Tests et mesures dans le cadre de la prévention des incendies électriques

Causes principales de surchauffe

La plupart du temps, les systèmes électriques, industriels et commerciaux deviennent de plus en plus sûrs et fiables. Le dernier rapport de l'U.S. Fire Administration, basé sur les données de 2001, estime que 8,7 % des 47 785 incendies non résidentiels qui se sont produits aux États-Unis étaient dus à du matériel de distribution électrique. C'est 32 % de moins qu'en 1998.

Parmi les facteurs de cette tendance à la baisse, on retrouve les normes de constructions strictes, les équipements de bonne qualité, une bonne conception du système, des installateurs compétents et une maintenance professionnelle. Néanmoins, cela signifie que 4 157 bâtiments commerciaux, industriels et institutionnels ont été touchés par des feux d'origine électrique en 2001.

Les systèmes commerciaux à basse tension contiennent de nombreux sous-systèmes : commutateurs, transformateurs, panneaux, prises, commandes de moteur et éclairage pour n'en citer que quelques-uns. Tous ces composants ont en commun les connexions, l'isolation et la protection contre la surintensité. Les défauts de ces mécanismes fondamentaux sont les sources de beaucoup de feux d'origine électrique et la cible de nombreuses procédures de maintenance électrique.

NETA Maintenance Testing Specifications (Spécifications concernant les tests de maintenance de la NETA) et NFPA standard 70B Recommended Practice for Electrical Equipment Maintenance (les pratiques recommandées pour la maintenance d'équipement électrique de la norme NFPA 70B) listent les procédures de test sur les différents composants d'un système de distribution électrique. Les analyses thermographiques sont réalisées selon la norme ASTM E 1934 Standard Guide for Examining Electrical and Mechanical Equipment with Infrared Thermography (Guide standard pour l'examen de l'équipement électrique et mécanique avec la thermographie infrarouge).

La plupart des tests visant à éviter les feux d'origine électriques traitent également de la fiabilité et de la sûreté des installations. Un bon programme de test peut donc couvrir l'ensemble de ces trois sujets. En fait, la plupart des sociétés d'assurance industrielles exigent des preuves de suivi d'un programme de tests électriques réguliers.

Cet article examine les causes fondamentales de surchauffe, ainsi que les tests et outils communément utilisés pour détecter les problèmes de surchauffe.

Utilisez des caméras infrarouges pour vérifier si les composants sous tension ont des connexions surchauffées, desserrées ou corrodées. Image infrarouge d'un contact de borne desserré.

Causes principales de la surchauffe dans les systèmes électriques

Une combustion nécessite de la chaleur et la présence de combustibles. Les concepteurs des équipements électriques sont attentifs à utiliser des matériaux résistants au feu, rendant donc les systèmes pauvres en combustibles. Le combustible pour l'incendie vient généralement d'un matériau à proximité, le système électrique fournissant la chaleur nécessaire à l'ignition.

La chaleur est une conséquence normale de la circulation du courant électrique. Le NEC prend la chaleur en considération et établit des normes pour que les systèmes électriques soient construits de manière sûre. Dans ces conditions, comment un système électrique conçu et construit conformément à la norme NEC peut-il être à l'origine d'un incendie ?

Mauvaises connexions. Les vibrations ou les contraintes thermiques peuvent occasionner un desserrage des connexions dans les systèmes de distribution électrique. Une contamination peut engendrer une corrosion sur les connexions. Ces deux facteurs augmentent la résistance de la connexion. Toutes les bornes et épissures sont des candidates potentielles à la surchauffe, même si plus une connexion supporte de courant, plus il est vital de maintenir sa résistance basse. Si un connecteur dans un système de 50 ampères présente une résistance d'à peine 0,1 ohm, il dissipera 250 watts à l'interface de la connexion ! En outre, si la situation persiste, des oxydes vont se développer sur l'interface de la connexion et vont augmenter la résistance. Au bout du compte, cela peut produire ce qu'on appelle une «connexion rougeoyante» qui produit une chaleur significative sans déclencher les dispositifs de protection.

Les connexions desserrées qui opèrent des « ouvertures et fermetures » périodiques peuvent également générer des séries d'arcs électriques. Les arcs sont des décharges électriques dans un entrefer. Ici, l'arc est généré dans le petit écart entre les conducteurs, comme la connexion ne cesse de s'ouvrir. La chaleur en résultant est très concentrée et peut provoquer une détérioration de l'isolation ou un incendie si une source de combustible se trouve à proximité. Les interrupteurs, relais et disjoncteurs sont également des formes de connexions. Ils sont conçus pour s'ouvrir et se fermer à plusieurs reprises sans surchauffer, mais ils sont soumis aux influences des vibrations, de la chaleur et de la contamination comme toute autre connexion.

