Les 3 effets principaux de la Fée Electricité ...
Les 3 effets principaux de la Fée Electricité ...
L'électricité se distingue principalement à travers les trois effets suivants les plus connus:
L'effet calorifique
Plus connu sous le nom d'effet « joule », il se manifeste lorsqu'un courant électrique traverse un matériau résistant; l'énergie dissipée dégage de la chaleur.
On utilise principalement cet effet pour l'éclairage mais surtout pour le chauffage (convecteur électrique).
En effet, pour l'éclairage, la résistance représente un filament porté à incandescence dans une enveloppe de verre contenant un gaz rare.
L'effet magnétique
Si l'on enroule un fil de cuivre autour d'un matériau en fer doux et que l'on fait circuler un courant électrique dans ce fil, alors se produit un champ magnétique.
Ce principe se retrouve dans le fonctionnement d'un moteur électrique, d'un simple relais ou d'un contacteur.
Le champ magnétique ainsi créé va induire un courant électrique à son tour, tel est le principe de fonctionnement d'un transformateur.
Ce principe présente aussi l'avantage d'être réversible puisque si l'on fait tourner un moteur électrique mécaniquement, alors il produira du courant.
D'ailleurs, ce procédé est largement utilisé pour produire de l'électricité (dynamo, éolienne, groupe turbo-alternateur ...).
L'effet chimique
Si un courant électrique traverse une solution ionique, par le biais de deux électrodes, il va se produire un échange d'électrons donc de matière, d'une électrode à l'autre.
Cette réaction est connue sous le nom de l'électrolyse.
On s'en sert principalement dans le milieu industriel pour la galvanoplastie ou le raffinage de certains métaux.
De même que l'effet magnétique, si l'on inverse le système, on obtiendra une pile ou une batterie puisque la réaction chimique produira du courant. Il suffira de placer l'électrolyse dans une enveloppe hermétique.
Qu'est-ce que l'électricité ?
Remémorons-nous nos lointains cours de physique: l'atome constitué d'un noyau et de ses électrons qui gravitent autour...
Le noyau d'un atome est constitué de charges positives: les protons; et de particules électriquement neutres: les neutrons.
Les électrons, quant à eux, sont des particules qui possèdent une charge négative et qui gravitent en couches concentriques autour du noyau. Parfois certains d'entre eux se détachent de leur atome: ce sont les électrons libres.
Il existe ainsi deux sortes d'éléments: les matériaux conducteurs constitués d'atomes dont leurs électrons sont « libres » et les matériaux isolants, constitués d'atomes dont leurs électrons sont « prisonniers »
Matériaux isolants, ne permettant pas le passage du courant (exemples):
- Le verre
- Le PVC
- Le bois
- La porcelaine ...
Matériaux conducteurs, qui laissent passer le courant (exemples):
- les métaux
- L'eau
- les minéraux ...
Oui mais alors ?
Pour faire circuler des électrons libres, d'un point A vers un point B, avec plus ou moins de « force » , il faut un curieux appareil que l'on appelle un générateur !
Le générateur est une source de tension. Il constitué de deux bornes métalliques et prévu pour créer un surplus (+) d'électrons sur une de ses bornes par rapport à l'autre (-).
Lorsque l'on y raccorde un récepteur (une ampoule par exemple), le générateur se comporte un peu comme une pompe à électrons, il aspire les charges positives et renvoie les charges négatives dans le circuit.
Ainsi, les électrons se déplacent de manière ordonnée de la borne - vers la borne +.
Mais par convention, on dit que le sens du courant est à l'inverse du sens des électrons; si bien que l'on a longtemps pensé que le courant circulait de la borne + vers la borne -.
Les 4 grandeurs électriques à connaître
Afin de bien comprendre les notions élémentaires de l'électricité, je vous expose dans cet article les 4 principales grandeurs à connaître.
Il est souvent fait l'analogie avec l'eau pour comprendre certaines grandeurs qualifiées d' « abstraites » pour le néophyte.
La tension
On peut comparer la tension à ce qu'on appelle la hauteur d'une chute d'eau.
Plus précisément, ce qui va caractériser la hauteur, c'est la différence de niveau entre un point A et un point B.
Plus la différence entre ces deux derniers points sera importante, plus la hauteur sera élevée. On imagine donc qu'une chute d'eau ayant une certaine hauteur délivrera une certaine pression au point le plus bas.
