphe 1.2.) !

4.1. Fil de garde… et enfant de Puteaux…

Le transport de l’énergie électrique est souvent gravement perturbé par l’orage et la foudre. Cette dernière frappant une ligne électrique crée une surtension néfaste pour tous les appareils électriques qui sont chez les abonnés. Le transport se fait en triphasé 125 000 V, 250 000 V ou 400 000 V ; la distribution, elle, est en triphasé 400 V entre phases ce qui donne 230 V entre chaque Phase et le Neutre. La figure 27 donne l’exemple d’un coup de foudre direct sur une phase de la ligne Haute Tension. Le transformateur ne fait pas la distinction entre Haute Tension « normale » et une surtension d’origine atmosphérique : il transforme ! L’abonné se retrouve avec plus de 1 000 V sur son poste de télévision… en plein match… et Madame en pleine lessive ! Pour la lessive, aucun problème : elle peut être terminée à la main… mais le match… (Euh… Mille pardons, cela m’a échappé ! Promis, juré, craché, je ne le ferai plus… ) !

 

Pour contourner cette difficulté, E.D.F. met un fil de garde relié au-dessus des Phases de la Haute Tension (Fig. 28). Ce fil est relié à la terre à chaque poteau. Si la foudre doit tomber sur la ligne, c’est sur le fil de garde. Ainsi, la surtension ne touche pas la ligne électrique.

4.2. Le neutre relié à la terre

Figure 29 : Distribution basse tension, sans fil de garde.

En basse tension, de 50 à 1000 V en courant alternatif, il n’y a pas besoin d’un fil de garde : le conducteur Neutre peut avantageusement remplir la même fonction, sans fil supplémentaire (Fig. 29). Il suffit de relier ce Neutre tous les deux ou trois poteaux pour que la surtension soit évacuée. En contrepartie, nous avons apporté un problème :

  1. Si le conducteur Neutre n’est pas relié à la terre (Fig. 30), il n’y a aucun point commun entre la distribution et le sol. Autrement dit, si on touche une phase, il n’y a pas de boucle… donc aucun danger.
  2. Par contre, lorsque le Neutre est relié à la terre (Fig. 31), il y a 230 V~ entre le sol et chaque Phase, puisque le sol est au potentiel du neutre ! Autrement nous sommes en danger mortel dès qu’il y a contact avec une Phase.
Figure 30 : Neutre non relié à la terre, pas de danger en cas de contact d'une phase.
Figure 31 : Neutre relié à la terre, danger en cas de contact d'une phase.

 

Voili voilou pourquoi la mise à la terre du conducteur Neutre, pourtant indispensable pour protéger vos installations et vos appareils électriques de la foudre, nous met en danger lorsqu’il y a contact direct ou indirect avec une Phase quelconque.

4.3. Coup de foudre… indirect !

Si le fil de garde et la mise à la terre du Neutre sont efficaces contre les coups de foudre directs, ils sont totalement inopérants contre les coups de foudre indirects.

Figure 32 : Situation de foudre indirecte.

Soit la situation de la figure 32, somme toute assez banale ; un nuage d’été passe au-dessus d’une maison et d’un arbre. Le champ électrostatique est tel que la foudre tombe sur l’arbre (situation 1). Mais immédiatement le champ électrostatique entre le sol et la parabole est suffisant pour qu’un coup de foudre indirect frappe celle-ci (situation 2).
Cette mésaventure est arrivée à une collègue d’anglais qui habite à 20 mètres du clocher de mon village. Résultat : le téléviseur, le décodeur, le magnétoscope, la chaîne Hi-Fi, le Minitel, le téléphone, le répondeur, le réfrigérateur, le radioréveil, la cafetière programmable, le fil d’antenne T.V. et la moitié de l’installation électrique encastrée, ont brûlé ! L’assurance a indemnisé la collègue, sous réserve que la nouvelle installation soit préservée des coups de foudre indirects.
On considère qu’au-delà de 50 mètres d’un paratonnerre, d’un arbre, d’un bâtiment haut…, il n’y a plus de risque de coup de foudre indirect.

