Underwriters Laboratories a effectué des recherches fondamentales dans le domaine de la sécurité et a publié les résultats de ces recherches dans une série de « Bulletins de recherche ». Au moins 58 bulletins ont été publiés concernant le feu, les explosions et les chocs électriques. L’un de ces bulletins, « Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence », est un document classique dans le domaine de la sécurité des produits. Les recherches ont été menées de 1936 à 1939 par Baron Whitaker, ingénieur électricien adjoint chez UL. Whitaker a finalement accédé à la présidence d’UL.
Les recherches de Whitaker sont toujours d’actualité. Bien que des recherches similaires aient été effectuées à l’appui des publications modernes de la CEI, ces recherches ne sont généralement publiées que dans les documents des comités de la CEI et sont habituellement très axées sur la norme ou le rapport spécifique que la CEI tente de rédiger.
Ce Bulletin de recherche UL sur la clôture électrique contient de nombreuses informations qui s’appliquent à bien plus que la clôture électrique. C’est pourquoi c’est un ouvrage classique.
INTRODUCTION
Whitaker introduit ses recherches en décrivant la clôture électrique : « L’une des applications les plus récentes et les plus inédites de l’électricité dans les zones rurales aujourd’hui est la clôture électrique. Physiquement, la clôture électrique diffère du type conventionnel de clôture en fil de fer barbelé ou en fil de fer tissé en ce qu’elle est de construction plus simple (généralement un seul fil) et n’exige pas la résistance mécanique ou la stabilité des anciens types. Sur le plan fonctionnel, elle est différente dans la mesure où elle contrôle les animaux par la peur plutôt que par la force ou la douleur. La clôture électrique est composée de deux parties distinctes, à savoir le fil de clôture et le contrôleur électrique qui fournit l’énergie électrique au fil de clôture. »
Objet et conditions
Whitaker a étudié les rapports d’accidents de clôture électrique impliquant à la fois des blessures par choc électrique et des décès causés par un choc électrique. Sur la base de son étude, il a délimité sa recherche en affirmant que la clôture électrique devrait être sans danger pour un enfant de deux ans, « …pieds nus, debout dans une mare d’eau ou de boue, et tombant sur le fil ou l’attrapant avec deux mains mouillées ou en sueur, le fil, pour autant que l’enfant en soit conscient, étant un fil de clôture ordinaire non électrifié. »
(Anecdotiquement, un collègue, dont la maison est une ferme et qui utilise des clôtures électriques, a rapporté que ce sont les conditions dans lesquelles sa femme a sauvé sa fille !)
Dans ces conditions, Whitaker voulait déterminer la valeur maximale du courant, tant pour le courant alternatif que pour le courant continu, la fréquence et la durée qui « peut être considérée comme n’étant pas dangereuse pour la vie humaine. »
Whitaker a entrepris de déterminer les valeurs pour :
- Résistance électrique du corps
- Tension de circuit ouvert sûre
- Effets du courant continu, du courant continu interrompu, du courant alternatif, et fréquence de l’ac
- Le courant et la durée maximum qui ne causeront pas de blessures corporelles
- Le temps d’arrêt minimum
LA NATURE DU CHOC ÉLECTRIQUE
Whitaker a fait des recherches sur les différentes causes de la mort par énergie électrique. Il a trouvé cinq causes différentes :
- Paralysie des muscles respiratoires, produisant la mort par asphyxie
- Hémorragie, produite par l’augmentation de la pression sanguine pendant le passage du courant électrique
- Insuffisance cardiaque, produite par la fibrillation ventriculaire
- Insuffisance respiratoire, produite par des inhibitions nerveuses ou des dommages réels au système nerveux
- Brûlures de la peau et de la chair, avec les complications qui en résultent
Les recherches de Whitaker étaient orientées vers la prévention d’une ou plusieurs de ces blessures. Il ne traitait pas de la prévention de la sensation ou de la prévention de l’action réflexe comme nous le faisons dans les produits d’aujourd’hui. De plus, les fabricants de clôtures électriques affirmaient qu’une clôture efficace devait fournir un courant suffisant pour provoquer une contraction musculaire, et que la période de » repos » devait être la plus courte possible.