Pour revenir à notre chère électricité, la « pression » précédemment citée peut être rapportée à la tension.
En d'autres termes, la tension va correspondre à la force avec laquelle le courant électrique sera envoyé dans un circuit.
La tension est également appelée la « différence de potentiel » car on observe aux bornes d'un générateur une différence du nombre de charges entre les deux pôles.
La tension est exprimée en VOLTS (V).
Ex: On mesure 230V aux bornes d'une prise de courant ou alors 12V aux bornes d'une batterie de voiture.
Le courant
Le courant pourrait correspondre au débit de l'eau. Plus le débit va être important, plus grande devra être la dimension des tuyaux qui transporteront le fluide.
En réalité, le courant électrique correspond au déplacement des électrons avec un certain débit, et les câbles électriques seront dimensionnés en fonction de ce paramètre.
Il est à noter qu'une intensité de courant trop importante dans un conducteur peut conduire à sa destruction et provoquer un incendie.
C'est pour cela qu'il existe des dispositifs de protection (comme les disjoncteurs, les fusibles, les relais thermiques etc...) afin de protéger les installations contre ce phénomène.
Le courant (ou l'intensité) est exprimé en AMPERES (A).
La résistance
Une résistance est un matériau qui s'oppose au passage du courant. Plus la résistance sera élevée, et moindre sera le courant qui la traversera.
Elle permet aussi à l'énergie électrique de se transformer en énergie calorifique, car sous l'action du passage du courant, elle va produire de la chaleur.
Il existe une relation très connue sous le nom de la LOI D'OHM (U=R.I) qui démontre que la tension dans un circuit est égale au produit de sa résistance et du courant qui le traverse. Cette loi ne s'applique qu'aux résistances pures et n'est pas utilisable pour un moteur électrique ou un circuit comportant des condensateurs.
Elle est exprimée en OHMS (Ω).
La puissance
En courant continu, la puissance est le produit de la tension et de l'intensité. Elle représente l'énergie absorbée par un circuit ou par un appareil électrique et ce, par unité de temps.
Elle est exprimée en WATTS (W) mais peut être aussi exprimée en VOLTS-AMPERES (VA). Cette dernière est la puissance apparente, servant principalement à dimensionner une installation.
Un paramètre non négligeable peut venir perturber le calcul de cette grandeur en courant alternatif: c'est le facteur de puissance (ou cosφ).
On verra plus tard que ce petit facteur peut modifier le résultat suivant que l'on branche un récepteur inductif ou capacitif dans un circuit. Cette notion importante fera l'objet d'un autre article prochainement.
Les unités de mesure :
La tension (exprimée en Volt (V)) d'une installation d'un particulier en Belgique, est de 230V alternatif.
Le courant (ou ampérage, exprimé en Ampères (A)), correspondrait, par rapport à la plomberie, à la largeur du tuyau.
La prise de terre ... Kézako ?
Toute installation électrique, domestique ou industrielle, doit être pourvue d'une prise de terre. A quoi sert-elle ? Comment et dans quelles conditions faut-il la réaliser ?
La prise de terre est un élément important en matière de sécurité. Elle permet de créer une partie conductrice incorporée dans le sol en contact électrique avec la terre. Ce qui a pour but de constituer un réseau de protection sur lequel tous les récepteurs électriques d'une installation devront être raccordés. Voici les deux principales raisons de son existence:
La protection des personnes contre l'électrocution:
Si vous branchez un appareil défectueux (présentant un défaut d'isolement) sans le savoir, le courant de défaut transitera dans votre corps si vous touchez la carcasse métallique de cet appareil. C'est ce que l'on appelle un contact indirect. Pour éviter que cette triste situation n'arrive, il est obligatoire de raccorder à la terre les appareils électriques de classe 1 (qui présentent généralement une enveloppe métallique). En effet, le courant de défaut pré-cité sera directement routé vers la terre et retournera à la source. Le tout, sans passer dans votre organisme ! Elle est pas belle, la vie ?
La prise de terre est donc indispensable ! De plus, elle doit être associée à un dispositif différentiel afin d'assurer une coupure automatique de l'alimentation électrique.
Protection des biens contre les surtensions d'origine atmosphérique:
La foudre peut provoquer des surtensions graves par effet direct ou indirect: si elle tombe sur une habitation, l'effet est direct. Si elle tombe à proximité, il est indirect. L'onde de choc génère des valeurs de tension et de courant qui peuvent endommager vos matériels électriques. Des dispositifs spéciaux tels le parafoudre ou le paratonnerre doivent compléter le réseau de mise à la terre dans les régions subissant le plus d'impacts de foudre.