4.4. Notion de sol… lointain

Soit le montage de la figure 33 comprenant un générateur à courant continu, un voltmètre et trois piquets en laiton. En partant du piquet fixe A en direction du piquet fixe B, déplaçons le piquet mobile C de 10 cm en 10 cm et relevons la tension U à chaque fois. Traçons la courbe U = f (d) avec U en Volt et d en décimètres. Nous obtenons la courbe de la figure 34. La partie de la courbe dans laquelle U ne varie pas est nommée « Sol lointain ». Dans cette zone, il n’y a pas de variation de la tension, donc aucun danger à y circuler… même pieds nus dans l’herbe humide ou mouillée. Par contre, aux abords des deux piquets fixes, il y a danger à circuler !

Figure 33 : Mesure de tension entre deux piquets A et B conducteurs.
Figure 34 : La variation de tension est nulle dans une zone "sol lointain", à distance des piquets, entre ces derniers.

 

Conclusions :

  • Il ne faut pas circuler aux abords des prises de terre.
  • Il ne faut pas mettre les prises de terre dans un passage (au milieu d’une allée ou d’une pelouse), dans un local (cave, grange, garage…).

4.5. Symbole non normalisé d’une prise de terre… mais tellement pratique pour comprendre !

Figure 35 : Symboles d'une prise de terre.

La figure 35A donne le symbole normalisé d’une prise de terre. Malheureusement, celui-ci ne nous est guère utile pour comprendre les problèmes de sécurité. C’est pour cette raison que j’emploie le symbole non normalisé de la figure 35B.

Figure 36 : La prise de terre est efficace si la tension Ud, générée par le courant de défaut Id, reste inférieure à la tension limite de sécurité UL.

Exemple significatif de ce qui précède : soit notre récifaliste distrait qui a les pieds sur le sol lointain (le carrelage de son salon par exemple) et qui touche à pleine main un conducteur de terre (le pied métallique de son aquarium relié à la terre par exemple). La figure 36A n’est pas très explicite pour comprendre la situation de notre ami distrait. Par contre, la figure 36B est édifiante : si un courant de défaut d’isolement repéré Id passe dans le conducteur de terre, une tension de défaut repérée Ud apparaît aux bornes de la prise de terre. Si Ud > UL alors notre ami est en danger de mort… toujours l’application de la loi d’Ohm. Cette situation est extrêmement fréquente, pour des raisons qui seront illustrées dans la deuxième partie.

4.6. Prises de terre de fait, prises de terre intentionnelles.

Figure 37 : Prises de terre de fait, formées par la structure métallique du hangard.

Les prises de terre intentionnelles sont réalisées avec des piquets galvanisés, du 28 mm² en cuivre nu, des plaques ou des grillages en cuivre… Les prises de terre de fait sont toutes les prises de terre non intentionnelles mais qui existent : poteaux métalliques plantés dans le sol (charpente de hangar par exemple), machines posées ou fixées au sol (machine à laver ou congélateur dans une grange), tuyauteries métalliques enterrées etc.

Les prises de terre de fait ont une importance méconnue : elles améliorent notablement la valeur de la prise de terre intentionnelle. L’exemple de la figure 37 n’est pas un cas d’école mais l’illustration de l’atelier de… mon menuisier favori ; j’ai simplement adapté les valeurs pour que le calcul soit simple.
La résistance équivalente aux 20 prises de terre de fait vaut : Re = 50 / 20 = 2.5 Ω.
Si on relie toutes les prises de terre ensemble, suivant le pargraphe 1.5., la résistance de la prise de terre vaut : Rt = (2.5 x 7,5) / (2,5 + 7,5) = 1,875 Ω. Or, pour un même courant de défaut Id, plus Rt est faible, plus la tension de défaut Ud est faible… et moins on a de malchance d’atteindre la tension limite de sécurité UL !

5. Paratonnerre, parafoudre, parasurtenseur…

Que d’appareils, qu’on n’évoque jamais par des paraphrases, qui ne sont ni des parapluies ni même des paraphrénies… mais des parapets pour ne pas devenir para… lysé* par la foudre !

* Oui, je sais, mais que voulez-vous ? Qu’en plus de vous torturer avec mes affaires je vous fasse la gueule ?

