Qu'est-ce que l'éclair d'arc électrique ?
L'éclair d'arc est défini comme un arc électrique où le courant circule dans l'air entre les conducteurs de phase et où l'énergie thermique est dissipée sous forme de chaleur rayonnante, convective et conductive. Un éclair d'arc est un événement explosif qui provoque des conditions dangereuses entraînant des blessures graves, voire mortelles, pour les travailleurs ou les personnes se trouvant à proximité, l'inflammation de matériaux inflammables et l'endommagement de l'équipement.
Le matériel électrique fonctionnant à une tension égale ou supérieure à 50 V CA ou 120 V CC (sans ondulation) et qui ne sera pas mis hors tension pendant le travail doit être évalué pour la protection contre l'éclair d'arc et les chocs.
Cette évaluation déterminera l'énergie de l'incident, les limites de l'éclair d'arc et les étiquettes de sécurité qui informeront les travailleurs de l'électricité de l'EPI à porter.
Quelles sont les causes d'un éclair d'arc électrique ?
Les explosions par éclair d'arc ne sont pas seulement dues à la chute d'outils par les travailleurs ou à un contact accidentel, mais aussi à plusieurs facteurs moins évidents tels que l'accumulation de poussière ou de condensation, la défaillance d'un matériau, la corrosion ou une installation défectueuse.
Les trois activités les plus dangereuses pour les travailleurs et qui comportent le plus grand risque d'éclair d'arc électrique sont [3] :
- Rétablissement après une panne ou fonctionnement d'un équipement présentant un défaut éventuel.
- Crémaillère (panneau ouvert) - disjoncteur de crémaillère, panneau ouvert avec la poignée de crémaillère.
- Mise en service - mise en marche de l'équipement électrique pour la première fois.
Les facteurs humains contributifs des travailleurs sont notamment l'absence d'évaluation des risques, une évaluation des risques inadéquate, l'absence d'isolation ou de test d'isolation, le manque d'expérience ou de compétence.
Que se passe-t-il lors d'un éclair d'arc électrique ?
L'énergie de l'éclair d'arc est alimentée par le courant de défaut qui traverse un plasma d'arc électrique (gaz ionisé surchauffé à plus de 5000˚C) qui est éjecté par l'arc et ne s'arrête qu'une fois que le courant d'arc est interrompu par la protection électrique. L'explosion d'un arc électrique a plusieurs effets : lumière intense, ondes de pression, ondes sonores, air chaud et vapeur, mais c'est le plasma d'arc qui est éjecté qui constitue le principal danger pour l'individu.
Trois facteurs principaux déterminent la gravité d'une blessure due à un éclair d'arc électrique :
- Proximité du travailleur par rapport à l'éclair d'arc électrique.
- Ampleur du courant d'arc et températures résultantes.
- Le temps d'exposition, c'est-à-dire le temps nécessaire pour éliminer le défaut d'arc.
Il est impératif que toutes les mesures raisonnablement réalisables soient prises pour protéger les travailleurs appelés à travailler sur ou à proximité d'équipements électriques contre les effets nocifs des risques d'éclair d'arc électrique, en éliminant les dangers et en réduisant les risques.
Conséquences de l'éclair d'arc électrique
En raison de la nature violente d'un éclair d'arc électrique, les conséquences pour les travailleurs exposés et blessés peuvent être dévastatrices, voire mortelles.
Une étude technique a montré qu'il suffit que le tissu cutané atteigne une température de 96 degrés Celsius pendant 0,1 seconde (5/6 cycles de courant 50/60 Hz) pour provoquer des brûlures incurables [1].
Lorsqu'un éclair d'arc électrique se produit, les températures extrêmement élevées peuvent provoquer des brûlures mortelles jusqu'à une distance d'environ 1,5 m et des brûlures graves jusqu'à une distance d'environ 3 m de l'arc électrique [1].
Protéger les travailleurs contre les risques d'éclair d'arc électrique
La meilleure façon de protéger les travailleurs contre l'éclair d'arc électrique est de travailler sur des équipements électriques hors tension.
