10.7 : Câblage domestique et sécurité électrique

Objectifs d'apprentissage

À la fin de la section, vous serez en mesure de :

• Énumérer les concepts de base impliqués dans le câblage domestique
• Définir les termes danger thermique et risque de choc
• Décrire les effets des chocs électriques sur la physiologie humaine et leur relation avec la quantité de courant traversant le corps
• Expliquer le fonctionnement des fusibles et des disjoncteurs

L'électricité présente deux risques connus : les risques thermiques et les chocs. Un danger thermique est un danger dans lequel un courant électrique excessif provoque des effets thermiques indésirables, tels que l'allumage d'un feu dans le mur d'une maison. Un risque de choc se produit lorsqu'un courant électrique traverse une personne. La sévérité des chocs peut aller de douloureux, mais par ailleurs inoffensifs, à une létalité à couper le souffle. Dans cette section, nous examinons ces dangers et les différents facteurs qui les influencent de manière quantitative. Nous examinons également les systèmes et les dispositifs de prévention des risques électriques.

Dangers thermiques

L'énergie électrique provoque des effets de chauffage indésirables lorsque l'énergie électrique est convertie en énergie thermique à une vitesse plus rapide qu'elle ne peut être dissipée en toute sécurité. Un exemple classique en est le court-circuit, un chemin à faible résistance entre les bornes d'une source de tension. Un exemple de court-circuit est illustré sur la figure\(\PageIndex{1}\). Un grille-pain est branché sur une prise électrique domestique commune. L'isolation des fils menant à un appareil est usée, ce qui permet aux deux fils d'entrer en contact, ou de « court-circuiter ». Par conséquent, l'énergie thermique peut rapidement augmenter la température des matériaux environnants, faire fondre l'isolant et éventuellement provoquer un incendie.

Le schéma de circuit montre un symbole qui consiste en une onde sinusoïdale enfermée dans un cercle. Ce symbole représente une source de tension alternative (AC). Dans une source de tension alternative, la tension oscille entre une amplitude maximale positive et négative. Jusqu'à présent, nous avons envisagé des sources de tension à courant continu (DC), mais bon nombre des mêmes concepts sont applicables aux circuits en courant alternatif.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Un court-circuit est un chemin de faible résistance indésirable traversant une source de tension. (a) L'isolation usée des fils d'un grille-pain leur permet d'entrer en contact avec une faible résistance r. Depuis\(P = V^2/\tau\), l'énergie thermique est créée si rapidement que le cordon fond ou brûle. (b) Un schéma du court-circuit.

Un autre danger thermique grave se produit lorsque les fils alimentant un appareil sont surchargés. Les fils et les appareils électriques sont souvent conçus pour le courant maximal qu'ils peuvent gérer en toute sécurité. Le terme « surcharge » fait référence à une situation dans laquelle le courant dépasse le courant maximal nominal. Lorsque le courant circule dans un fil, la puissance dissipée dans les fils d'alimentation est\(P = I^2 R_W\), où se\(R_W\) trouve la résistance des fils et I est le courant circulant dans les fils. Si I ou\(R_W\) est trop gros, les fils surchauffent. Les fusibles et les disjoncteurs sont utilisés pour limiter les courants excessifs.

Risques de choc

Un choc électrique est une réaction physiologique ou une blessure causée par un courant électrique externe traversant le corps. L'effet d'un choc électrique peut être négatif ou positif. Lorsqu'un courant d'une amplitude supérieure à 300 mA traverse le cœur, la mort peut survenir. La plupart des décès dus à un choc électrique surviennent parce qu'un courant provoque une fibrillation ventriculaire, un battement du cœur extrêmement irrégulier et souvent mortel. En revanche, une victime d'une crise cardiaque dont le cœur est en fibrillation peut être sauvée par un choc électrique émis par un défibrillateur.

Les effets d'un choc électrique indésirable peuvent varier en intensité : légère sensation au point de contact, douleur, perte du contrôle musculaire volontaire, difficulté à respirer, fibrillation cardiaque et éventuellement décès. La perte du contrôle musculaire volontaire peut empêcher la victime de se détacher de la source du courant.