5.1. Éclateur

Si, malgré les précautions évoquées aux paragraphes 4.1. et 4.2., la foudre tombe sur une ligne, il faut éliminer la surtension ainsi créée au plus vite pour limiter les dégâts chez les utilisateurs de la fée Elektra.
L’appareil le plus simple qui éliminera toute la surtension au-dessus de 1,5 x Unominal, est l’éclateur, mis en place sur le réseau de distribuiton du courant. Les figures 38 et 39 donnent deux exemples d’éclateurs. Le principe consiste à avoir une électrode reliée à une phase et en face, une seconde électrode reliée à la terre. Lorsque la foudre tombe sur la ligne, un arc électrique se forme entre les deux électrodes et la surtension est limitée. Cela implique que vos appareils qui fonctionnent sur du 230 V~, acceptent une surtension brève de 350 V~, ce qui est généralement le cas… sauf pour tout ce qui est électronique, car les composants de cette technologie n’acceptent pas les surtensions. Une électronique de qualité est prévue pour écrêter toutes surtensions, mais…

Figure 38 : Schéma d'un éclateur. En cas de foudre, un arc électrique se crée entre terre et phase, déchargeant le circuit de distribution.
Figure 39 : Eclateurs sur pylone haute tension.

5.2. Paratonnerre

Figure 40 : Paratonnerre.

La foudre, directement ou indirectement, a de multiples effets :

  • Thermiques : fusion des conducteurs, incendies.
  • Électrodynamiques  : desserrage des bornes (très fréquent), d’où des échauffements des raccordements et la destruction des isolants (Ceux d’entre vous qui possèdent un thermomètre infrarouge peuvent vérifier une fois par an la température des raccordements à leur tableau de distribution… et resserrer les bornes légèrement dévissées.).
  • Une montée du potentiel des terres (risques accrus aux alentours des prises de terre).
  • Des surtensions de plusieurs milliers de Volt.
  • Des courants induits destructeurs (les phénomènes magnétiques sont abordés au chapitre 6.).

Un paratonnerre (Fig. 4) est un dispositif destiné à protéger les bâtiments des coups de foudre directs en canalisant les charges électrostatiques vers le sol (Larousse 2009). Un paratonnerre mal choisi ou mal posé ne remplit pas sa fonction.

5.3. Parafoudre

Le paratonnerre est un appareil préventif, qui cherche à éviter que la foudre tombe là où il ne faut pas. Le parafoudre est un appareil curatif, qui cherche à limiter les méfaits de la foudre lorsqu’elle tombe sur la ligne ou sur une antenne (parabolique ou non). La figure 41 donne les départements français particulièrement touchés par la foudre. Dans ces départements, les parafoudres sont obligatoires (pour les installations électriques neuves, pour les antennes diverses et pour les téléphones.

Figure 41 : Département les plus concernés par la foudre.
Figure 42 : Principe de fonctionnement d'un parafoudre.

 

Le principe de fonctionnement rappelle celui de l’éclateur. Des cartouches (une par conducteur actif, c'est-à-dire les Phases et le Neutre) normalement isolantes deviennent immédiatement et définitivement conductrices en cas de surtension importante (schéma figure 42). En aval de ces cartouches, la ou les Phases sont court-circuitées avec le Neutre et le tout est relié à la terre par un conducteur vert/jaune de 16 mm² minimum (important !). Normalement, le disjoncteur (qui doit être adapté au parafoudre !) est fermé ; les cartouches isolent les conducteurs de la terre ; tout va bien. En cas de surtension, une ou plusieurs cartouches deviennent conductrices, font un court-circuit entre la ou les Phases et le Neutre et la terre ; le temps de réaction du disjoncteur (moins de 10 ms…) est suffisant pour que, lorsqu’il coupe, la surtension est éliminée.
Voili voilou… Inutile de préciser que c’est affaire d’électricien, et d’un bon, car si le disjoncteur n’est pas le bon, si le vert/jaune n’est pas assez gros, si le parcours du vert/jaune entre le parafoudre et la terre n’est pas adapté, si… si… si… c’est la catastrophe. La figure 43 montre l’installation d’un parafoudre dans un tableau de distribution et la figure 44, un exemple de parafoudre pour antenne (parabolique ou autre). Pour en avoir branché un chez moi, je peux affirmer que les restrictions de raccordement sont nombreuses et qu’il faut impérativement s’adresser à un électricien consciencieux et confirmé.

Figure 43 : Parafoudre dans un tableau de distribution.Source : Legrand
Figure 44 : parafoudre pour antenne (parabolique ou autre).

 

Enfin, pour clore ce paragraphe, il n’y a rien de plus énervant et de plus difficile à faire accepter par les béotiens que l’acquisition et la pose d’un appareil d’autant plus coûteux qu’il ne sert… à rien en temps normal.