En conséquence, la réalisation d'une bonne prise de terre est conditionnée par plusieurs critères. La valeur de la résistance de la prise de terre est importante (normative), ainsi que le type de terrain sur lequel elle est créée (ces deux notions importante feront l'objet d'un prochain article).
Il existe deux types principaux de réalisation:
- La boucle à fond de fouille: Il s'agit d'incorporer dans les fouilles d'une construction (fondations) un conducteur en cuivre nu (25mm²) faisant généralement le tour du bâtiment, telle une boucle. Cette boucle est coulée dans le béton de propreté des fondations. Il existe une méthode dérivée qui consiste à enfouir un conducteur en tranchée horizontale lors du passage d'une alimentation électrique enterrée. Néanmoins, la boucle à fond de fouille reste la méthode la plus efficace pour obtenir une valeur de résistance très correcte.
- Le piquet de terre: comme son nom l'indique, cette méthode consiste à planter un ou plusieurs piquets en acier galvanisé dans la terre profonde (2m) afin de rechercher une valeur de résistance optimale. Ils sont généralement installés dans le sous-sol afin de ne pas dépendre des conditions climatiques qui pourraient influencer la valeur ohmique de la prise de terre.
Comment mesurer une prise de terre ?
Mesurer une prise de terre est indispensable pour déterminer le niveau de protection contre les risques d'électrocution dans une habitation. Maison neuve ou rénovée, l'importance d'une bonne prise de terre reste capitale pour maintenir la sécurité des personnes et contribuer au bon fonctionnement d'une installation électrique.
L'objectif de la mesure:
La mesure de la prise de terre devra être réalisée avant de mettre sous tension, pour la première fois, une installation électrique. Sans elle, le CONSUEL ne pourra vous délivrer son attestation de mise en service, l'installation d'une prise de terre étant obligatoire (voir mon article dédié: « La prise de terre ... Kézako ?« ).
Aussi, il peut être fort utile de la mesurer lorsque vous achetez un bien déjà édifié depuis plusieurs années, pour savoir si la sécurité des personnes est assurée. Toute valeur sortant des critères requis devra vous inciter à prendre des dispositions complémentaires.
Mesurer une prise de terre, c'est aussi contrôler que les courants de défaut pourront s'écouler dans la terre sans que la tension de contact n'excède 50V (Tension Limite de Sécurité fixée par la norme).
La résistivité du terrain:
La résistivité d'un terrain, c'est la résistance de ce terrain face à la circulation d'un courant. Elle s'exprime en ohm.mètre (Ω.m).
Elle peut être très variable selon le type de terrain , la région, les saisons, le taux d'humidité etc... Par exemple, le gel ou la sécheresse augmentent cette fameuse résistivité. Aussi, un terrain rocailleux n'aura pas la même résistivité qu'un terrain argileux.
La bonne valeur d'une prise de terre:
La prise de terre doit être associée à un dispositif de coupure automatique de l'alimentation. En d'autres termes, il est nécessaire de disposer d'un dispositif différentiel, qui formera le partenaire indissociable de celle-ci. Dans le cas d'une défaillance ou de l' absence de l'un ou l'autre, la protection des personnes contre les risques d'électrocution ne sera plus assurée.
Pour faire simple, le dispositif différentiel est un appareil qui permet de « surveiller » les courants qui entrent et qui sortent dans votre installation... Ces courants sont égaux tant que l'installation est exempte de défaut (le courant qui entre est le même que celui qui sort). Par contre, si ces deux courants sont différents, cela veut dire qu'une certaine quantité s'est enfuie par la terre (courant de défaut) en raison de la vétusté ou de la défectuosité d'un appareil électrique (fer à repasser, machine à laver, réfrigérateur etc..). Dans ce cas, le différentiel coupe automatiquement l'électricité avant que cela ne soit dangereux pour les personnes.
Si le courant de défaut perdurait, la tension de contact sur la masse métallique de l'appareil en défaut pourrait être très dangereuse (>50V).
