Zoom sur le phénomène de l’arc électrique

publié le 05/03/2021 | mis à jour le 07/11/2022 | par Lucas Marc-Martin

Définition et explications de l’arc électrique

L’arc électrique est un phénomène électrique aussi connu que dangereux. S’il est connu, c’est parce qu’il peut arriver dans un milieu isolant. Tout le monde a l’image de l’éclair qui survient lors d’un orage par exemple. S’il est dangereux, c’est parce qu’il contient une grosse décharge d’électricité. Même si ce phénomène est reconnu par le milieu de la physique depuis plus de deux siècles, il reste toujours aussi dévastateur.

Petite anecdote historique. C’est en 1808 que le physicien et chimiste anglais Humphry Davy a l’idée de compiler 800 piles voltaïques pour en faire une pile électrique géante qu’il relie avec deux bâtonnets de charbon de bois. C’est en les rapprochant qu’un fil électrique visible à l’œil nu apparaît : le physicien venait de découvrir l’arc électrique dans le cadre de ses recherches.

La formation d’un arc électrique paraît simple. Mais dans le détail, quelles en sont les causes ?

Les facteurs indispensables à la création d’un arc électrique

La formation d’un arc électrique ne vient pas de nulle part, plusieurs conditions sont nécessaires : il faut qu’il y ait un milieu diélectrique, une tension électrique et des ions.

1^er élément : un milieu diélectrique

Pour qu’il y ait un arc électrique, il faut un milieu isolant. Par milieu isolant, ou milieu « diélectrique », on parle de milieu qui ne possède aucune charge électrique et donc où l’électricité ne peut se déplacer.

L’air est l’exemple le plus parlant d’un milieu diélectrique. L’électricité ne se déplace pas dans l’air. Tout comme l’électricité ne se déplace pas, dans le verre, dans le bois, le plastique, ou encore le caoutchouc.

Les installations électriques, des pylônes aux fils électriques, sont constituées de matériaux isolants. Dans le cas des fils électriques, ce sont des gaines de protection (en polyéthylène (PE), en chlorure de polyvinyle (PVC), en élastomère thermoplastique à base de polyester (TPE-E) ou en caoutchouc thermoplastiques (TPE-O)). Confinés à l’intérieur de ces gaines, les câbles peuvent supporter le courant électrique et le transporter.

Seulement, pour qu’il y ait un courant électrique, il faut qu’il y ait une tension électrique.

2^e élément : une tension électrique

La tension électrique, que l’on note U, correspond à la circulation d’un champ magnétique dans un circuit électrique entre deux pôles : un pôle négatif et un pôle positif. Elle se calcule en volts (V). Pour en savoir davantage, nous vous invitons à consulter notre article intitulé « La tension électrique ».

La tension doit être continue dans un circuit, elle doit être diffuse sur la distance, autrement elle perd en intensité. La tension électrique et la distance sont deux variables interdépendantes pour former un arc électrique. Plus la distance entre les deux phases (ou électrodes) est grande, plus la tension électrique doit être puissante pour créer un arc.

Prenons deux exemples pour illustrer nos propos : une bougie d’allumage et un éclair. Pour créer un arc électrique dans une bougie, la tension électrique doit être de 10 000 V. Pour un éclair, il est d’environ 1 000 000 V. Ceci est notamment dû à la distance entre les deux pôles : seulement quelques millimètres pour une bougie d’allumage et plusieurs centaines de mètres pour un éclair.

Plus les distances sont élevées, plus le champ disruptif doit être puissant. Ce champ se calcule avec une unité de mesure particulière : le kiloVolt/mètre (kV/M).

Pour qu’il y ait champ disruptif, il faut atteindre une « tension de claquage ». C’est précisément lorsque cette tension est obtenue qu’apparaît la décharge ou l’arc électrique Cette « tension de claquage » a été découverte en 1889 par un physicien allemand du nom de Friederich Paschen qui donna son nom à la loi de Paschen, loi empirique qui permet de calculer la fameuse tension de claquage dans un gaz donné.

Avec la distance, la tension de claquage est la deuxième variable qui permet de donner naissance à un arc électrique. Pour information, la rigidité diélectrique se calcule de la façon suivante :

Avec :
Ec = la rigidité électrique (en V/m, kV/mm) ;
U = tension de claquage (mm) ;
d = distance entre les deux électrodes (mm).