Si cela n'est pas possible et que le travail doit être effectué sur un équipement sous tension, des pratiques de travail liées à la sécurité doivent être mises en place. Il peut s'agir de permis de travail sur des équipements électriques sous tension, d'équipements de protection individuelle, d'outils isolés, de programmes de sécurité écrits et de séances d'information sur le travail.
Distances de travail standard
La norme IEEE 1584-2018 prévoit des distances de travail pour les appareillages de commutation haute tension (> 1 kV) = 914,4 mm (36 in), les appareillages de commutation basse tension = 609,6 mm (24 in), les MCC BT et les boîtes de câbles = 457,2 mm (18 in).
Les distances de travail typiques tirées des normes et des guides sont énumérées ci-dessous.
Procédure d'étude de l'éclair d'arc électrique
La dernière norme IEEE Std 1584-2018 fournit une procédure d'étude de l'éclair d'arc électrique que nous avons consolidée en 8 étapes. Cette norme fournit des équations empiriques qui sont dérivées (extrapolées) de modèles basés sur l'analyse statistique de mesures d'essais triphasés à 600 V avec des courants de défaut de 16 à 50 kA [2].
Les principaux résultats du calcul de l'étude des risques d'éclair d'arc sont la limite de l'éclair d'arc et l'énergie incidente de l'éclair d'arc à des distances de travail définies de la source d'arc pour des emplacements sélectionnés dans le système électrique. Les résultats de l'étude documentent l'analyse de l'énergie incidente et peuvent être utilisés par les travailleurs dans le cadre d'une évaluation globale des risques liés à la sécurité électrique.
Remarque La norme IEEE 1584 ne fournit pas de recommandations concernant les EPI destinés à atténuer les risques d'éclair d'arc électrique.
Les principales étapes de l'étude de l'éclair d'arc électrique sont les suivantes :
Étape 1 - Recueillir les données relatives au système, au dispositif de protection et à l'équipement
- Données du système pour les calculs de court-circuit, telles que la tension nominale, l'impédance, le rapport X/R, etc.
- Données relatives au dispositif de protection permettant de déterminer la durée de l'arc, telles que la puissance, le TCC, les réglages du dispositif, etc.
- Données relatives à l'équipement pour l'énergie incidente et les limites de l'éclair d'arc électrique. Les données comprennent :
- Distance de travail - Distance entre la source d'arc potentielle et le visage et la poitrine du travailleur effectuant la tâche.
- Configuration des électrodes - Orientation et disposition des électrodes.
- Matériau du conducteur/électrode.
- Dimensions de l'enceinte - Hauteur, largeur et profondeur de l'enceinte de l'équipement.
- Niveau d'énergie incidente pour la détermination des limites de l'éclair d'arc personnaliséétude
Les données relatives à l'équipement type sont tirées de la norme IEEE Std. 1584-2018 [réf. 4] et sont énumérées ci-dessous.
Étape 2 : Déterminer les modes/arrangements de fonctionnement
Déterminer le courant de court-circuit disponible pour tous les modes de fonctionnement qui fournissent à la fois le courant de court-circuit disponible maximal et minimal. Le courant de court-circuit dans la "pire condition" est censé être pris en compte pour les calculs ultérieurs du courant d'arc. Il existe plusieurs exemples de modes de fonctionnement dans la norme IEEE1584-2018 :
- Une ou plusieurs lignes d'alimentation en service
- Ouverture ou fermeture du disjoncteur de couplage de bus secondaire de la sous-station d'interface de l'entreprise de service public
- Sous-station unitaire avec un ou deux départs primaires
- Sous-station unitaire avec deux transformateurs dont la liaison secondaire est ouverte ou fermée
- MCC avec un ou deux départs, un ou les deux sous tension
- Générateurs fonctionnant en parallèle avec l'alimentation électrique ou en veille
- Commutation normale du système de distribution configurée pour un défaut maximal possible en mégavolts-ampères
- Commutation normale du système de distribution configurée pour un défaut minimal possible en mégavolts-ampères
- Sources dérivées séparées (générateurs) - capacité maximale en ligne
- Sources dérivées séparées (générateurs) - nombre minimum en ligne
- Situation d'arrêt ou de démarrage avec tous les moteurs à l'arrêt - contribution réduite aux défauts
Étape 3 : Déterminer les courants de défaut boulonnés
Calculer le courant de court-circuit. Le calcul doit tenir compte des données du système et des modes de fonctionnement.
