DOSSIER Mots clés : éseaux en Electronique en et des installations étoile et milieu industriel, réseaux sécurité Réseaux de masse, Mise à Io terre, Immunité. maillés des personnes par Pierre-André PENNEAU, CETE APAVE Normande, Xavier SCHMITT, CETE APAVE Lyonnaise. Quelles sont, en les applications de et les conception pour industrielles et les sensibles pratique, Cet « avis des spécialistes règles » privilégie deux aspects : sécurité du personnel et non-détérioration d'équipements sensibles. Le premier aspect a des implications réglementaires ; le second conduit à une judicieuse application des normes les installations équipements ? pour optimiser la conception et la maintenance d'une installation. Cet article regroupe un ensemble de « règles de l'art », vérifiées sur le terrain, et considère l'ensemble de la question compatibilité électroma- RÉSEAUX gnétique, champs magnétiques appliquée à une installation. EN ÉTOILE ET RÉSEAUX ou électriques, MAILLÉS Description Un réseau de masse conçu en « étoile » consiste à relier chaque masse de l'installation par un circuit unique à la prise de terre principale. Les liaisons peuvent être directes à la prise de terre ou bien regroupées par branches. Le réseau de masse en étoile constitue un minimum imposé par la réglementation pour la protection des personnes. Un réseau de masse « maillé » consiste à relier chaque masse de l'installation à un système interconnecté formant un plan de masse dont l'efficacité sera fonction de la dimension et des caractéristiques des mailles. Il ne faut pas confondre réseau maillé et raccordement en chaîne des masses interdit par la réglementation. Les réseaux réels sont souvent une composition multiple constituée par un réseau en étoile réalisé par les conducteurs de protection de l'alimentation électrique et des liaisons équipotentielles supplémentaires ou des liaisons de fait par les charpentes ou les cheminements pouvant constituer des interconnexions supplémentaires. Localement, dans les salles informatiques par exemple, un réseau maillé peut être constitué par interconnexions en cuivre nu et tresses raccordées aux différentes masses. Constitution et caractéristiques vis des phénomènes comparées vis à haute fréquence La mise à la terre des masses est réalisée le plus souvent par des conducteurs en cuivre, plus rarement par des tresses ou des feuilles de cuivre. Les plans de masse sont réalisés par des tôles métalliques, des grilles, des plans perforés. This paper sets out specialist opinion focusing on aspects of personal safety and protection for sensitive equipment. The first point has regulatory implications, while the second concerns judicious application of standards for optimizing the design and maintenance of electrical installations. The paper outlines a number of recommendations, tried and tested in the field, and discusses the wider issue of electromagnetic compatibility and magnetic/electrical al installations. fields with reference to electric- Pour chacun de ces éléments conducteurs, l'impédance est une fonction de la résistance (en ohm) et de la réactance Lw. L'impédance augmente en fonction de la fréquence et il est intéressant de comparer ces valeurs pour différentes sections de câbles ou pour un plan de cuivre. Etat des règles de l'art Les règles de l'art décrites dans la bibliographie tech- nique se divisent en 2 groupes : - les normes d'installation NFC 15.100 (Installations basse tension), NFC 17.100 (Protection foudre), NFC 13.200 (Installations haute tension) ; REE COMPATIBILITÉ ÉLECTROMAGNÉTIQUE, PHÉNOMÈNES, Le facteur de conversion de mode commun à mode diffé- lrnpédances comparées des conducteurs et plans en cuivre Conducteur cuivre de longueui- 1 mètre section 1 nim2 50 Hz 10 kHz 10 MHz rentiel dépendra de la capacité des amplificateurs d'entrée à rejeter le mode commun (réjection du mode commun 18 mf2 100 m2 100 2 exprimé en décibels) et du régime de masse adopté pour le zéro volt électronique. En effet, une façon simple d'amé- Conducteur cuivre de 10111LleUl- 1 Mètre O5 iii2 70 in2 70 section 35 iiim2 Plan en cuivre d'épaisseur 35 pni EFFETS, ENJEUX 500 t£2 500 gÇ2 1 MQ liorer la symétrie d'un système est de faire « flotter » le zéro volt. Cette technique a été largement exploitée par les fabricants d'électronique par le passé. Elle nécessite l'utilisation de réseaux de masse séparés pour les équipements sensibles. Elle permet