Résistance électrique du corps
Whitaker commence sa considération de la résistance du corps par la déclaration suivante : « Nécessaire à l’établissement des caractéristiques de fonctionnement sûr des contrôleurs de clôture électrique est une considération du corps humain en tant que conducteur d’électricité. »
Whitaker a lancé une série de tests chez UL pour mesurer la résistance du corps. Whitaker affirme que « la peau extérieure… offre la plus grande résistance… » et que la haute tension d’un contrôleur de clôture brise la résistance de la peau. Mais, Whitaker ne pouvait pas appliquer une haute tension, à un courant illimité, à ses sujets pour « briser » la résistance de la peau. Par conséquent, les expériences de Whitaker comprenaient le mouillage des mains et des pieds de ses sujets avec une solution de chlorure de sodium à 20 %.
Avec une surface constante, une pression constante et des mains mouillées, Whitaker a constaté que la résistance du corps était indépendante du courant, lorsque le courant était compris entre 1 et 15 milliampères.
Le montage d’essai de Whitaker comprenait une source de courant continu de 12 volts (piles sèches), un potentiomètre, un voltmètre et un ampèremètre. Les électrodes de main étaient des fils no 10 AWG. L’électrode de pied était une plaque de cuivre carrée de 14 pouces. Le potentiomètre était réglé sur 5 milliampères pour les adultes et 1 milliampère pour les enfants. La tension aux bornes du sujet était mesurée et la résistance calculée.
Whitaker a mesuré 40 adultes et 47 enfants (âgés de 3 à 15 ans). Il a constaté que, pour les adultes, « il n’y a pas de tendances ou de relations entre la résistance corporelle des individus et leur sexe, leur âge, leur taille ou leur poids. » J’ai fourni des histogrammes des différentes mesures de Whitaker dans les figures 1 et 2.
Figure 1
Figure 2
À partir de ces données, il a conclu que « la résistance corporelle la plus faible qui pourrait être prise en compte en relation avec l’application de la clôture électrique ne serait pas inférieure à 500 ohms. »
(Dans un Bulletin de recherche ultérieur, ces mêmes données sont utilisées par Karl Geiges pour développer le tristement célèbre compteur de courant de fuite. Je passerai en revue le travail de Geiges dans un prochain numéro.)
VOLTAGE
Whitaker avait besoin de déterminer deux facteurs par rapport à la tension :
- Si le courant de sortie est limité, la tension en circuit ouvert doit-elle être contrôlée ?
- Si le courant de sortie n’est pas limité, quelle est la tension maximale en circuit ouvert ?
Whitaker a déterminé que la tension maximale sûre (à partir d’une source de tension où le courant de sortie n’est pas limité) serait la tension qui ne causerait pas de blessure corporelle et permettrait à l’individu de se libérer de la clôture.
Whitaker rapporte une série de tests, effectués sur le personnel d’UL en 1930, qui, incidemment, ont enregistré la tension qu’un individu pouvait supporter et avoir encore le contrôle volontaire de ses muscles. D’après ces données, la tension minimale était de 20 volts rms.
Whitaker rapporte également des tests effectués par International Harvester Co. où la tension était connectée à un seau rempli d’eau et à une électrode manuelle tenue par le sujet. On demandait ensuite au sujet de récupérer un objet immergé dans le seau. International Harvester a constaté que la tension maximale pour récupérer l’objet était de 12 à 20 volts.