Les courants de court-circuit triphasés et monophasés doivent être pris en compte. Le courant de court-circuit monophasé est utilisé pour effectuer le calcul de l'éclair d'arc monophasé. Cependant, dans la plupart des cas, les courants de court-circuit triphasés donnent généralement la plus grande énergie de court-circuit possible et peuvent être considérés comme le cas le plus défavorable. Les défauts d'arc dans les appareils ou l'air qui commencent comme des défauts ligne-terre peuvent aussi très rapidement se transformer en défauts triphasés lorsque l'air s'ionise entre les phases. Cette évolution se produit en l'espace de quelques cycles.
Étape 4 : Calcul du courant d'arc
Le courant d'arc est généralement inférieur aux courants de défaut boulonné, mais il est proche du courant de défaut boulonné pour la HT. Bien que le court-circuit maximal soit généralement considéré comme le cas le plus défavorable, le courant d'arc moindre entraîne souvent des temps d'élimination des défauts beaucoup plus longs , ce qui peut se traduire par une énergie incidente plus élevée. Par conséquent, il est nécessaire de prendre en compte àla fois le court-circuit maximal et le court-circuit minimal.
Il faut déterminer le courant d'arc total au point concerné et la partie de ce courant qui traverse le(s) dispositif(s) de protection en amont. La partie du courant d'arc traversant
le dispositif de protection contre les surintensités détermine la durée de l'arc.
Dans le cas de sites alimentés par plusieurs lignes d'alimentation, il est nécessaire de déterminer la part du courant d'arc total qui passe par chaque dispositif de protection afin de déterminer le temps de dégagement de chaque dispositif.
Étape 5 : Calculer la durée de l'arc
La durée de l'arc est définie comme le temps nécessaire à la (aux) source(s) de courant d'arc en amont pour cesser de fournir du courant ou de l'énergie au défaut d'arc, ce qui dépend le plus souvent du temps de fonctionnement d'un dispositif de protection à maximum de courant.
Pour les dispositifs de protection contre les surintensités en série, ou aux endroits où plus d'un type de dispositif de protection pourrait éliminer le défaut d'arc (par exemple, relais temporisé ou différentiel), les temps de fonctionnement doivent être comparés pour déterminer lequel fonctionnera en premier.
Compte tenu de la durée pendant laquelle une personne est susceptible de rester à l'endroit de l'éclair d'arc, il est probable qu'une personne exposée à un éclair d'arc s'éloigne rapidement si cela est physiquement possible. Deux secondes constituent généralement une hypothèse raisonnable pour la durée maximale de l'arc afin de déterminer l'énergie incidente.
Étape 6 : Calcul de l'énergie incidente
Énergie incidente - Quantité d'énergie thermique imprimée sur une surface, à une certaine distance de la source, générée lors d'un arc électrique.
L'énergie incidente est calculée à la distance de travail. L'énergie incidente augmente à mesure que la distance de la source d'arc potentiel diminue, et l'énergie incidente diminue à mesure que la distance augmente.
Il est important de noter que de multiples points d'arc peuvent être trouvés dans une seule pièce d'équipement. Les calculs de l'énergie incidente doivent être effectués à chacun des points d'arc définis afin de déterminer l'énergie incidente la plus élevée ou la condition la plus défavorable.