Mais l’arc électrique résulte d’un autre phénomène : l’ionisation.

3^e élément : une ionisation

Dans un atome, on trouve un noyau de protons (chargés positivement) autour duquel gravitent des électrons (chargés négativement). Les protons et les électrons sont à nombre égal. L’atome est « neutre ». Sa charge électrique est neutre, elle est équilibrée entre les forces négatives et positives qui le constituent. Mais si un électron s’en va, alors la charge perd sa neutralité. L’atome devient un ion et l’action de transformation d’un atome à un ion est ce que l’on appelle l’ionisation.

L’ionisation est donc un phénomène qui enlève des charges à un atome ou à une molécule. Dans le cas d’un milieu isolant, cela signifie qu’il se charge en électricité et devient un canal conducteur, comme un câble électrique finalement. Si la tension électrique est égale ou supérieure à la tension de claquage, une ligne ou un arc se crée dans lequel l’électricité traverse : c’est l’apparition de l’arc électrique.

De l’arc au coup d’arc électrique

Les flux électriques sont simples à comprendre : ils vont d’une phase positive à une phase négative ou d’une phase à la terre. Tant qu’il y a de la tension électrique suffisante entre un point A et un point B, l’énergie électrique est présente et circule.

Le phénomène de l’arc électrique

Le phénomène de l’arc électrique est un phénomène quelque peu particulier puisque l’électricité, invisible aux yeux de tous, devient alors visible. Il fonctionne en deux étapes :

1. un courant de fuite apparaît, l’arc est invisible ;
2. l’arc électrique se forme et devient visible.

Quand l’arc électrique se forme, on voit apparaître un filament de lumière électrifié se dresser et se courber pour s’éteindre quelques instants plus tard (de l’ordre du millième de seconde à plusieurs secondes en fonction de la tension et de la distance).

L’arc électrique peut prendre plusieurs formes, et ce en fonction de la tension électrique. Un arc électrique peut tout aussi bien être une étincelle qui survient lorsque l’on branche une fiche électrique sur une prise ou celui d’un éclair qui s’abat sur la terre.

Par nature, l’arc électrique est instable. Une fois que le champ magnétique est créé, il continue sa route jusqu’à ce que la tension ne soit plus assez suffisante pour tenir. C’est notamment pour cette raison que l’on voit souvent apparaître des arcs électriques courbés.

L’arc électrique est un phénomène assez normal et naturel qui engendre un autre phénomène, celui du coup d’arc électrique.

Le coup d’arc électrique

Si l’on devait résumer grossièrement, l’arc électrique créé un chemin sur lequel une explosion se produit et crée une onde de choc. Cette onde de choc, c’est le coup d’arc électrique. En d’autres mots, le coup d’arc électrique est la décharge qui résulte de l’arc électrique et apporte tout un lot de risques et de dangers.

Maintenant que nous savons comment est créé un arc électrique, découvrons ses origines.

Les origines d’un arc électrique

La formation d’arcs électriques provient souvent de l’activité humaine. Dans le cas contraire, cela survient suite à :

• un mauvais contact ou d’une mauvaise connexion entre deux fils ;
• des fils dénudés ;
• une surtension sur le réseau électrique ;
• des défauts de confection ou d’installation.

Quelques exemples d’arcs électriques

L’arc électrique est présent dans notre quotidien. Le plus connu de tous est la foudre. Là aussi le principe est le même. De l’électricité stagne dans les nuages, une fois le seuil d’ionisation atteint, l’arc électrique se crée jusqu’au point du sol le plus proche.

Mais on trouve des arcs électriques partout et dans tous les milieux :

À l’extérieur de chez vous

Les lampes à décharge sont des tubes ou des ampoules qui renferment un milieu diélectrique (gaz ou vapeur métallique) que l’on met sous pression. Un courant électrique est envoyé et la réaction crée un léger arc électrique qui allume la lampe.

Inutile de vous préciser que les trains fonctionnent à l’électricité. La tension y est si forte (de 1 500 à 25 000 volts) que certains arcs électriques peuvent se former sur les lignes de chemin de fer. C’est malheureusement ce qui a causé la mort d’un jeune homme de 21 ans en avril 2017 à côté de Nantes.