également de garantir l'immunité aux perturbations basses fréquences. Couplage des perturbations Plan en cuivre d'épaisseur 1 mm 18 P£l 40 pO 1 mç Grille au pas de 10 nim épaisseur 35 Ilm Les perturbations électromagnétiques ont pour origine un 38,4 iii2 1,9 2 couplage entre une source de perturbations et un récepteur perturbé. Le phénomène de couplage équivaut à un transfert d'énergie électromagnétique. L'énergie perturbatrice est transmise à l'appareil susceptible par conduction ou par rayonnement. - les spécifications techniques d'installation particulières à certaines industries telles que les préconisations de l'UIC - Nous distinguons 5 types de couplage : le couplage par impédance commune, (Union des Industries Chimiques). Les textes réglementaires imposent la réalisation du minimum nécessaire pour assurer la protection des personnes entre les contacts indirects (conducteur de protec- - le couplage par diaphonie capacitive, - le couplage par diaphonie inductive, tion) et la protection des biens contre les surtensions atmosphériques (coordination de l'isolement et cages maillées pour les bâtiments). Ils se contentent de valider le principe de « terre sans bruit » en ce qui concerne l'aspect fonctionnel des installations, ce qui de fait décrit un réseau étoile à 2 branches (masses électriques et masses électroniques). Le texte de l'UIC est plus détaillé et propose un modèle d'installation devant permettre en conservant des conditions économiques acceptables, de préserver correctement les installations contre une perturbation d'origine atmosphérique et d'assurer le fonctionnement des systèmes sensibles. (Réseaux maillés, transformateurs de séparation, câbles blindés). - le couplage champ à fil, - le couplage champ à boucle. c Le couplage DES PERTURBATIONS SUR LES CÂBLES Mode commun et mode différentiel Les signaux électriques analogiques et numériques sont transmis en mode différentiel, que ce soit en boucle de courant ou en tension. C'est le signal « utile » qui sera exploité par le système. Les perturbations radioélectriques rayonnées ou conduites sont appliquées aux conducteurs d'un même câble de façon identique dite en mode commun. Le signal commune Il est créé par l'effet d'un courant circulant dans un conducteur dont l'impédance fait apparaître une différence de potentiel parasite. L'importance du phénomène sera fonction de la valeur du courant parasite et de la valeur des impédances rencontrées. Le couplage par diaphonie capacitive Il est créé par l'effet d'une différence de potentiel entre un conducteur et un autre conducteur parallèle par l'intermédiaire des capacités parasites des isolants. Il sera d'autant plus important que les fréquences seront élevées. Le couplage COUPLAGE par impédance par diaphonie inductive Il est créé par l'effet de la variation d'un courant dans un conducteur filaire sur un autre conducteur filaire parallèle. L'importance du phénomène sera fonction de l'intensité du courant et de la valeur de M. M, mutuelle inductance dépendra de l'écartement des conducteurs et de la distance de couplage ainsi que de la fréquence du signal perturbateur. Le couplage champ à fil Il est créé par l'effet de la variation d'un champ élec- utile de mode différentiel ne devrait pas être perturbé. Les circuits n'étant pas parfaitement symétriques, une partie du trique sur un conducteur. La valeur de couplage dépendra de l'intensité du champ électrique et de l'accord d'antenne avec le conducteur victime. Les basses fréquences ne sont signal perturbateur est converti en mode différentiel. pas concernées par ce type de couplage. REE Réseaux Le couplage champ à boucle Il est créé par l'effet de la variation d'un champ magnétique dans une boucle filaire. La tension obtenue dépendra de la surface de la boucle, de l'intensité du champ M. ÉVOLUTION DES ÉLECTRONIQUES de masse en étoile et réseaux maillés L'application systématique de ces tests aux produits sensibles permet d'améliorer leur susceptibilité aux perturbations extérieures. Le durcissement des produits obligera le fabricant à maîtriser les capacités parasites, (fil à fil, piste à châssis, connectique,...) à utiliser judicieusement les plans de masses, pistes de garde, à utiliser des composants adaptés pour les circuits d'interface. Nous avons montré que le transfert de l'énergie électromagnétique utilise les câbles et conducteurs électriques des systèmes, tant en