Détérioration de l'isolation. L'une des raisons derrière la baisse du nombre de feux d'origine électrique n'est autre qu'une qualité de l'isolation meilleure que par le passé. Mais n'importe quel système d'isolation se détériore avec le temps, la chaleur et la contamination.

La forme la plus extrême de détérioration de l'isolation est le court-circuit. Dans ce cas, deux conducteurs entrent en contact et le restent. La surintensité en résultant peut provoquer l'ouverture d'un fusible ou d'un disjoncteur. Mais si le dispositif de protection ne s'ouvre pas, le circuit en amont du court-circuit sera sujet à la surchauffe.

S'il y a un défaut de la mise à la terre (un court-circuit au niveau de la terre d'un équipement), alors le disjoncteur doit également se déclencher. Si ce n'est pas le cas, la même surchauffe se produit. S'il y a une connexion résistive dans le système de liaison qui limite le courant, le courant en résultant peut ne pas suffire pour déclencher le dispositif de protection en amont, mais peut malgré tout causer une surchauffe dans le système de liaison.

Des arcs parallèles se produisent lorsque deux connecteurs se rapprochent ou se touchent, puis se séparent. Les caractéristiques des arcs parallèles sont similaires à celles des séries d'arcs (ci-dessus), mais ont tendance à impliquer généralement des courants plus élevés. Cela peut causer l'ignition d'une source de combustible située à proximité ou une plus grande détérioration de l'isolation. Les arcs peuvent créer des étincelles de métal chaud pouvant mettre le feu à un combustible proche.

Si l'isolation est soumise à la chaleur due à d'autres défauts, la surface de l'isolation peut griller et devenir conductrice. Un phénomène de cheminement d'arc peut se produire, produisant une chaleur localisée et intense, comme pour les autres arcs.

Foudre. Une des fonctions du système de mise à la terre est de fournir un chemin à impédance faible vers la terre, ce qui permet aux éclairs de traverser le système en faisant le moins de dégâts possible. Les suppresseurs de surtensions reposent sur une bonne mise à la terre pour fonctionner correctement. Des tests réguliers du système de mise à la terre et de la résistance entre la prise de terre et la terre permettent de s'assurer que le système fonctionnera lorsque ce sera nécessaire.

Harmoniques. La plupart du courant des systèmes électriques aux États-Unis circulent dans des cycles de 60 Hz. Les courants harmoniques contiennent des composants à plus haute fréquence qui génèrent de la chaleur dans tout le système. La distorsion harmonique est présente dans tout système électrique qui fournit des charges électroniques comme des commandes de moteur, des ordinateurs, des systèmes de commande et des machines de production. Une distorsion extrême ou des charges lourdes peuvent causer une surchauffe des équipements électriques, tout particulièrement dans des systèmes de distribution anciens.

Le troisième harmonique est provoqué par des charges monophasées, comme les ordinateurs et autres machines de bureau. Cet harmonique introduit le neutre dans un système triphasé et peut provoquer la surchauffe du conducteur neutre, s'il est trop petit.

Évitez les courts-circuits en testant la résistance de l'isolation du câblage. Examinez régulièrement la qualité de l'énergie pour surveiller les baisses de tension, les harmoniques et les autres causes de surchauffe.

Surcharge. Si une charge absorbe trop de courant, les composants du système en amont de la charge doivent transmettre ce courant. La principale protection contre la surcharge est le dispositif de protection contre la surintensité, qui doit alors s'ouvrir. S'il ne s'ouvre pas, le courant élevé causera une surchauffe distribuée dans la portion du système en amont de la charge excessive.

Erreurs de câblage. Le système électrique d'un bâtiment commercial est une entité dynamique. Au fil du temps, les locataires changent, les lignes de production se déplacent et de nouveaux équipements sont installés. Par manque de temps, des erreurs courantes peuvent être commises ; même si le système fonctionne correctement pour le moment, des problèmes pourront surgir à terme.

Un risque d'incendie potentiel existe lorsqu'un dispositif de protection est « redimensionné » sans que le calibre des câbles ne soit changé. Par exemple, remplacer simplement un disjoncteur de 20 ampères par un disjoncteur de 30 ampères permettrait à des câbles de 12 AWG de porter un courant excessif. Une situation similaire apparaît lorsqu'un câble de petit calibre est connecté à un circuit avec un courant admissible plus élevé.

Utiliser un conducteur neutre comme un chemin de retour pour plus d'un conducteur de phase permettra aux charges de fonctionner, mais le conducteur neutre « partagé » peut facilement surchauffer.

Tests et mesures pour détecter les composants défectueux et surchauffés

L'astuce pour détecter les risques d'incendies d'origine électrique est de savoir à quoi ressemble une valeur anormale. La meilleure solution consiste à relever des mesures de base pour les composants et les équipements particulièrement importants. Cela vous donne un point de comparaison. Prenez l'habitude de réaliser ces tests une fois par an. Ils permettent de détecter d'autres défauts dans les installations, ainsi que de réduire les coûts de maintenance préventive et de prévention des incendies.