Dans le milieu industriel

Dans le milieu de la métallurgie, les arcs électriques sont utilisés et maîtrisés pour souder les matériaux. Mais pas n’importe laquelle soudure : celle des matériaux durs. La soudure avec un pistolet ou un fer à souder ne produit qu’une chaleur de (seulement) 300 °C.

La soudure à l’arc est complètement différente puisqu’il faut atteindre le point de fusion du métal. Pour cela, il faut une température 10 fois supérieure à celle d’un fer à souder, soit 3 000 °C.

Dans votre domicile

À plus petite échelle, on trouve ce petit appareil domestique qui vous est d’une grande aide pour allumer votre gazinière : l’allume-gaz. En appuyant sur le bouton, vous produisez un infime arc électrique qui viendra allumer votre cuisinière au contact du gaz.

Quelle est la dangerosité d’un arc électrique ?

Qui dit tension électrique dit aussi danger. Et parmi les dangers liés à l’électricité, ceux des arcs électriques figurent en tête du classement. Autant pour les installations électriques que pour les personnes.

Pour les installations électriques

On vient de le voir, un arc électrique peut se former si les câbles sont vétustes, si les installations sont archaïques, si les fils dénudés (si la gaine de protection qui les entoure a perdu de sa capacité isolante), etc.

Une dégradation sur un conduit peut aboutir à un arc électrique et enflammer une installation électrique. Il est donc très important pour tous les acteurs du réseau d’électricité de l’entretenir et de s’assurer de l’état de tout et de la sécurité de tous. Il n’est malheureusement pas rare, comme nous le verrons plus loin, que des accidents surviennent sur des installations électriques. Des fois par erreur de jugement humain, d’autre part défaut d’installation.

Pour les personnes

Il est rare d’être confronté à un phénomène d’arc électrique chez soi, la tension y étant relativement faible. Néanmoins, elle peut être la cause d’une étincelle qui peut causer des incendies, notamment si l’étincelle est mise en contact avec du gaz. Là encore, un défaut d’installation peut en être à l’origine.

En revanche, il est beaucoup plus commun dans les milieux industriels où une forte tension est nécessaire, comme la métallurgie par exemple. Dans ce milieu, les arcs électriques font partie du métier. On les utilise pour souder ou fusionner des métaux lourds ensemble, comme expliqué précédemment, et le risque est quotidien. C’est pour cette raison que la sécurité est primordiale dans ces milieux et que de nombreuses formations internes, notamment sur la procédure de consignation électrique, sont réalisées pour minimiser ces risques (car le risque zéro n’existe pas).

Si un humain subit un arc électrique, il peut être sujet à de nombreux risques qui peuvent avoir diverses conséquences :

• électrisation ou électrocution  ;
• séquelles irréversibles (surdité, brûlures, cécité, etc.) ;
• brûlures ;
• problèmes d’audition ou de vue (cécité, photokératite et photokératoconjonctivite dans le cas de soudeurs) ;
• lésions pulmonaires ;
• etc.

Avec un coup d’arc électrique, les risques thermiques sont très élevés. On estime qu’ils se situent à 60 % au niveau des avant-bras et des mains et à 50 % à la tête.

Un phénomène électrique dangereux, voire funeste

Il n’est pas rare d’entendre aux informations des accidents ou des incidents provenant de la formation d’un arc électrique. En voici quelques exemples :

• avril 2012. Un arc électrique de 1 500 volts blesse grièvement un agent SNCF sur un chantier de maintenance à Avignon (Vaucluse) ;
• juillet 2016. Chute de 8 mètres d’un jeune homme de 22 ans à Besançon (Doubs) causée par un arc électrique après avoir escaladé un pylône électrique ;
• janvier 2017. Chute de 10 mètres d’un adolescent de 15 ans à Divion (Pas-de-Calais) causée par un arc électrique après avoir escaladé un poteau électrique ;
• 8 février 2017. Incendie dans le métro parisien, station Place d’Italie : 3 blessés ;
• 21 février 2018. Arc électrique dans le local électrique du centre commercial Marques Avenue à Corbeil-Essonnes (Essonne) : deux techniciens blessés ;
• 13 octobre 2020. Un arc électrique se produit dans le transformateur de la friche PSA, à Aulnay-sous-Bois (Seine-Saint-Denis). Deux techniciens sont blessés, dont un a le corps brûlé à 70 %.