émission qu'en réception. Les câbles sont des antennes. Les principes de couplage utilisent les caractéristiques d'impédance, de capacité, de mutuelle inductance ou de surface de boucle des systèmes de câblage. Tous les conducteurs sont concernés, que ce soient les conducteurs actifs ou les conducteurs d'équipotentialité. La conception du réseau de masse prendra donc une importance capitale pour permettre la compatibilité des systèmes (réduction des émissions parasites, protection contre les perturbations de forte intensité,...). Un système à interconnexions multiples (réseau maillé) sera le mieux adapté mais nécessitera l'utilisation d'électroniques correctement immunisées, conformément aux préconisations de la directive européenne sur la compatibilité électromagnétique. Des mesures d'immunité permettent à l'aide de test de vérifier l'immunité aux perturbations extérieures. Chaque phénomène d'environnement est ainsi modélisé ; formes d'ondes, gamme de fréquence, mode de couplage... Les niveaux sont adaptés à l'environnement de référence Avantages et inconvénients d'un réseau de masse en étoile Le réseau de masse en étoile, permettant de séparer les masses dites « sensibles » des masses électriques « perturbatrices », a été largement utilisé ces 20 dernières années. Certains cas extrêmes voyaient fleurir les réseaux de masses distincts pour chaque matériel, voir même les puits de terre séparés. Ce système a pour avantage de limiter les possibilités de couplage par séparation des systèmes dans le cas de perturbations de faible valeur (bruits H.F.) ce qui est indispensable aux électroniques utilisant la technique du « zéro volt flotté ». En contre-partie, un câblage des masses en étoile comportera deux inconvénients majeurs qui expliquent qu'il n'est plus préconisé aujourd'hui : - difficultés pour écouler les perturbations générées par l'installation, favorisant le rayonnement des câbles, - risques importants de destruction de matériels sensibles lorsque le circuit de masse est sollicité par un courant de défaut important (décharge atmosphérique ou défaut électrique). qui dépendra du domaine d'application choisi. Principattx testa d'immunité Norme de référence Phénomène d'environnement Modélisation EN 61000.4-2 Décharge électrostatique Onde normalisée(temps de iiiontée 4 et durée) 8 kV dans I*air Décharge au contact ou dans l'air, EN 61000.4-4 Commutation de charge sur le réseau électrique (transitoires rapides en salves) Onde normalisée et trains de salves Application par couplage capacitif sur les câbles EN 61000. 4-11 Micro-coupures Creux de tension Application réelle sur les circuits d'alimentation Niveau de référence pour un environnement industriel kV au contact 2 kV ENV 50140 Chainp électrique rayonné Emission d'un champ électrique modulé ou non modulé, couplage direct sur les câbles ou les pistes électroniques tOV/mmodutéà t Hz ENV 50141 Fréquence radio en mode commun Injection de courant du mode commun sur les câbles 150 kHz à 80 MHz iov EN 61000.4-5 Surtension induite de forte intensité Onde de choc normalisée 4 kV mode commun 2 kV mode différentiel COMPATIBILITÉ Ces inconvénients modes de couplage ÉLECTROMAGNÉTIQUE, s'expliquent par le fait que tous les sont sollicités du fait des valeurs importantes des impédances, des longueurs des conducteurs, des surfaces de boucle. APPLICATION DANS PRATIQUE L'INDUSTRIE Le cas de l'installation neuve est de loin le plus favorable parce qu'il permet l'application sans difficulté et à moindre coût de toutes les règles à appliquer pour obtenir une bonne base de protection. Le premier principe à retenir (et s'il n'en reste qu'un, ce doit être celui-là) est l'amélioration de l'équipotentialité du site. Le but est bien entendu de limiter au maximum de tensions perturbatrices, les -- qui EFFETS, ENJEUX courant. La présence de plusieurs descentes permet de diviser les courants sur ces descentes. De ce fait, chacuns de ces courants induit des champs magnétiques plus faibles et ces champs magnétiques dont les sens s'opposent deux à deux au sein du bâtiment, se trouvent réduits voire annulés. Or la principale cause de destruction au niveau des équi- Le choix de conception d'une installation neuve l'apposition PHÉNOMÈNES, dt peuvent apparaître entre masses ou entre circuits actifs et masses. Comme il n'est pas envisageable de réaliser des bâtiments entièrement métalliques, où chaque niveau serait