Ce n‘est qu‘une question de résistance

Pourquoi les disjoncteurs ne déclenchent pas toujours quand ils sont submergés

Début juillet, des orages accompagnés de pluies abondantes ont frappé la Suisse et ont provoqué des inondations dans plusieurs régions. Beaucoup de maisons avaient toujours l’électricité, bien que la cave et donc aussi l’armoire électrique étaient totalement submergées. Cet article cherche à donner des explications à ce phénomène.

En principe, les installations électriques sont protégées par deux types de disjoncteur différents :

Les fusibles / disjoncteurs de puissance
Le devoir du disjoncteur de puissance a pour but de protéger les appareillages et le câblage de surcharges thermiques et de court-circuits. Il déclenche en cas d‘incident sur un circuit électrique.

Le disjoncteur différentiel
Les différentiels détectent les différences de niveau de courant dans un circuit afin d’en déduire un défaut d’isolement.

Le devoir du disjoncteur différentiel est celui de protéger les personnes contre les risques de courants de fuite qui peuvent causer des dégâts importants lorsqu’ils traversent le corps humain. Les système différentiels viennent toujours en adjonction des disjoncteurs de puissance (vu précédemment).

Lors d’une inondation

Nous allons voir maintenant quel type de défaut électrique caractérise une inondation et ainsi en déduire les systèmes et architectures à mettre en place afin d’assurer la protection des personnes (électrocution).

Conductivité électrique de l’eau

Un courant électrique résulte du mouvement de particules électriquement chargées en réponse à des forces agissant sur celles-ci à partir d‘un champ électrique appliqué. Dans la catégorie des matériaux les plus solides, un courant résulte du flux d‘électrons, lequel est appelé conduction électronique. Dans tous les conducteurs, semi-conducteurs et beaucoup de matériaux isolés, seule la conduction électronique existe, et la conductivité électrique est fortement dépendante du nombre d‘électrons disponibles pour participer au processus de conduction. La plupart des métaux sont des conducteurs d‘électricité extrêmement bons, du fait du nombre important d‘électrons libres pouvant être excités dans une couche énergétique vide et disponible.

Dans l‘eau et les matériaux ioniques ou liquides, un mouvement des ions chargés peut se produire. Ce phénomène produit un courant électrique que l‘on appelle conduction ionique.

La conductivité électrique est définie comme le rapport entre la densité du courant (J) et l‘intensité du champ électrique (e). Elle est l‘inverse de la résistivité (r, [W*m]):

s = J/e = 1/r

L‘eau pure n‘est pas un bon conducteur d‘électricité. L‘eau distillée ordinaire, en équilibre avec le dioxyde de carbone de l‘air, a une conductivité d‘environ 10 x 10-6 W-1*m-1 (20 dS/m). Du fait que le courant électrique est transporté par les ions de la solution, la conductivité augmente lorsque la concentration des ions augmente.

Conductivité typique des eaux:

Eau ultra-pure 5.5 · 10-6 S/m
Eau potable 0.005 – 0.05 S/m
Eau de mer 5 S/m

Loi d’Ohms et Puissance électrique

La loi d’Ohm établit une relation entre la valeur d’une résistance, la tension qu’elle reçoit et l’intensité du courant qui circule.

D’où la relation :

U = R x I et
I = U / R

Démontrant ainsi que plus la résistance d’un circuit est importante, plus l’intensité (courant) transitant dans le circuit sera faible.

Circuit électrique équivalent en cas d’inondation

Dans la grande majorité des cas, les tableaux d’introduction électrique se trouvent dans les sous-sols des bâtiments avec le risque qu‘ils se retrouvent immergés lors de fortes pluies.

Le schéma à côté représente cette situation ainsi que le circuit électrique équivalent, avec pour conséquence de réduire exponentiellement la perméabilité ou résistance entre les jeux de barres / connexions en accord avec les caractéristiques de l’eau mais en même temps créer un pont conducteur entre les connexions / bornes / jeux de barres et la mise à terre, dissipant une grande partie du courant.

Nous avons également vu précédemment que plus la résistance diminue, plus l’intensité (courant électrique) augmente, ce qui normalement devrait avec une résistance tendant vers 0 (proche du court-circuit), sans jamais l’atteindre bien entendu car l’eau assure toujours une résistivité, faire déclencher les protections de type disjoncteur/fusibles.

Or, l’eau de pluie s‘écoulant au sol contient énormément de particules (boue, limons, ..) augmentant la conductivité de celle-ci et permettant au courant de transiter par cette voie pour rejoindre le réseau de terre, la surface de conduction étant nettement plus importante et offrant moins de résistance que le câble, limitant ainsi le courant de retour, donc la surcharge. Dans le même temps, la différence de potentiel, 230V – 400V, entre le conducteur actif et le référentiel ( terre ), s’effondrent en tendant vers 0.

Ces effets cumulés dans une même période limitent ainsi la puissance / énergie du circuit empêchant les protections de types disjoncteurs / fusibles de fonctionner, leur courbe de déclenchement étant liées à un seuil réglé d’énergie transitant par ceux-ci.

D’autre part et comme le montre la figure à côté, les disjoncteurs modulaires, de type électronique, sont positionnés en bas de tableau avec le risque élevé d’être immergés et ne plus assurer la coupure des circuits en défaut. En effet la plupart des disjoncteurs de ce type ont une classe de protection « IP20 » conforme à IEC 60529 et donc non étanche.

Solutions et préconisations d’installation

Nous l’avons vu précédemment, la position géographique du tableau électrique principal ainsi que le type de protection doivent être adaptés afin de couper le réseau d’alimentation lors d’une inondation.

Les solutions préconisées étant :

L’installation du tableau d’introduction au-dessus du référentiel de crues ou dans un local suffisamment étanche.
La mise en place d’une protection de type « Différentiel 300 mA » associée au disjoncteur principal qui saura détecter la présence d’eau et donc un courant de fuite important.
La mise en place de protections de type « Différentielle 30 mA » sur tous les départs prises.
La mise en place de toutes les bornes de raccordement des départs protégés, en bas de tableau afin d’assurer le bon fonctionnement des protections, le niveau d’eau atteignant les départs avant les protections.

Michael Margot
Ingénieur Master II
margot.engineering@gmail.com