5.4. Parasurtenseur que certains fabricants nomment parafoudre de proximité

Figure 45 : Parasurtenseur.

Le parafoudre complète l’action du paratonnerre ; le parasurtenseur complète l’action du parafoudre. Il repose sur le même principe de fonctionnement. Les éléments qui provoquent le court-circuit sont des éléments électroniques qui ne se remplacent pas. La figure 45 montre un exemple de « réglette de prises » protégées par un parasurtenseur autrement nommé parafoudre de proximité. Même si après avoir rempli son œuvre cette réglette est hors service, c’est un matériel bien utile pour votre ordinateur, par exemple.

6. Notion de champ… magnétique

En physique, un champ est une zone de l’espace dans laquelle s’exerce une force gravitationnelle, magnétique, électrostatique ou de toute autre nature. Les champs électriques (champ électrique ou champ électrostatique, sont deux façons de dire la même chose… sauf que cela est moins long à taper ! ) et les champs magnétiques sont des concepts qui expliquent l’interaction à distance de l’électricité. La figure 46 montre les différences conceptuelles entre ces deux champs.

Figure 46 : Particularités des champs magnétique et électrostatique.

 

Figure 47 : Champ électrique et champ magnétique sont perpendiculaires.
Figure 48 : Les ondes électromagnétiques, incluant la lumière.

Le champ électrique et le champ magnétique sont perpendiculaires l’un à l’autre (Fig. 47). Leurs variations sont liées les unes aux autres par les équations de Maxwell. Rassurez-vous, il n’est pas question ici d’aller plus loin dans l’explication de ce qu’est le champ magnétique.

Les ondes électromagnétiques sont nombreuses ; la lumière en fait partie. La figure 48 répertorie l’ensemble des ondes électromagnétiques connues à ce jour.

6.1. Courant continu et courant sinusoïdal

Pour simplifier (il serait peut-être temps !), nous dirons qu’il existe deux types de courants différents : le courant continu (celui des piles, des batteries, des magnétos et des dynamos, (Fig. 49) et le courant alternatif (celui distribué par E.R.D.F. (Fig. 50).

Figure 49 : Courant continu.
Figure 50 : Courant alternatif.

 

On constate que le courant alternatif est une fonction sinus qui se répète 50 fois par seconde (Cette fréquence est valable pour toute l’Europe sauf… pour nos amis Anglais), ce qui complique d’autant les formules en courant alternatif.

6.2. Champ magnétique

Le champ magnétique est généré soit par un aimant permanent soit par un courant électrique continu ou sinusoïdal. Dans les deux figures 51 et 52, on constate que la limaille de fer s’oriente selon les lignes de champ magnétique (on les nomme également "lignes de flux magnétique").

Figure 51 : Champ magnétique produit par un aimant.
Figure 52 : Champ magnétique produit par un courant continu.

 

Dans un aimant (Fig. 51), le champ magnétique résulte du mouvement des électrons sur eux-mêmes. Avec un courant continu (Fig. 52), le champ magnétique résulte du courant électrique, donc du déplacement des électrons dans le conducteur. Si le courant est sinusoïdal, le champ magnétique l’est aussi.

Intuitivement et ce sera suffisant comme explication, on se doute que :

  • Plus le courant est important, plus le champ magnétique l’est aussi.
  • Plus on s’éloigne de l’aimant ou du conducteur, plus le champ magnétique diminue.

6.3. Induction électromagnétique… ou loi de Lenz

Pour résumer et simplifier, la loi de Lenz distingue 2 cas :

  • Un conducteur est mobile dans un champ magnétique fixe : c’est le cas de la figure 53. Dans ce cas, apparaît une tension induite e aux bornes du fil (cette tension est appelée force électromotrice ; euh… aucun intérêt pour la suite de cet article) ;
  • Un conducteur est fixe dans un champ magnétique mobile : c’est le cas de la figure 54. La même force électromotrice induite e apparaît aux bornes du fil.
Figure 53 : Conducteur mobile dans un champ magnétique fixe.
Figure 54 : Conducteur fixe dans un champ magnétique mobile.