Les principaux facteurs dont dépend la gravité des effets d'un choc électrique sont les suivants :

1. La quantité de courant I
2. Le chemin emprunté par le courant
3. La durée du choc
4. La fréquence f du courant (\((f = 0 \)pour dc)

Notre corps est relativement bon conducteur électrique en raison de sa teneur en eau. Une situation dangereuse se produit lorsque le corps est en contact avec une source de tension et une « terre ». Le terme « sol » fait référence à un grand puits ou à une source d'électrons, par exemple la Terre (d'où son nom). Lorsqu'il y a un chemin direct vers le sol, de grands courants traversent les parties du corps ayant la plus faible résistance et un trajet direct vers le sol. Le port de chaussures isolantes est une mesure de sécurité utilisée par de nombreuses professions. Les chaussures isolantes empêchent les électrons de pénétrer dans le sol en leur conférant une grande résistance. Lorsque vous travaillez avec des outils puissants ou tout autre circuit électrique, assurez-vous de ne pas laisser passer le courant (en particulier à travers le cœur). Une précaution de sécurité courante consiste à travailler d'une seule main, réduisant ainsi la possibilité de fournir un chemin de courant à travers le cœur.

De très petits courants traversent le corps de manière inoffensive et non ressentie. Cela vous arrive régulièrement à votre insu. Le seuil de sensation n'est que de 1 mA et, bien que désagréables, les chocs sont apparemment inoffensifs pour des courants inférieurs à 5 mA. Un grand nombre de règles de sécurité prennent la valeur de 5 mA pour le choc maximal autorisé. À 5 à 30 mA et plus, le courant peut stimuler des contractions musculaires soutenues, tout comme le font les impulsions nerveuses régulières (Figure\(\PageIndex{2}\)). De très forts courants (supérieurs à 300 mA) provoquent la contraction du cœur et du diaphragme du poumon pendant la durée du choc. Le cœur et la respiration s'arrêtent. Les deux reviennent souvent à la normale après le choc.

Figure\(\PageIndex{2}\) : Un courant électrique peut provoquer des contractions musculaires aux effets variables. a) La victime est « projetée » vers l'arrière par des contractions musculaires involontaires qui étendent les jambes et le torse. (b) La victime ne peut pas lâcher le fil qui stimule tous les muscles de la main. Ceux qui ferment les doigts sont plus forts que ceux qui les ouvrent.

Le courant est le principal facteur qui détermine la gravité du choc. Une tension plus élevée est plus dangereuse, mais puisque\(I = V/R\) la gravité du choc dépend de la combinaison de tension et de résistance. Par exemple, une personne à la peau sèche a une résistance d'environ\(200 \, k\Omega\). S'il entre en contact avec 120 V AC, un courant

\[I = (120 \, V)(200 \, k\Omega) = 0.6 \, mA\]

passe inoffensivement à travers lui. La même personne trempée peut avoir une résistance de 120 V\(10.0 \, k\Omega\) et produire un courant de 12 mA, supérieur au seuil « impossible à lâcher prise » et potentiellement dangereux.

Sécurité électrique : systèmes et appareils

La figure\(\PageIndex{3}(a)\) montre le schéma d'un circuit de courant alternatif simple sans dispositifs de sécurité. Ce n'est pas ainsi que le pouvoir est réparti dans la pratique. Le câblage domestique et industriel moderne nécessite le système à trois fils, illustré schématiquement dans la partie (b), qui comporte plusieurs dispositifs de sécurité, avec des fils sous tension, neutres et de mise à la terre. Le premier est le disjoncteur (ou fusible) habituel pour éviter les surcharges thermiques. Le second est un étui de protection autour de l'appareil, tel qu'un grille-pain ou un réfrigérateur. La caractéristique de sécurité de l'étui est qu'elle empêche une personne de toucher les fils exposés et d'entrer en contact électrique avec le circuit, ce qui contribue à prévenir les chocs.

