Déclenchement : guide de terrain sur la protection des circuits

Jul 20, 2023

J'ai été initié à la protection des circuits à l'âge de huit ans. Étant un garçon curieux avec un penchant inventif – et apparemment autodestructeur –, j'ai décidé de faire de ma mère une lampe. J'ai placé un collier de serrage autour de la base d'une petite ampoule, enlevé l'isolant d'une vieille rallonge et coincé les deux extrémités des fils sous le collier. Lorsque j'ai branché mon invention sur une prise dans la tanière, j'ai vu l'isolant se détacher du cordon juste avant que toute la maison ne s'assombrisse. D'une manière ou d'une autre, le disjoncteur du circuit de dérivation est tombé en panne et j'ai déclenché le disjoncteur principal d'un panneau de 200 ampères. Ma mère n'a jamais été aussi impressionnée que moi par cet exploit, surtout maintenant que j'en sais un peu plus sur le fonctionnement de l'électricité et à quel point j'ai failli être lauréat du prix Darwin.

Pour vous aider à éviter un sort similaire, j'aimerais vous emmener en voyage (tee-hee !) À travers le panneau électrique domestique typique et regarder certains des appareils qui sont prêts chaque jour, attendant une chance de nous sauver de nous-mêmes. En tant que Nord-Américain, je vais me concentrer sur les normes de système électrique résidentiel les plus courantes ici. Et bien qu'il existe de nombreuses technologies conçues pour assurer votre sécurité en dernier recours, l'électricité dans votre mur peut toujours vous tuer. Ne devenez pas désinvolte avec le courant secteur !

Ce qui m'a sauvé ce jour d'il y a longtemps, c'est un disjoncteur. Dans sa forme la plus simple, un disjoncteur n'est qu'un dispositif électromécanique conçu pour protéger les circuits en coupant le jus lorsque le courant qui le traverse dépasse le point de conception. Les disjoncteurs doivent détecter le flux de courant et le transformer en action mécanique afin que les contacts puissent être physiquement séparés rapidement et en toute sécurité. Le mécanisme le plus courant est électromagnétique, où plus de surintensité crée un champ magnétique pour séparer les contacts, et bimétallique, où une surcharge chauffe une bande bimétallique et la plie, activant l'interrupteur.

Les disjoncteurs résidentiels en Amérique du Nord se déclinent en deux saveurs différentes. Les disjoncteurs de dérivation sont utilisés pour protéger chaque circuit de dérivation - les prises, les luminaires et les appareils qui sont connectés en parallèle au panneau principal. Chaque circuit de dérivation est généralement évalué à 15 ou 20 ampères, et à moins qu'il n'exécute une charge importante comme une sécheuse électrique ou une pompe de puits, ce sera un circuit de 120 volts. En plus des disjoncteurs de branche, un panneau aura un disjoncteur principal pour capter tous les défauts qu'un disjoncteur de branche défectueux manque, comme ce qui m'est arrivé. Il s'agit généralement d'une affaire à 4 pôles - un pour chaque ligne directe, un pour le neutre et un pour la terre. Un disjoncteur principal agit également comme un interrupteur pour mettre hors tension tous les circuits de dérivation, ce qui rend plus sûr le travail dans le panneau - mais méfiez-vous des cosses alimentant le disjoncteur principal ! Ceux-ci sont toujours chauds, et le prochain disjoncteur sur la ligne est probablement un gros sectionneur sur un poteau électrique.

Les panneaux de disjoncteurs principaux ici ont une disposition intéressante qui permet à la fois des circuits de 120 et 240 volts. La puissance est distribuée dans un agencement en phase divisée, où le transformateur sur le poteau a un enroulement secondaire de 240 volts à prise centrale. Il en résulte deux branches chaudes chacune à 120 volts par rapport au neutre, ou 240 volts aux deux points chauds. À l'intérieur du panneau de distribution, les deux points chauds sont connectés à des barres omnibus avec des doigts qui s'entrelacent. Cela permet l'installation de disjoncteurs unipolaires, qui sont connectés à une seule branche chaude de 120 volts, ou de disjoncteurs bipolaires, qui relient les deux branches chaudes pour un circuit de 240 volts.

Si jamais vous rencontrez un problème où tous les autres circuits unipolaires de votre panneau fonctionnent et qu'aucun des circuits de 240 volts ne fonctionne du tout, vous saurez que l'une des branches chaudes n'est pas sous tension pour une raison quelconque. Vous voudrez probablement appeler la compagnie d'électricité dans ce cas.