 

Un champ magnétique sinusoïdal est un champ magnétique mobile. Si le fil est enroulé en bobine, la force électromotrice e est multipliée par le nombre de spires. Le champ magnétique peut être celui d’un aimant ou celui créé par une bobine. C’est l’induction qui fait fonctionner tous les transformateurs, tous les moteurs et toutes les génératrices. Pour ces deux dernières familles d’appareils électriques, cela vaut aussi bien en courant continu qu’en courant alternatif. Un transformateur brûle si on le branche en courant continu. Pourquoi ? Parce que ! C’est comme çà et pis c’est tout !

6.4. Récepteur symétrique, ou asymétrique

Figure 55 : Récepteurs triphasé et moniophasé. On relève une tension entre les deuxs enceintes !

Ouh là là  ! J’en vois certains qui sont déjà sur leur clavier… et pourtant ! Soit le montage de la figure 55 (cette manipulation ne peut se faire qu’en salle de mesures et essais tant les précautions à prendre sont nombreuses et difficiles à respecter ; je l’ai faite pendant 36 ans à des élèves à chaque fois médusés), à savoir :

  • Un récepteur triphasé non relié à la terre et correctement isolé. L’enceinte doit être métallique.
  • Un récepteur monophasé non relié à la terre et correctement isolé. Là aussi l’enceinte doit être métallique.

Les deux récepteurs doivent être reliés à la même source de courant. On mesure la tension U entre les deux enceintes : surprise, U0 Volt… On relie ensemble les deux enceintes par un fil de cuivre, puis on mesure U entre les deux enceintes et la terre : nouvelle surprise ; la tension U0 Volt !
Explication : le récepteur monophasé (branché entre Phase et Neutre) n’est pas physiquement symétrique au récepteur triphasé (branché sur les trois phases). Le courant d’alimentation étant sinusoïdal, la carcasse du récepteur monophasé prend, par induction, un potentiel différent de celui du récepteur triphasé… Évidemment, si toutes les enceintes sont reliées à la terre.
Les esthètes vont m’objecter que ces tensions sont très faibles, marginales. C’est exact, pour une ou deux carcasses métalliques. Mais des dizaines, des centaines… donnent lieu à des courants qui s’additionnent aux courants de fuite.

La mise à la terre des masses (sous-entendu des masses métalliques) n’a pas été décidée par hasard en… 1923 (§ 2.2.) ; elle répond à la nécessité d’éviter les « chocs électriques » ressentis lorsque l’on touche simultanément deux masses métalliques non reliées entre elles. Ce n’est pas pour rien que tous les conducteurs vert/jaune reliés ensembles forment le circuit de liaisons équipotentielles, et que même le siphon du bidet, s’il est métallique, doit être interconnecté. Enfin, s’ajoute l’égalisation des charges électrostatiques lorsqu’un gros cumulus ou cumulonimbus passent au-dessus de notre habitation l’été.

Pour clore ce paragraphe, nous étudierons longuement dans la seconde partie « POURQUOI », les conséquences d’une mauvaise interconnexion des masses lorsque les choses ne tournent pas très bien…

7. Sectionneur, interrupteur, disjoncteur, contacteur, relais… la quincaillerie

En électricité, on protège la ligne et l’homme :

  • La ligne parce que si elle est abîmée, elle chauffe ou entre en court-circuit. Dans les deux cas elle peut provoquer un incendie dangereux pour l’homme.
  • L’homme bien sûr, bien que sa protection réside plus dans la topographie de l’installation que dans un appareil de protection précis.

En aucun cas on protège un récepteur (moteur, résistance de chauffage, lampe…), tout simplement parce qu’on ne sait pas le faire : on constate par des moyens plus ou moins sophistiqués que le récepteur est en surcharge ou en court-circuit, et ce n’est pas toujours si facile.

7.1. Intensité nominale, pouvoir de coupure, pouvoir de coupure ultime…

7.1.1. Intensité nominale

C’est le courant maximal qu’un appareil électrique peut couper ou établir en fonctionnement normal. Exemple : un interrupteur 10 ampères peut mettre EN/HORS service un circuit de 10 ampère sans être abîmé et sans que sa durée de vie ne soit diminuée.

