Conception de circuits sécurisés

Comme nous l'avons vu précédemment, un système d'alimentation sans connexion sécurisée à la terre est imprévisible du point de vue de la sécurité. Il n'y a aucun moyen de garantir la quantité ou la faible tension qui existera entre n'importe quel point du circuit et la terre.

En mettant à la terre un côté de la source de tension du système d'alimentation, au moins un point du circuit peut être assuré d'être électriquement commun avec la terre et donc de ne présenter aucun risque d'électrocution. Dans un simple système d'alimentation électrique à deux fils, le conducteur connecté à la terre est appelé le neutre , et l'autre conducteur est appelé le chaud , également connu sous le nom de live ou le actif :

En ce qui concerne la source de tension et la charge, la mise à la terre ne fait aucune différence. Il existe uniquement pour des raisons de sécurité personnelle, en garantissant qu'au moins un point du circuit pourra être touché en toute sécurité (tension nulle à la terre).

Le côté « chaud » du circuit, nommé pour son risque de choc électrique, sera dangereux à toucher à moins que la tension ne soit sécurisée par une déconnexion appropriée de la source (idéalement, en utilisant une procédure de verrouillage/étiquetage systématique).

Ce déséquilibre de risque entre les deux conducteurs dans un circuit d'alimentation simple est important à comprendre. Les séries d'illustrations suivantes sont basées sur des systèmes de câblage domestique courants (utilisant des sources de tension CC plutôt que CA pour plus de simplicité).

Si nous examinons un simple appareil électroménager tel qu'un grille-pain avec un boîtier en métal conducteur, nous pouvons voir qu'il ne devrait y avoir aucun risque d'électrocution lorsqu'il fonctionne correctement. Les fils conduisant l'alimentation vers les éléments chauffants du grille-pain sont isolés du contact avec le boîtier métallique (et entre eux) par du caoutchouc ou du plastique.

Cependant, si l'un des fils à l'intérieur du grille-pain venait accidentellement en contact avec le boîtier en métal, le boîtier deviendra électriquement commun au fil, et toucher le boîtier sera tout aussi dangereux que de toucher le fil nu. Que cela présente ou non un risque d'électrocution dépend de qui le fil touche accidentellement :

Si le fil « chaud » entre en contact avec le boîtier, cela met l'utilisateur du grille-pain en danger. En revanche, si le fil neutre entre en contact avec le boîtier, il n'y a aucun risque de choc :

Pour s'assurer que la première défaillance est moins probable que la seconde, les ingénieurs essaient de concevoir les appareils de manière à minimiser le contact du conducteur chaud avec le boîtier.

Idéalement, bien sûr, vous ne voulez pas qu'un fil entre accidentellement en contact avec le boîtier conducteur de l'appareil, mais il existe généralement des moyens de concevoir la disposition des pièces pour rendre le contact accidentel moins probable pour un fil que pour l'autre.

Cependant, cette mesure préventive n'est efficace que si la polarité de la prise d'alimentation peut être garantie. Si la fiche peut être inversée, le conducteur le plus susceptible d'entrer en contact avec le boîtier pourrait très bien être le conducteur « chaud » :

Les appareils conçus de cette manière sont généralement livrés avec des fiches « polarisées », une broche de la fiche étant légèrement plus étroite que l'autre. Les prises de courant sont également conçues comme ceci, une fente étant plus étroite que l'autre.

Par conséquent, la fiche ne peut pas être insérée « à l'envers », et l'identité du conducteur à l'intérieur de l'appareil peut être garantie. N'oubliez pas que cela n'a aucun effet sur le fonctionnement de base de l'appareil :c'est strictement pour la sécurité de l'utilisateur.

Certains ingénieurs abordent le problème de sécurité simplement en rendant le boîtier extérieur de l'appareil non conducteur. De tels appareils sont appelés à double isolation puisque le boîtier isolant sert de deuxième couche d'isolation au-delà de celle des conducteurs eux-mêmes. Si un fil à l'intérieur de l'appareil entre accidentellement en contact avec le boîtier, il n'y a aucun danger pour l'utilisateur de l'appareil.

D'autres ingénieurs abordent le problème de la sécurité en maintenant un boîtier conducteur, mais en utilisant un troisième conducteur pour connecter fermement ce boîtier à la terre :

La troisième broche du cordon d'alimentation fournit une connexion électrique directe du boîtier de l'appareil à la terre, ce qui rend les deux points électriquement communs l'un avec l'autre. S'ils sont électriquement communs, il ne peut pas y avoir de chute de tension entre eux.

Du moins, c'est comme ça que ça doit fonctionner. Si le conducteur chaud touche accidentellement le boîtier métallique de l'appareil, cela créera un court-circuit direct vers la source de tension via le fil de terre, déclenchant ainsi tous les dispositifs de protection contre les surintensités. L'utilisateur de l'appareil restera en sécurité.

C'est pourquoi il est si important de ne jamais couper la troisième broche d'une fiche d'alimentation lorsque vous essayez de l'insérer dans une prise à deux broches. Si cela est fait, il n'y aura pas de mise à la terre du boîtier de l'appareil pour assurer la sécurité des utilisateurs.

L'appareil fonctionnera toujours correctement, mais s'il y a un défaut interne mettant le fil chaud en contact avec le boîtier, les résultats peuvent être mortels. Si une prise à deux broches doit être utilisé, un adaptateur de prise de courant à deux ou trois broches peut être installé avec un fil de mise à la terre attaché à la vis du couvercle mis à la terre. Cela maintiendra la sécurité de l'appareil mis à la terre lorsqu'il est branché dans ce type de prise.