En fonction de la sensibilité du dispositif différentiel (exprimée en mA) et de la valeur de la tension limite de sécurité (50V) , les valeurs de prise de terre à obtenir seront les suivantes:
- Sensibilité de 30 mA = 1667 Ω
- Sensibilité de 300 mA = 167 Ω
- Sensibilité de 500 mA = 100 Ω
- Sensibilité de 650 mA = 76 Ω
Un petit calcul permet de comprendre le raisonnement:
Ce que l'on cherche à obtenir, c'est avant tout la sécurité des personnes. On sait qu'une tension alternative dans des conditions sèches n'est pas dangereuse pour le corps humain tant que cette dernière n'excède pas 50V. Donc, cette donnée d'entrée sera un élément incontournable pour notre calcul. Cette tension, on la nomme Ul (tension limite)
Si on applique la loi d'ohm et que l'on souhaite déterminer la résistance maximum que la prise de terre doit offrir pour un différentiel de sensibilité 500mA placé en tête de l'installation, on pose l'équation de la manière suivante:
U=RI (formule de départ) avec:
U=50V(tension limite)
R= Résistance de la prise de terre
I= Sensibilité (en A) du dispositif différentiel
On transforme la formule de manière à chercher R, ce qui donne:
R= U/I, soit R= 50V / 0,5A
Alors, R= 100 Ω max.
Principe de mesure d'une prise de terre
Il existe plusieurs méthodes pour mesurer une prise de terre; je ne vous parlerai que de celle qui offre une très bonne fiabilité.
D'un point de vue théorique, on peut réaliser une prise de terre à l'aide d'un piquet planté dans le sol. Si un courant de défaut s'écoule, il traversera d'abord la résistance de contact établie entre le piquet et le sol. Ensuite, le courant rencontrera les résistances des couches de terrain avoisinantes qui, placées naturellement en parallèle les unes aux autres, formeront une résistance équivalente ayant une valeur quasi nulle.
A partir de cette limite, quel que soit le courant de défaut, le potentiel sera nul: c'est ce qu'on cherche à obtenir pour avoir une bonne prise de terre.
La méthode de mesure est celle des 62%.
Cette méthode est réalisable dans un endroit où des piquets peuvent être enfoncés dans le sol.
Pour ça, il vous faut un appareil de mesure que l'on appelle un télluromètre (muni de 2 piquets auxiliaires).
E est la prise de terre à mesurer.
L'appareil envoie un courant alternatif à travers la prise auxiliaire H (1er piquet placé pour l'exemple à 30m de E) , le retour du courant se faisant par la prise de terre E.
On mesure la tension entre E et H grâce à la prise auxiliaire S (2ème piquet placé à environ 18m de E).
L'appareil applique ensuite la loi d'ohm: U=RI et affiche la résistance recherchée.
La barrette de mesure
Vous avez probablement aperçu chez vous un dispositif de coupure faisant la jonction entre votre « prise de terre » (conducteur enfoui dans le sol) et le conducteur de protection principal de votre installation.
C'est une barrette de mesure. Elle n'a d'utilité que pour permettre la mesure de votre prise de terre et doit être manœuvrée uniquement lorsque votre installation électrique est hors-tension.
En effet, pour réaliser une mesure fiable, cette dernière doit être ouverte pour ne mesurer que la prise de terre de votre habitation et elle seule. Barrette fermée, la mesure n'est pas significative puisque tous les appareils électriques comportant une masse métallique y sont reliés (y compris des canalisations d'eau ou de gaz), ce qui aurait pour effet de fausser la mesure et de voir s'afficher sur l'appareil une excellente valeur, qui ne serait pas celle de votre prise de terre « réelle ».
De plus, son ouverture permet de s'affranchir des résistances de « fait » (canalisations d'eau ou de gaz, déjà implantées dans le sol, elles-mêmes raccordées à la prise de terre : voir mon article invité sur le blog « Electricite comme un pro » de Laurent Lainé)
Exemple:
Ma prise de terre est un piquet enfoncé dans le sol.
Je décide d'effectuer la mesure « barrette fermée ». Une canalisation d'eau arrive chez moi et j'ai pris le soin de la raccorder à la liaison équipotentielle principale (LEP), comme l'impose la NF C15-100.
Je plante mes piquets et je lance ma mesure. Le résultat affiché est de 50Ω.
Pris de doutes, je refais la mesure barrette ouverte cette fois. Je trouve 130Ω !
Comment expliquer une telle différence ?
Simplement par le fait que lors de la mesure barrette fermée, le courant injecté par l'appareil a choisi le trajet le moins résistant (créé par la canalisation d'eau en cuivre enfouie dans le sol). La valeur mesurée a donc été satisfaisante dans une installation protégée par un dispositif différentiel 500mA (R max= 100Ω).