7.1.2. Pouvoir de coupure (PdC)

C’est l’intensité qu’un appareil électrique de protection des circuits peut interrompre sans être détérioré et sans mettre en danger l’entourage. Il est exprimé en Ampère et plus généralement en kilo Ampère. Exemple : un disjoncteur 10 A, PdC de 10 000 A protège une ligne lorsque le courant dépasse 10 A et peut couper un court-circuit de 10 000 A. Si ce dernier fait 20 000 A, le disjoncteur agit ; mais comme il n’est pas capable de couper une telle intensité, le court-circuit continue… jusqu’à l’incendie !

En industrie, le pouvoir de coupure est le premier paramètre qui entre dans le choix d’un appareil de protection, les intensités de courts-circuits étant couramment de 100 000 A ou 200 000A ! Pour l’avoir vécu une fois, je vous garantis qu’un court-circuit franc de 100 000 A sur un départ de 1 200 A est une chose terrifiante qu’on ne préfère pas vivre une nouvelle fois : le câble est gonflé par les contraintes électrodynamiques et l’endroit du court-circuit est complètement brûlé…

7.1.3. Pouvoir de coupure ultime

C’est l’intensité qu’un appareil de protection peut interrompre tout en étant détérioré. Pour un court-circuit, ce n’est pas un critère de choix d’un appareil de protection. Par contre pour une surtension due à un orage (coup de foudre), c’est un paramètre utile. J’ai un ami pour qui j’avais mis un disjoncteur différentiel en tête de l’installation électrique de sa résidence secondaire, une ancienne petite ferme, très humide parce qu’elle n’était plus habitée. La foudre est tombée sur la ligne E.D.F. à 150 mètres environ. Le Neutre, de 16 mm² de section, qui alimentait ce disjoncteur a fondu ; le disjoncteur lui-même était brûlé sur la borne du Neutre en amont de celui-ci. Le contact du disjoncteur était à moitié fondu, pourtant, ce disjoncteur a coupé le courant, empêchant tout problème en aval.

7.2. Fusible H.P.C.

Figure 56 : Cartouche fusible à haut pouvoir de coupure (H.P.C.).

Le fusible H.P.C. (Haut Pouvoir de Coupure) est le seul type de fusible qui doit être utilisé. Tous les autres sont des engins de malheur, performants pour une seule tâche : mettre le feu ! Le porte fusible en porcelaine, le fameux plomb, qui permet aux inconscients de mettre n’importe quel fil de recharge, n’a aucun pouvoir de coupure. Il chauffe en cas de surcharge et doit être banni de nos installations électriques.
Contrairement à ce que beaucoup pensent, le fusible H.P.C. est indispensable en industrie , pour des raisons complexes de sélectivité, et peut encore rendre des services chez les particuliers.

La figure 56 propose la vue intérieure d’une cartouche H.P.C. L’élément fusible est noyé dans de la silice qui fond en cas de court-circuit ; ce faisant, elle refroidit l’arc électrique qui s’éteint en moins de 5 ms (Fig. 57). C’est le plus rapide des appareils de protection. Il existe plusieurs types de cartouches, dont deux seulement nous intéressent : les cartouches type gG, marquées en noir, protègent les circuits qui ne sont pas des circuits force motrice. Les cartouches type aM, marquées en vert, protègent les circuits force motrice (un moteur demande une intensité de démarrage sept fois plus importante que son intensité de fonctionnement ; les cartouches fusibles type aM ont une action retardée, autorisant le démarrage du moteur).

Figure 57 : Temps de réaction d'un fusible H.P.C.
Figure 58 : Délai de fusion d'une cartouche H.P.C.


À titre indicatif (source Legrand), une cartouche 22 mm x 58 mm gG calibre 100 A fond en 40 secondes sur une surcharge de 300 A (Fig. 58).

7.3. Interrupteur

Figure 59 : Interrupteurs. A normalement ouvert et B normalement fermé.

Il permet de mettre EN/HORS service un circuit électrique. Son pouvoir de coupure est limité à son Intensité nominale : un interrupteur 10 A coupe ou établit une intensité de 10 A au maximum. La figure 59 détermine le symbole des contacts des interrupteurs : contact normalement ouvert (Fig. 59A) et contact normalement fermé (Fig. 59B).
Depuis quelques années, il existe des interrupteurs différentiels qui seront étudiés au paragraphe 7.7.

7.4. Contacteur.

Figure 60 : Contacteur.