une cage de Faraday, il va falloir trouver un bon compromis économique, suffisant pour l'obtention de bons résultats. Dans ce cadre, le principe reconnu de la « cage maillée » utilisée pour la protection foudre des bâtiments, représente une bonne approche de base, qui sera améliorée par la mise en oeuvre des règles complémentaires que nous allons décrire par la suite. pements électroniques montés en réseau lors d'un coup de foudre est le champ magnétique, celui-ci induisant une tension dans toute boucle, proportionnelle à la valeur du champ et à la surface de la boucle. On a en fait : ) toSd/ d U=I 2 Rfldt RITdtdt dt La cage maillée pourra être réalisée facilement lors de la conception d'un bâtiment en utilisant les structures métalliques (poutres et charpentes en IPN par exemple) et les ferraillages du béton et en ayant pris soin, avant le coulage de la dalle, de réaliser un fond de fouille avec du câble en cuivre nu, maillé comme on l'a dit précédemment, mais surtout sur lequel on n'oubliera pas de faire « remonter » le câble cuivre régulièrement, pour raccorder ce fond de fouille directement aux structures du bâtiment. Après réalisation de cette cage maillée, efficace vis-à-vis de la foudre mais insuffisante pour la plupart des autres phénomènes, il va falloir mettre en oeuvre des solutions supplémentaires allant toujours dans le sens de l'équipotentialité. Les interconnexions de masses Il faudra limiter les impédances entre toutes les masses ; La cage maillée la tâche est facilitée par l'utilisation La cage maillée représente le meilleur moyen de protection d'un bâtiment contre les effets directs de la foudre, mais possède également sur le paratonnerre à tige classique l'avantage de limiter les champs magnétiques au sein du bâtiment protégé. Elle sera cgénéralement constituée d'un ceinturage en toiture, maillé tous les 15 m, suivi de descentes au droit de chacun des noeuds du maillage et aboutissant à un ceinturage à fond de fouille. Des ceinturages horizontaux, pour chaque hauteur de 10 m, seront ajoutés. Le fond de fouille, qui constituera la prise de terre, sera également maillé, avec un pas le plus réduit possible, 10 m semblant là encore une distance raisonnable. Enfin, on pourra, au droit de chaque descente (servant de descente de paratonnerre) adjoindre des prises de terre dites « en patte d'oie », bien entendu interconnectées avec le fond de fouille. La limitation des champs magnétiques au sein du bâtiment résulte tout simplement du phénomène suivant : tout conducteur parcouru par un courant variable génère un champ magnétique H proportionnel à Ül et dt dt à la distance du conducteur et orienté en fonction du sens du REE des structures métal- liques et les nombreuses possibilités de reprises du fond de fouille prévues précédemment. La solution à retenir va être d'utiliser tous les équipements ayant des structures métalliques pour les intégrer au sein du maillage des masses. En premier lieu, on utilisera des chemins de câbles métalliques reliés à toutes les masses à proximité desquelles ils passent ; en effet, quelques tresses très courtes donnent de bons résultats et sont peu onéreuses (surtout qu'elles doivent être les plus courtes possible). Mieux, boulonner les chemins de câbles sur les structures métalliques (en ayant soin de gratter la peinture !) est très efficace. De même, toutes les conduites, goulottes, machines, doivent être raccordées à toutes les structures métalliques voisines pour obtenir un seul et unique réseau de masse (souvent appelé réseau de terre) maillé et donc d'impédance la plus faible possible. Enfin, pour tout local particulièrement sensible (entre autres, salle informatique ou autocommutateur) on recréera un maillage local plus serré en utilisant un faux plancher métallique que l'on aura pris soin d'améliorer dant les pieds de ce faux plancher entre eux. en raccor- Chaque machine sera reprise directement sur ce faux plancher par des tresses métalliques courtes, et deux Réseaux machines voisines auront leurs carreaux métalliques boulonnés ensemble. L'utilisation des chemins de câbles pour contribuer en étoile et réseaux ment pour ce qui est des harmoniques ( maillés = Zh Ih, donc plus Z est faible, plus U est faible). au maillage sera favorable également pour le point suivant. j,k,,7 Cas d'une installation existante Pour ce type d'installation, il va falloir appliquer mêmes principes, en