Voici les mesures et les outils les plus couramment utilisés par des professionnels pour contrôler la surchauffe ou une propension à la surchauffe.

Inspection visuelle. L'électricité est peut-être invisible, mais les effets de la surchauffe sur les métaux et les isolants ne le sont pas. La décoloration ou la carbonisation sont des signes fiables de la surchauffe des composants. Soyez également attentif aux odeurs qu'un composant en surchauffe pourrait dégager.

Thermographie. Les caméras infrarouges permettent de visualiser l'énergie infrarouge émise par un objet et de créer une image visible de la température de surface de cet objet. Des connecteurs chauds ou desserrés ressortent bien sur ces images thermiques, en particulier par rapport à des connexions serrées et plus froides. Cette technique sans contact est parfaite pour vérifier des composants sous tension et scanner des équipements opérationnels, mais elle ne permet pas de mesurer les isolations ou les connexions cachées (isolées thermiquement). De la même manière, les panneaux électriques doivent être ouverts pour que les caméras prennent les mesures des composants. Suivez les procédures de sécurité du NFPA 70 et portez les équipements de protection individuelle (EPI) adaptés pour ces situations.

Résistance du commutateur/de la connexion. Une autre méthode pour vérifier les connecteurs est de mesurer électriquement la résistance de la connexion. Sur un système sous tension, une connexion résistive cause une chute de tension mesurable sur la connexion. Un voltmètre portable précis et correctement certifié conviendra parfaitement à cette tâche. Néanmoins, ce test implique de sonder un système sous tension, ce qui est problématique pour la sécurité. Le technicien doit suivre attentivement les protocoles OSHA et les directives concernant les EPI.

Sur un système hors tension, utiliser un micro-ohmmètre permet d'obtenir des résultats beaucoup plus précis. Cet outil applique un courant DC, de 10 ampères ou plus, sur un connecteur et mesure précisément la chute de tension. Ce test indique la résistance d'une connexion à une fraction de micro-ohm près afin de s'assurer que la connexion n'évacue pas trop de chaleur ou afin d'identifier les connecteurs pouvant être dangereux.

Tests d'isolation. La résistance d'isolation est mesurée entre les conducteurs de phase et entre les conducteurs de phase et de terre. Une bonne isolation doit avoir une résistance très élevée. Un contrôleur d'isolement applique une tension DC élevée sur des composants hors tension et isolés. L'instrument mesure ensuite la résistance entre les deux points. Ce test peut être utilisé pour contrôler de longs segments d'isolation, notamment les longs câbles, les enroulements de transformateurs et les enroulements de moteurs. Des relevés de résistance d'isolement bas peuvent indiquer que le câble est rompu quelque part sur cette longueur, pouvant potentiellement créer un court-circuit.

Tests de résistance de la terre. Réaliser des mesures périodiques de la terre peut vous aider à vous assurer que les dégâts causés par la foudre seraient minimisés si elle venait à tomber. Bien évidemment, ce besoin est plus urgent si vous êtes responsable d'installations dans des zones plus susceptibles d'être frappées par la foudre. Les tests de résistance de la terre sont généralement réalisés pendant un arrêt du système, car la prise de terre doit être temporairement déconnectée.

Rapport de rotation du transformateur. Une isolation défectueuse dans un transformateur peut provoquer des courts-circuits des rotations, ce qui réduit le nombre de rotations sur le côté affecté. Un transformateur avec des rotations court-circuitées est susceptible de surchauffer. Vous pouvez vérifier le rapport sur un transformateur à basse tension, en isolant la tension secondaire des charges et en utilisant un voltmètre pour comparer la tension primaire à la tension secondaire. Pour une approche plus précise, vous pouvez utiliser un outil de test de l'enroulement du transformateur, qui vous donnera un rapport précis ainsi qu'une image globale des caractéristiques magnétiques.

Tests des disjoncteurs. Les disjoncteurs sont les éléments clés de la prévention des incendies d'origine électrique. Un test adapté des disjoncteurs nécessite un équipement spécial et une expertise spécialisée. Un test est réalisé avec le disjoncteur retiré du circuit et les tests vérifient le courant et le retard de déclenchement.

Mesures de la qualité du réseau électrique. Les études de la qualité du réseau électrique aident à détecter les symptômes signalant des surchauffes potentielles. Mesurer périodiquement la distorsion harmonique vous alertera quant à des problèmes potentiels de surchauffe due à un courant harmonique excessif. Les baisses de tension peuvent être perçues comme des inconvénients, mais dans des systèmes fournissant une charge consistante, ils peuvent être provoqués par des connexions qui se détériorent. De nombreux problèmes de câblage sont apparus pendant une étude complète de la qualité du réseau électrique.