Whitaker a conclu que « la tension en circuit ouvert n’a pas besoin d’être limitée à condition que le dispositif incorpore des caractéristiques inhérentes de limitation du courant. »
Toutefois, « lorsqu’aucune caractéristique inhérente de limitation du courant n’est incorporée dans le dispositif, la tension maximale sûre… ne devrait pas dépasser 12. Ceci est basé sur la théorie qu’un potentiel de 12 volts ou moins causera rarement, voire jamais, une rupture de la résistance de la peau suffisante pour permettre une circulation de courant à travers le corps d’une intensité telle qu’elle entraîne un manque de contrôle musculaire ou une blessure physique de la personne. »
FREQUENCE
Whitaker rapporte que « la principale différence dans l’effet physique du courant continu, par opposition au courant alternatif, est que le courant continu ne provoque pas la contraction des muscles dans la mesure associée au courant alternatif. »
Whitaker note également que Kouwenhoven et d’Arsonval ont tous deux constaté que lorsque la fréquence augmente, le courant doit également augmenter pour avoir le même effet physiologique.
Néanmoins, Whitaker conclut qu' »il n’y a aucune justification actuelle pour permettre de plus grandes valeurs de courant… indépendamment de la fréquence employée. »
COURANT
À partir des mêmes données où Whitaker a déterminé la tension maximale et à partir d’autres données, Whitaker a déterminé que les valeurs minimale et maximale auxquelles les individus conservent le contrôle volontaire des muscles sont d’environ 6 milliampères et 20 milliampères, respectivement.
Whitaker a également étudié les résultats des tests de courant de fibrillation sur des chiens et des moutons, car le cœur de ces animaux était considéré comme ayant la même réponse au stimulus que celui des humains. A partir des tests sur les moutons et parce que les moutons ont un poids corporel et cardiaque similaire à celui des humains, Whitaker a déterminé que le courant fibrillatoire minimum est directement proportionnel au poids corporel et au poids cardiaque.
Une étude plus approfondie des données des tests sur les moutons a montré que la fibrillation était une fonction de la phase du cycle cardiaque au moment où le choc se produisait, et une fonction de la durée du choc. Whitaker a constaté que la fibrillation pour un choc d’une durée de 0,1 seconde, nécessitait 10 fois plus de courant que pour un choc d’une durée de 3 secondes.
Whitaker a ensuite tracé les courants de fibrillation de 3 secondes pour différents animaux adultes en fonction du poids corporel et du poids du cœur. Whitaker a ensuite supposé que la valeur minimale d’une telle courbe représentait l’homme. Whitaker a ensuite supposé que le courant de fibrillation minimum pour différents poids corporels et cardiaques est un rapport constant, à condition que la durée du choc soit le même pourcentage du cycle cardiaque, et que le choc soit initié au même point du cycle cardiaque.
En utilisant ces hypothèses et ces données, Whitaker a déterminé que le courant de fibrillation minimum à 3 secondes pour un poids corporel de 125 livres est de 126 milliampères, et pour un poids corporel de 20 livres est de 31 milliampères. (Vingt livres est considéré comme le poids moyen d’un enfant de deux ans.)
En utilisant ces chiffres, Whitaker a déterminé le rapport 31:126 pour les courants de fibrillation minimums pour les poids corporels de 20 et 125 livres.
En utilisant ce rapport, et en tenant compte du pourcentage du temps pour un battement de coeur complet, pour le poids corporel, et pour le poids du coeur, Whitaker a pu construire une « Courbe dérivée du temps de contact en fonction du courant de fibrillation minimum pour un enfant de deux ans ». Cette courbe se rapprochait d’une hyperbole rectangulaire. Voir le « graphique 3 » de Whitaker à la figure 3.
Figure 3
Puis, Whitaker a arbitrairement fixé le courant maximal à 65 milliampères, la sortie maximale à 4 milliampères-secondes, et la période maximale de « marche » à 0,2 seconde. Cette courbe « Temps de contact en fonction du courant admissible » était inférieure d’un facteur 6 à la courbe du courant minimal de fibrillation. Voir le « graphique 4 » de Whitaker à la figure 4.
Figure 4
Whitaker a conclu que :
- le courant continu maximum sûr est de 5 milliampères, et
- la durée maximale de tout courant ne devrait pas dépasser la courbe de 4 milliampères-secondes.