Et malheureusement, les arcs électriques sont aussi à l’origine de nombreux décès :

• 20 août 2020. Décès d’un ouvrier agricole de 62 ans à Audruicq (Pas-de-Calais), électrocuté par un arc électrique provenant d’un câble haute tension de 20 000 volts qui a touché sa remorque agricole ;
• 21 septembre 2020. Décès d’un homme de 57 ans à Plérin (Bretagne), électrocuté par une ligne électrique à haute tension ;
• 21 octobre 2020. Décès d’un intérimaire et un blessé en gare d’Épernay (Marne) après avoir déplacé un échafaudage mobile et été touché par une caténaire de 25 000 volts (une caténaire, c’est ce dispositif qui soutient les câbles auquel les trains sont accrochés) ;
• 2 novembre 2020. Décès d’un homme de 20 ans à l’arrière du site Total de Saint-Martin-d’Hères (Isère), électrocuté par un arc électrique de 63 000 volts sur un pylône électrique.

Comment se prémunir d’un arc électrique ?

Un arc électrique ne prévient pas quand il arrive. Difficile donc de s’en prémunir efficacement, d’autant plus qu’il est très rapide et par nature incontrôlable. Au vu des risques qu’il encourt (des blessures graves au décès), il est primordial de s’en prémunir.

La sécurité passe avant tout par la prévention

Un arc électrique peut aussi bien provenir d’un problème de matériel que d’une erreur humaine. C’est donc en amont, au niveau de la prévention, qu’on peut réellement se protéger d’un arc électrique, comme :

• ne pas laisser d’objectifs métalliques dehors pendant un orage ;
• contrôler l’état des circuits électriques ;
• vérifier l’isolation des parties conductrices, notamment les gaines protectrices ;
• veiller à bien mettre les câbles électriques dans des armoires électriques spécifiques ainsi que la colonne de terre.

Plus que la prévention : l’équipement professionnel en milieu industriel. Pour limiter les risques, les professionnels doivent être équipés en conséquence.

Les normes pour limiter les risques d’arc électrique

Beaucoup d’accidents causés par les arcs électriques arrivent sur un lieu de travail. Le milieu professionnel doit apporter des réponses pour limiter ses risques et apporter un cadre sécuritaire aux ouvriers qui sont amenés à utiliser des arcs électriques (métallurgie) ou intervenir sur des installations électriques, quelles que soient leurs tensions (électriciens d’Enedis par exemple).

Pour cela, différentes normes existent, à commencer par la norme internationale IEC 61482-2. Cette norme de certification concerne des vêtements destinés à protéger contre les risques thermiques des arcs électriques. Elle comporte deux méthodes d’essai :

• le test Box, où le tissu sera exposé à un arc électrique et obtiendra une des deux classes en fonction de sa résistance :
  • classe 1 pour une résistance à un arc électrique de 4 kVA ;
  • classe 2 pour une résistance à un arc électrique de 7 kVA.
• le test Open Arc, où le tissu sera exposé à une chaleur donnée et classé en fonction de sa résistance maximale à cette chaleur (calculée en cal/cm²).

Cette norme concerne les vêtements mais pas les gants. Actuellement, aucune norme ne certifie la qualité et la protection de gants contre les risques thermiques causés par un arc électrique.

Quant au casque, il existe la norme NF EN 50365 mais elle reste limitée puisqu’« applicable aux casques électriquement isolants utilisés pour le travail sur ou près de parties sous tension d’installations ne dépassant pas 1 000 V en courant alternatif ou 1 500 V en courant continu. » (source : AFNOR).

L’entretien des installations

Autre conseil pour limiter les risques chez vous : faites vérifier votre installation électrique par un professionnel une fois par an. Une simple intervention, moyennant quelques dizaines d’euros, vous permettra d’avoir une idée précise de l’état général de votre installation et de ses faiblesses. Cela vous évitera au mieux de petites décharges et au pire d’un incendie.

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• A l’approche d’un orage, quels sont les appareils à débrancher par précaution ?
• Qu’est ce qu’un organisme agréé CONSUEL ?