Figure\(\PageIndex{3}\) : (a) Schéma d'un circuit alternatif simple avec une source de tension et un seul appareil représenté par la résistance R. Ce circuit ne comporte aucun dispositif de sécurité. (b) Le système à trois fils connecte le fil neutre à la terre à la source de tension et au site de l'utilisateur, le forçant à être à zéro volt et fournissant un chemin de retour alternatif pour le courant traversant la terre. Le boîtier de l'appareil est également mis à la terre à zéro volt. Un disjoncteur ou un fusible protège contre les surcharges thermiques et se trouve en série sur le fil actif (alimenté/chaud).

Trois connexions à la terre sont illustrées dans\(\PageIndex{3}(b)\). Rappelez-vous qu'une connexion à la terre est un chemin à faible résistance directement à la terre. Les deux connexions à la terre du fil neutre l'obligent à être à zéro volt par rapport à la terre, ce qui donne son nom au fil. Ce fil est donc sûr au toucher même si son isolant, généralement blanc, fait défaut. Le fil neutre est le chemin de retour du courant à suivre pour compléter le circuit. De plus, les deux connexions à la terre fournissent un chemin alternatif à travers la terre (un bon conducteur) pour compléter le circuit. La connexion à la terre la plus proche de la source d'alimentation peut se trouver au niveau de la centrale, tandis que l'autre se trouve chez l'utilisateur. La troisième mise à la terre se trouve dans le boîtier de l'appareil, à travers le fil de terre vert, forçant ainsi le boîtier à zéro volt. Le fil sous tension ou chaud (ci-après dénommé « allumé/chaud ») fournit la tension et le courant nécessaires au fonctionnement de l'appareil. La figure\(\PageIndex{4}\) montre une version plus illustrée de la façon dont le système à trois fils est connecté à un appareil via une prise à trois broches.

Figure\(\PageIndex{4}\) : La prise standard à trois broches ne peut être insérée que d'une seule manière, afin de garantir le bon fonctionnement du système à trois fils.

Le plastique isolant est codé par couleur pour identifier les fils alimentés/chauds, neutres et de mise à la terre, mais ces codes varient d'une région à l'autre. Il est essentiel de déterminer le code couleur de votre région. Les revêtements à rayures sont parfois utilisés pour les personnes daltoniennes.

La mise à la terre du dossier permet de résoudre plus d'un problème. Le problème le plus simple est l'usure de l'isolation du fil sous tension/chaud qui lui permet d'entrer en contact avec le boîtier, comme le montre la figure\(\PageIndex{5}\). En l'absence de connexion à la terre, un choc sévère est possible. Cela est particulièrement dangereux dans la cuisine, où une bonne connexion au sol est possible grâce à l'eau sur le sol ou à un robinet d'eau. Lorsque la connexion à la terre est intacte, le disjoncteur se déclenche, forçant la réparation de l'appareil.

Figure\(\PageIndex{5}\) : L'isolation usée permet au fil sous tension ou chaud d'entrer en contact direct avec le boîtier métallique de cet appareil. a) La connexion à la terre étant rompue, la personne est gravement choquée. L'appareil peut fonctionner normalement dans ce cas. (b) Lorsque la mise à la terre est correcte, le disjoncteur se déclenche, forçant ainsi la réparation de l'appareil.

Un interrupteur de panne de terre (GFCI) est un dispositif de sécurité que l'on trouve dans le câblage moderne des cuisines et des salles de bains qui fonctionne sur la base de l'induction électromagnétique. Les GFCI comparent les courants dans les fils alimentés/chauds et neutres. Lorsque les courants actif/chaud et neutre ne sont pas égaux, c'est presque toujours parce que le courant dans le neutre est inférieur à celui dans le fil alimenté/chaud. Ensuite, une partie du courant, appelée courant de fuite, revient à la source de tension par un chemin autre que le fil neutre. On suppose que cette trajectoire présente un danger. Les GFCI sont généralement réglés pour interrompre le circuit si le courant de fuite est supérieur à 5 mA, le choc inoffensif maximal accepté. Même si le courant de fuite passe en toute sécurité à la terre via un fil de terre intact, le GFCI se déclenchera, forçant ainsi la réparation de la fuite.

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