Lorsque j'ai relancé la mesure barrette ouverte, la liaison à la canalisation d'eau a été séparée de la prise de terre. Il s'est avéré que la résistance « réelle » constituée par ma prise de terre était plus élevée et donc plus « résistante ». Les conséquences sont alors catastrophiques puisque la valeur réelle est de 120Ω; supérieure à la valeur maximale requise. La protection ne sera plus assurée en cas de contact indirect (électrisation voire électrocution), surtout si la canalisation d'eau est remplacée, sans préavis, par un modèle en matière isolante...
En résumé, mesurer une résistance de prise de terre barrette ouverte permet de s'affranchir d'un tel désastre!
Il est néanmoins essentiel de préciser que la boucle à fond de fouille reste le mode de réalisation le plus sûr au vu de l'emprise au sol de celle-ci (obligatoire pour les constructions neuves et les établissements soumis au code du travail), si bien que la mesure peut même être réalisée barrette fermée.
Le piquet de terre est un moyen de réalisation pratique lors d'une rénovation, le seul inconvénient est que la valeur de la prise de terre « réelle » peut être importante, d'où l'utilité de la mesurer barrette ouverte.
Bientôt, une vidéo sera disponible pour vous montrer la réalisation de la mesure avec un telluromètre!
Présentation des schémas de liaison à la terre (SLT)
Les schémas de liaisons à la terre ont pour objectif d'assurer la protection des biens et des personnes contre les défauts d'isolement. Ils constituent une boucle appelée « boucle de défaut » permettant l'écoulement des courants de défaut et ainsi solliciter les dispositifs de protection par coupure automatique. Tout cela, en vue d'éviter les risques d'électrisation, voire d'électrocution.
Anciennement dénommés « régimes de neutre », voici une brève présentation des 3 schémas de liaison à la terre utilisés en distribution basse tension.
Le conducteur neutre et les masses métalliques
Chaque schéma se différencie par le mode de connexion du neutre de la source d'alimentation par rapport à la terre, ainsi que la manière dont on met à la terre les masses métalliques de l'installation.
Pour résumer simplement, le mode de liaison à la terre de ces deux éléments va conditionner des paramètres liés à la sécurité des personnes et du matériel.
Petit rappel : Le conducteur neutre n'est rien d'autre qu'un fil issu du point neutre d'une source d'alimentation.
Exemple : un transformateur électrique triphasé possède trois enroulements dans sa partie secondaire. Chaque enroulement représente une bobine de fil de cuivre connectée à une phase.
En triphasé, les enroulements couplés en étoile sont assemblés d'une façon telle qu'ils ont chacun un point de connexion en commun : c'est le point neutre. Lorsque l'on tire un fil de ce point, il devient le conducteur neutre.
On distingue 3 schémas de liaison à la terre :
- Le schéma TT
- Le schéma TN (et ses variantes)
- Le schéma IT
Des fils et des lettres ...
On utilise des lettres pour dissocier chaque schéma :
- La 1ère lettre indique le mode de connexion du neutre de la source par rapport à la terre
La 2ème lettre indique le mode de connexion des masses métalliques de l'utilisation par rapport à la terre
Ainsi, le T indique que l'élément en question est relié à la Terre.
Le N indique que l'élément en question est relié au Neutre.
Enfin, le I indique que l'élément en question n'est pas relié directement (Isolé ou Impédant) à la terre.
Il est à préciser que le N n'occupera jamais la première lettre du binôme ; par contre, le I n'occupera jamais la deuxième.
Les 3 types de schémas de liaison à la terre :
Schéma TT (mise à la terre du neutre, et mise à la terre des masses métalliques)
Schéma TN (mise à la terre du neutre, mise au neutre des masses métalliques)
Schéma IT (neutre impédant ou isolé de la terre, mise à la terre des masses métalliques)
Remarque : il existe 3 sous-schémas propres au schéma TN, que l'on détaillera dans un autre article !
Exemple : en schéma TT, le neutre de la source est relié à la terre et les masses métalliques de l'utilisation sont reliées à la terre (différente de la première).
En schéma TN, le neutre de la source est relié à la terre, et les masses métalliques de l'utilisation sont reliées ... au neutre !
En schéma IT, le neutre de la source est isolé de la terre (ou impédant) et les masses métalliques sont reliées à la terre.
Vous avez tout compris !