Période d’arrêt
A l’époque des recherches de Whitaker, les contrôleurs de clôture fournissaient des chocs successifs à des intervalles d’environ 1 seconde. Whitaker devait déterminer la période minimale d' »arrêt » qui permettrait à un individu de se libérer de la clôture.
UL a effectué des tests où une tension était soudainement appliquée à un individu, et le temps de libération était enregistré. Ce test a été considéré comme une réaction « involontaire ». Whitaker a noté que le temps de perception de la sensation est inversement proportionnel à l’intensité du stimulus.
Whitaker a également étudié d’autres tests de temps de réaction. La plupart des données de ces autres tests concernaient la réaction « volontaire » à des stimuli tels que le toucher, le visuel ou l’auditif. Whitaker a également noté que la contraction musculaire associée au c.c. avait tendance à projeter la victime loin du conducteur, tandis que la contraction musculaire associée au c.a. avait tendance à être impossible à lâcher.
Par conséquent, Whitaker a conclu que la période « d’arrêt » pour les contrôleurs c.a. devrait être de 0.90 seconde, et pour les contrôleurs à courant continu devrait être de 0,75 seconde.
FRIGHT
Whitaker a également cherché à savoir si la frayeur générée par le contact par inadvertance avec une clôture « sûre » pouvait avoir un effet négatif sur le cœur ou déclencher une fibrillation. Les autorités médicales qu’il a consultées étaient incapables de prédire un tel événement. Une autorité est même allée jusqu’à dire qu’un choc aussi faible n’était pas capable de provoquer ni la frayeur ni la surprise.
Je suggère qu’il y a quelques leçons à tirer du travail de Whitaker. Premièrement, Whitaker s’est concentré sur les diverses blessures causées par les chocs électriques plutôt que sur la conformité aux normes. Bien sûr, il n’y avait pas de normes à l’époque. Aujourd’hui, lorsque nous analysons une nouvelle situation de sécurité, il semble que nous le fassions en nous référant à une norme plutôt qu’à la blessure.
Deuxièmement, Whitaker a effectué de nombreuses mesures, mais n’a utilisé que les valeurs minimales, les plus mauvaises, trouvées. Ce genre de pessimisme est vraiment nécessaire dans le domaine de la sécurité. Je pense que nous avons trop souvent tendance à utiliser les probabilités et les distributions normales plutôt que les valeurs les plus défavorables.
Troisièmement, Whitaker fait beaucoup d’hypothèses et de décisions arbitraires, en particulier en ce qui concerne les animaux représentant les humains. Je suggère que nous devons garder à l’esprit que les valeurs présentées par Whitaker ne sont pas précises. De nombreuses autres valeurs que nous utilisons dans le domaine de la sécurité sont de même imprécises, mais nous les traitons comme si elles étaient précises.
Enfin, je trouve que nous ne faisons plus de telles recherches. Un collègue, J. F. Kalbach, a inventé un terme, BOGSAT, qui signifie « Bunch Of Guys Sitting Around Talking » pour décrire la façon dont une courbe particulière était autrefois développée. Cette courbe ne reposait sur aucune base technique ou physique. C’était purement arbitraire. Je dirais que nos normes de sécurité contiennent trop d’exigences issues du processus BOGSAT.
ACKNOWLEDGMENTS
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, a déposé une copie de ce Bulletin UL sur mon bureau, me demandant si je l’avais lu. J’avais vu et lu le Bulletin il y a plusieurs années, donc la copie est restée sur mon bureau pendant de nombreux mois. Finalement, je l’ai ramassé et j’ai commencé à le lire. J’ai été impressionné par le travail, et j’ai pensé que je le passerais en revue pour vous.
Je tiens également à remercier Henry Jones, un consultant en sécurité des produits, pour ses commentaires sur les clôtures électriques. Merci aussi à Tim Kramer, de Hewlett-Packard Company, pour avoir préparé les histogrammes de résistance corporelle.
Richard Nute est un consultant en sécurité des produits engagé dans la conception de la sécurité, la fabrication de la sécurité, la certification de la sécurité, les normes de sécurité et les enquêtes médico-légales.
Photo de Tomás Fano 
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