Un contacteur est un interrupteur télécommandé. Inventé en 1924 par l’entreprise française Télémécanique du Groupe Schneider, le contacteur est le roi de la télécommande ; sans lui, aucune automatisation n’aurait été possible. Il comporte deux parties distinctes : l’organe moteur, communément une bobine électrique, et les contacts pilotés. La figure 60 donne le symbole normalisé d’un contacteur bipolaire, avec :

  • La bobine et ses deux bornes d’alimentation A1 et A2 ;
  • Les deux contacts normalement ouverts 1-2 et 1-3.

La bobine peut très bien fonctionner avec du 24 V~ et le contacteur mettre EN/HORS service un chauffage sous 230 V~.

7.5. Disjoncteur.

Figure 61 : Disjoncteur

Il sert à établir, supporter et interrompre un courant dans des conditions normales d’un circuit électrique. Il sert aussi à établir, supporter pendant une durée spécifiée et interrompre un courant dans des conditions anormales spécifiées (court-circuit, surcharge).

Le disjoncteur possède des contacts prévus pour couper sur court-circuit ET une chambre de coupure de l’arc électrique (Fig. 61). C’est un appareil sophistiqué, dont l’utilisation est ancienne en industrie et commence à se généraliser dans le bâtiment. Plus onéreux à l’achat que le fusible H.P.C., il est plus économique à l’utilisation et surtout inviolable, raison pour laquelle il est obligatoire dans l’hôtellerie et le locatif.

Trois déclencheurs sont principalement utilisés :

  • Déclencheur thermique : toujours temporisé, il détecte les surcharges (pour les moteurs électriques).
  • Déclencheur magnétique : il détecte les courts-circuits ; un déclencheur magnétique agit en moins de 10 ms (Fig. 62).
  • Déclencheur différentiel : étudié au paragraphe 7.6.

Il existe plusieurs types de disjoncteurs magnétothermiques :

  • Type B : il permet d’éliminer les courts-circuits lorsque la ligne est longue. Dans ce cas, la résistance de la ligne limite la valeur du courant de court-circuit. Il déclenche entre 3 et 5 fois l’intensité nominale (In) ;
  • Type C : c’est le plus utilisé, le disjoncteur passe-partout. Il déclenche entre 5 et 10 fois In ;
  • Type D : il est utilisé pour protéger des circuits à fort courant de démarrage (moteur, transformateur, ballast de tube fluorescent, …). Il déche entre 10 et 20 fois In ;
  • Type Z : il est réservé aux circuits électroniques ;
  • Type MA : il est réservé à la protection des circuits devant supporter une surchauffe (baies de désenfumage, éclairage de secours, …).

En dehors des deux derniers types d’utilisations très spécifiques, il est intéressant de consulter les courbes de déclenchement données (Fig. 62). On remarque la courbe du déclencheur thermique (en haut des courbes) et les courbes des déclencheurs magnétiques. La figure 63 définit le temps de réponse du déclencheur magnétique et l’action du disjoncteur sur la valeur de court-circuit. A noter que 30 000 A²s est la mesure de l’énergie dissipée dans le disjoncteur. C’est un chiffre énorme !

Figure 62 : Courbes de déclenchements.
Figure 63 : Temps de réponse du déclencheur magnétique.

 

7.6. Différentiel

On le met à toutes les sauces, croyant posséder là, l’arme universelle pour protéger les personnes. Dans la partie 2 « POURQUOI » vous découvrirez (euh… pour ceux qui tiennent encore le coup…), que ce n’est pas obligatoirement le cas. C’est pourquoi le SAVOIR est irremplaçable : comprendre POURQUOI on est ou pas en danger, savoir COMMENT faire pour sécuriser l’installation électrique de son aquarium.

Différentiel fait penser à… différence. C’est typiquement le principe de fonctionnement du différentiel, qu’il soit disjoncteur ou interrupteur.

7.6.1. Disjoncteur différentiel

Le disjoncteur différentiel mesure l’intensité qui « entre » dans le circuit et l’intensité qui en « ressort » (En courant alternatif, l’intensité entre et sort 50 fois par seconde… L’entrée à l’instant T est la sortie à l’instant T+1… « Entrée » et « Sortie » sont des simplifications qui permettent de résumer le fonctionnement d’un disjoncteur différentiel.).
Plus précisément, un tore sert de circuit magnétique. La Phase et le Neutre passent chacun dans une bobine enroulée sur le tore en sens inverse l’une de l’autre. Lorsque le circuit protégé par le différentiel est en fonctionnement (Fig. 64), la bobine du Neutre crée un flux ɸN et la bobine de la Phase un flux ɸPh ; si IPh = IN , alors ɸPh = ɸN. Comme les deux bobine sont enroulées en sens contraire, ɸPh + ɸN = 0.