Cependant, l'ingénierie de la sécurité électrique ne s'arrête pas nécessairement à la charge. Une dernière protection contre les chocs électriques peut être disposée du côté de l'alimentation électrique du circuit plutôt que de l'appareil lui-même. Cette protection est appelée détection de défaut à la terre , et cela fonctionne comme ceci :

Dans un appareil fonctionnant correctement (illustré ci-dessus), le courant mesuré à travers le conducteur chaud doit être exactement égal au courant à travers le conducteur neutre, car il n'y a qu'un seul chemin pour que les électrons circulent dans le circuit. En l'absence de défaut à l'intérieur de l'appareil, il n'y a aucune connexion entre les conducteurs du circuit et la personne qui touche le boîtier, et donc aucun choc.

Si, cependant, le fil chaud entre accidentellement en contact avec le boîtier métallique, il y aura du courant à travers la personne qui touche le boîtier. La présence d'un courant de choc se manifestera par une différence de courant entre les deux conducteurs de puissance au niveau de la prise :

Cette différence de courant entre les conducteurs « chauds » et « neutres » n'existera que s'il y a du courant à travers la connexion à la terre, ce qui signifie qu'il y a un défaut dans le système. Par conséquent, une telle différence de courant peut être utilisée comme un moyen de détecter une condition de défaut.

Si un appareil est mis en place pour mesurer cette différence de courant entre les deux conducteurs d'alimentation, la détection de déséquilibre de courant peut être utilisée pour déclencher l'ouverture d'un sectionneur, coupant ainsi l'alimentation et évitant un choc grave :

Ces dispositifs sont appelés Interrupteurs de courant de défaut à la terre , ou GFCI pour faire court. En dehors de l'Amérique du Nord, le GFCI est connu sous le nom d'interrupteur de sécurité, de dispositif à courant résiduel (RCD), de RCBO ou de RCD/MCB s'il est combiné à un disjoncteur miniature ou à un disjoncteur de fuite à la terre (ELCB).

Ils sont suffisamment compacts pour être intégrés dans une prise de courant. Ces réceptacles sont facilement identifiables par leurs boutons distinctifs « Test » et « Reset ». Le grand avantage d'utiliser cette approche pour assurer la sécurité est qu'elle fonctionne quelle que soit la conception de l'appareil.

Bien sûr, utiliser un appareil à double isolation ou mis à la terre en plus d'une prise GFCI serait encore mieux, mais il est réconfortant de savoir que quelque chose peut être fait pour améliorer la sécurité au-delà de la conception et de l'état de l'appareil.

L'interrupteur de circuit de défaut d'arc (AFCI) , un disjoncteur conçu pour prévenir les incendies, est conçu pour s'ouvrir sur des courts-circuits résistifs intermittents. Par exemple, un disjoncteur normal de 15 A est conçu pour ouvrir le circuit rapidement s'il est chargé bien au-delà de la valeur nominale de 15 A, plus lentement un peu au-delà de la valeur nominale.

Bien que cela protège contre les courts-circuits directs et plusieurs secondes de surcharge, respectivement, cela ne protège pas contre les arcs, comme le soudage à l'arc. Un arc est une charge très variable, culminant de manière répétitive à plus de 70 A, en circuit ouvert avec des passages par zéro à courant alternatif.

Bien que le courant moyen ne soit pas suffisant pour déclencher un disjoncteur standard, il suffit pour allumer un feu. Cet arc pourrait être créé par un court-circuit métallique qui brûle le métal, laissant un plasma de pulvérisation résistif de gaz ionisés.

L'AFCI contient des circuits électroniques pour détecter ce court-circuit résistif intermittent. Il protège contre les arcs chauds à neutres et chauds à la terre. L'AFCI ne protège pas contre les risques d'électrocution comme le fait un GFCI. Ainsi, les GFCI doivent toujours être installés dans les circuits de la cuisine, de la salle de bain et de l'extérieur.

Étant donné que l'AFCI se déclenche souvent lors du démarrage de gros moteurs, et plus généralement sur les moteurs à balais, son installation est limitée aux circuits de chambre par le Code national de l'électricité des États-Unis. L'utilisation de l'AFCI devrait réduire le nombre d'incendies électriques. Cependant, les déclenchements intempestifs lors du fonctionnement d'appareils avec des moteurs sur des circuits AFCI sont un problème.

AVIS :

• Les systèmes d'alimentation ont souvent un côté de l'alimentation en tension connecté à la terre pour assurer la sécurité à ce point.
• Le conducteur « mis à la terre » dans un système d'alimentation est appelé le neutre conducteur, tandis que le conducteur non mis à la terre est appelé le chaud .
• La mise à la terre dans les systèmes électriques existe pour des raisons de sécurité personnelle, et non pour le fonctionnement de la ou des charges.
• La sécurité électrique d'un appareil ou d'autres charges peut être améliorée par une bonne ingénierie :des fiches polarisées, une double isolation et des fiches à trois broches « de mise à la terre » sont autant de moyens d'optimiser la sécurité du côté de la charge.
• Interrupteurs de courant de défaut à la terre (GFCI) fonctionnent en détectant une différence de courant entre les deux conducteurs alimentant la charge. Il ne devrait y avoir aucune différence de courant. Toute différence signifie que le courant doit entrer ou sortir de la charge par d'autres moyens que les deux conducteurs principaux, ce qui n'est pas bon. Une différence de courant significative ouvrira automatiquement un mécanisme d'interrupteur de déconnexion, coupant complètement l'alimentation.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail de mise à la terre de sécurité
• Fiche de travail de protection contre les surintensités