Pour chaque cas de courant de défaut considéré, calculez la deuxième énergie incidente en utilisant le courant d'arc minimum et la durée d'arc appropriée en fonction du facteur de correction de la variation du courant d'arc. Choisir la plus élevée des deux valeurs d'énergie incidente comme énergie incidente calculée.
Étape 7 : Calculer la limite de l'éclair d'arc électrique
La limite de l'éclair d'arc est la distance d'une source d'arc potentielle à laquelle l'énergie incidente est calculée comme étant de 5,0 J/cm2 (1,2 cal/cm2), ce qui est susceptible de provoquer l'apparition d'une brûlure au second degré. Il est également possible d'utiliser un niveau d'énergie incidente personnalisé pour calculer la limite de l'éclair d'arc. La limite de l'éclair d'arc dépend de la distance de travail, du courant d'arc, de la durée de l'arc, de l'écartement des électrodes, etc.
Étape 8 : Sélection des EPI en fonction de l'énergie incidente calculée
La norme NFPA 70E-2021 [5] et le guide de gestion des risques d'éclair d'arc électrique [6] fournissent des catégories d'EPI classées en fonction de l'énergie incidente. L'EPI approprié est censé être sélectionné en fonction de l'énergie incidente calculée.
La norme NFPA 70E-2021[5] prévoit trois catégories différentes - pour la méthode d'analyse de l'énergie des incidents, pour la méthode des catégories d'EPI et pour la catégorie simplifiée de la méthode des catégories d'EPI.
Catégories d'EPI en fonction de l'énergie des incidents [réf. 6] présentées ci-dessous.
Étiquettes d'avertissement sur l'éclair d'arc électrique
Une étiquette de mise en garde contre le risque d'éclair d'arc électrique doit être apposée sur l'équipement et être facilement accessible aux employés susceptibles de travailler sur l'équipement sous tension.
Les exigences de base des lignes directrices pertinentes sont les suivantes.
Lignes directrices pour la gestion des risques d'éclair d'arc électrique
Les éléments énumérés ci-dessous sont les détails minimaux qui doivent figurer sur l'étiquette :
- Nom du bus ou nom de l'équipement
- Niveau de tension du bus
- Activité à réaliser
- Niveau d'énergie incidente
- Limites de l'éclair d'arc électrique
- Niveau d'EPI requis en fonction de l'activité et de l'état du tableau de distribution (par exemple, porte ouverte/fermée).
- EPI - qui protègent les personnes de l'énergie incidente si tous les autres contrôles échouent et qu'un éclair d'arc électrique se produit.
NFPA 70E-2021 (Section 130.5 (H) Equipment labelling)
L'étiquette doit contenir :
- Tension nominale du système
- Limite de l'éclair d'arc électrique
- Au au moins un des éléments suivants (mais pas les deux) :
- l'énergie incidente disponible et la distance de travail correspondante ; ou
- Catégorie d'EPI pour l'éclair d'arc électrique obtenue à partir de la "méthode des catégories d'EPI" pour l'équipement
- Tenue à l'arc minimale des vêtements
- Niveau d'EPI spécifique au site
Exemple d'étiquette de mise en garde contre le risque d'éclair d'arc électrique [réf. 6] illustré ci-dessous.
Références :
[1] L'autre risque électrique : Electric Arc Blast Burns, Lee, R. IEEE Transactions on Industry Applications, 1982.
[2] Predicting Incident Energy to Better Manage the Electric Arc Hazard on 600-V Power Distribution Systems, IEEE Transactions on Industry Applications, 2000.
[3] ENA NENS 09-2014, National Guideline for the Selection, Use and Maintenance of Personal Protection Equipment for Electrical Arc Hazards (Lignes directrices nationales pour la sélection, l'utilisation et l'entretien de l'équipement de protection individuelle contre les risques d'arc électrique).
[4] IEEE Std. 1584-2018, IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations.
[5] NFPA 70E-2021, Standard for Electrical Safety in the Workplace.
[6] Lignes directrices sur la gestion des risques d'éclair d'arc électrique-2019.