Figure 64 : En fonctionnement normal, les flux opposés ɸ1 Neutre et ɸ2 Phase, s'annulent.
Figure 65 : En défaut d'isolement, le courant Id circule, les flux ɸ1 Neutre et ɸ2 Phase diffèrent.
Figure 66 : Le courant induit par les flux ɸ1 et ɸ2, active le contacteur K2. Le circuit est hors tension.

 

Si un défaut d’isolement apparaît dans le récepteur en fonctionnement ou dans la ligne qui l’alimente (Fig. 65), un courant de défaut (Id) passe dans la terre pour se reboucler au transformateur (Le Neutre du transformateur est mis à la terre ; tout cela sera expliqué dans la partie 2). Dans ce cas IPhIN, donc ɸPhɸN, alors ɸPh + ɸN0, donc un courant induit circule dans la bobine du déclencheur (K2).

Si la différence de IPh avec IN est suffisante, le courant dans la bobine du déclencheur libère les ressorts de rappel des contacts ; ces derniers s’ouvrent ; le circuit est hors tension (Fig. 66) (Je m’excuse de cette longue explication mais il n’est pas facile de remplacer une manip parlante lorsqu’on la fait devant… euh… des récifalistes distraits…).

Il existe trois classes de disjoncteurs différentiels :

  • Classe AC : elle nous protège des courants de défaut ; on l’utilise pour tous les circuits sauf pour les plaques à inductions, le lave-linge ou le lave-vaisselle, et les circuits informatiques ;
  • Classe A : elle est dédiée aux plaques à induction, aux lave-linge et lave-vaisselle, à tous les récepteurs comportant une composante à courant continu ; les différentiels de classe AC ne « voient » pas les défauts d’isolement sur des récepteurs ayant une composante continue ;
  • Classe HI, ou Hpi ou encore Si, selon les fabricants : ces différentiels bénéficient d’une immunisation complémentaire contre les déclenchements intempestifs, en particulier pour les circuits informatiques, les appareils hospitaliers, …

7.6.2. Interrupteur diférentiel

L'interrupteur différentiel possède un fonctionnement similaire, à la différence qu’un interrupteur ne possède pas le pouvoir de coupure d’un disjoncteur. La conséquence en est qu’un interrupteur différentiel coûte 2 à 3 fois moins cher qu’un disjoncteur différentiel de même calibre et de même sensibilité.

8. Conclusions… provisoires

Peut-être trouvez-vous cette première partie trop longue, trop confuse ou incompréhensible. Je mesure la quantité d’informations qui sont données et celle, tout aussi importante, qui n’est pas ou trop peu abordée. Difficile de choisir lorsqu’il s’agit de sécurité, d’autant plus que j’ai fait le choix d’expliquer, tant que faire se peut, le contexte et les conséquences de chaque situation.

Et puis j’ai voulu, et je l’assume pleinement, généraliser pour que soyez en mesure de regarder l’installation électrique de votre habitation avec un œil critique et peut-être, ce serait là une belle récompense pour moi, apporter les modifications nécessaires pour protéger les vôtres, vos biens… et vous-même.

Une précision tout de même : je ne suis pas un scientifique, mais un technicien. Pour moi, la foudre, le courant électrique, un champ électrostatique…, ne sont pas des équations (que je connais et que je sais résoudre) mais des réalités concrètes qui débouchent sur des actions (chauffer, éclairer, lever, tracter…) qu’il faut rendre possible à l’aide d’une énergie (invisible, inodore, qui circule à la vitesse de 273 000 kilomètre par seconde) et des lignes électriques qu’il faut protéger pour se protéger soi-même.

Aux rescapés je dis merci pour leur ténacité et je les rassure : vous disposez de l’outillage théorique pour comprendre les situations concrètes abordées dans la seconde partie. Ce sera le début de la prise de conscience de ce qu’il ne faut surtout pas faire pour rester protégé.

La suite sera moins indigeste.

Quoique !

 

Jean Pierre DUMAS

Article publié par Cap récifal le 16 octobre 2015 avec l'aimable autorisation de l'auteur.

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