Le premier jour d'un cours de laboratoire d'EE à l'université, l'instructeur nous a donné une conférence sur la sécurité qui donne à réfléchir intitulée "C'est le courant qui tue". Les chiffres qu'il a cités sur le peu de courant qu'il faut réellement pour tuer m'ont stupéfié - comment n'avais-je pas reçu au moins 30 milliampères à couper le souffle à un moment donné avec les divers chocs de tension de ligne que j'avais subis ? Il s'avère que j'ai probablement reçu beaucoup moins de courant que cela et que cela ne m'a probablement pas traversé le cœur, mais il est bon de savoir que de nombreux circuits dans un panneau de service résidentiel moderne sont protégés par des disjoncteurs de fuite à la terre. Connus sous le nom de GFCI ou GFI aux États-Unis et de dispositifs à courant résiduel (RCD) au Royaume-Uni, ces dispositifs sont capables de couper le flux de courant si une fuite aussi faible que 5 mA de la ligne chaude. Et il le fait très rapidement – ​​environ 25 à 40 millisecondes, soit moins de temps qu'il ne faut à un courant de 30 mA pour mettre un cœur humain en fibrillation ventriculaire.

Les GFCI fonctionnent en détectant les déséquilibres de courant entre deux conducteurs à l'aide d'un transformateur de courant. Le conducteur chaud et le conducteur neutre traversent le tore du transformateur de courant. Normalement, les courants s'annulent, mais s'il y a un déséquilibre dû à une fuite, un courant est induit dans le transformateur qui peut être utilisé pour déclencher un disjoncteur électromagnétique. Qu'il y ait une puce pour s'occuper de la plupart des détections et des déclenchements n'est pas surprenant ; ce qui est inattendu, c'est l'histoire fascinante de la naissance de la première puce GFCI, la LM1851, au milieu des années 1970. Alerte spoiler : de nombreux étudiants diplômés ont été électrocutés lors de la fabrication du premier GFCI.

Aux États-Unis, les GFCI sont requis par le code partout où il y a la moindre possibilité de mélange d'eau et d'électricité. Initialement destinés aux sorties de salle de bain et de cuisine, les GFCI se retrouvent désormais également dans les sous-sols, les garages et dans toutes les prises extérieures, en particulier pour les piscines et les spas. Alors que le facteur de forme le plus courant pour les GFCI est intégré dans une prise double, certains disjoncteurs ont des GFCI intégrés. Et bien sûr, il y a les GFCI de verrue murale qui se développent maintenant à partir des cordons d'alimentation de chaque sèche-cheveux et fer à friser fabriqués.

Une modalité de protection de circuit plus récente est le disjoncteur de défaut d'arc (AFCI). Destinés à prévenir les incendies dus aux arcs à haute température, les AFCI sont requis par le code depuis le début des années 2000 pour les circuits de dérivation desservant les chambres. Les premiers AFCI étaient sujets à des déclenchements intempestifs à partir d'arcs «normaux», comme les brosses d'un moteur d'aspirateur. Au fur et à mesure que la technologie s'améliorait et que les déclenchements intempestifs étaient réduits, les exigences du code ont été réécrites afin que les AFCI soient désormais requis sur tous les circuits de dérivation, desservant à peu près toutes les pièces de la maison.

Alors que les AFCI détectent les anomalies actuelles comme le font les GFCI, les similitudes s'arrêtent à peu près là. Les AFCI doivent également surveiller la tension et analyser la forme d'onde du circuit sous surveillance pour détecter les signes révélateurs d'un arc électrique potentiellement destructeur. En plus de reconnaître les arcs entre la ligne directe et le neutre ou la terre, les AFCI doivent détecter les arcs en série, ce qui peut se produire lorsqu'un fil chaud se tortille librement dans une borne desserrée. Tous ces arcs ont des formes d'onde caractéristiques qu'un microcontrôleur analyse pour déterminer si un défaut existe tout en ignorant les arcs provenant d'équipements fonctionnant normalement. C'est compliqué, et il n'est pas étonnant qu'il ait fallu du temps aux fabricants pour bien faire les choses. Un bon traitement des spécificités des algorithmes de détection peut être trouvé dans cet article (lien PDF).

Bien sûr, de nombreux autres appareils fonctionnent pour garder votre alimentation électrique propre, comme les parasurtenseurs, les filtres antibruit et les onduleurs. Mais ce sont principalement pour garder vos appareils en bonne santé et heureux. Les disjoncteurs, GFCI et AFCI sont des équipements de sécurité des personnes, que ce soit en protégeant la structure autour de vous contre les incendies, ou en vous empêchant de vous faire mordre par de nombreux Angry Pixies lorsque vous laissez tomber votre sèche-cheveux dans les toilettes. Mais rappelez-vous qu'ils sont la dernière ligne de défense - en fin de compte, c'est surtout à vous de vous assurer que vous ne faites pas quelque chose d'aussi stupide que je l'ai fait il y a longtemps.