fonction de ce qui est réalisable. Effets réducteurs En effet le passage des câbles sur chemin de câbles métalliques permet de réduire la surface des boucles de masses et de diminuer l'efficacité d'antenne des câbles. Autrement dit, les rayonnements émis par les câbles vont être atténués de même que la réception des champs électriques par ces mêmes câbles. Attention cependant : pour être efficace, ce principe doit également être soigné en plaquant les câbles sur le chemin de câble et donc en évitant de créer des boucles, aussi réduites soient elles. Enfin, la règle habituelle de séparation des câbles « bruyants » (courants forts) et des câbles sensibles (liaisons à courants faibles en général) doit bien entendu être respectée par l'utilisation de chemins de câbles distincts. On pourra même avoir un chemin de câbles « courants forts » dans lequel seront séparés les câbles dits « propres » des câbles alimentant les machines perturbatrices et un chemin de câbles « courants faibles » où seront séparés les liaisons à bas niveau des liaisons à signaux forts. Les alimentations Le premier paramètre à prendre en compte est le régime de neutre. Le seul qui soit vraiment valable pour se prémunir au niveau des perturbations est le régime TNS où le neutre est relié aux masses en sortie de la source, et où les conducteurs de neutre et de protection sont séparés. Les câbles d'alimentation de masse d'un équipement, c'est-à-dire la (ou les) phase(s), le neutre et les « terre » (le vert-jaune) doivent cheminer ensemble pour limiter le champ magné- En premier lieu il faudra vérifier l'interconnexion les de toutes les masses et créer des liaisons supplémentaires à l'aide de feuillards, notamment entre les chemins de câbles ou goulottes métalliques et les structures voisines. De même, les armoires métalliques seront reliées à ces chemins de câbles et aux autres structures métalliques. Le maillage ne pouvant être amélioré indéfiniment (fond de fouille non accessible, etc.) il va falloir traiter localement les salles sensibles (emplacement d'équipements sensibles ou d'équipements très perturbateurs), en créant généralement des ceinturages autour de ces salles, auxquelles on adjoindra un maillage local pour les équipements très sensibles. En ce qui concerne les liaisons existantes et tant qu'il n'y a pas de problème, on peut ne pas procéder à des améliorations. Par contre, tous les nouveaux équipements devront alors être implantés sur des réseaux maillés avec des liaisons à courants faibles blindées et une alimentation tirée directement depuis la source sur des chemins de câbles métalliques. On tend donc à réappliquer, décrits précédemment. Validation au mieux, les principes sur site La plupart des tests d'immunité décrits précédemment sont facilement réalisables sur site, exception faite du test ENV 50140 (rayonnement) qui nécessite l'utilisation d'une tique autour de ces câbles (en effet la somme des courants est nulle sur cet ensemble de câbles). cage ou cellule GTEM. Enfin, les alimentations, au contraire des masses, seront tirées en étoile. Ce principe permet de séparer les alimentations des gros perturbateurs et des équipements sensibles. reproduire les configurations d'installation et de câblage en laboratoire, des tests d'immunité peuvent être envisagés sur site. Ils auront pour avantage de valider l'ensemble de la réalisation dans sa configuration réelle. Ainsi, le point de raccordement commun, généralement le TGBT (tableau général basse tension) est le point où la puissance de court-circuit est la plus élevée (ou l'impédance du réseau la plus faible). L'impédance étant faible, l'influence des courants perturbateurs est limitée, notam- Pierre-André PENNEAU, titulaire d'un Diplôme d'étudessupérieures de la MarineMarchande, est responsable des essais et mesures en compatibilité électromagnétique au CETE (Centretechnique)de l'APA VE Normande. -M Pour certaines installations dont il n'est pas possible de Il est également possible de vérifier le réseau de masse dont les liaisons devraient être repérées et d'en réaliser le schéma. Cette opération peut être réalisée simplement par la mesure des impédances des mailles et des liaisons. 1 à Xavier SCHMITT, ingénieurESTP (Ecoie spéciaie desTravauxpublics),sectionmécanique électricité, est responsable des essais et mesures en électricité et compatibilité électromagnétique auCETEdel'APAVE Lyonnaise. 0 la REE