Protection des données en ligne contre les surtensions transitoires

Protection des
données en
ligne contre les
surtensions
transitoires
Livre blanc n° 85
Par Joseph Seymour

©2005 American Power Conversion. Tous droits réservés. La présente publication ne peut être ni utilisée, ni reproduite, ni photocopiée, ni
transmise, ni stockée dans un système d'archivage, de quelque nature que ce soit, sans l'autorisation écrite du détenteur des droits d'auteur.
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Résumé de l'étude
Les transitoires électriques (surtensions) sur les lignes de données peuvent détruire les
équipements informatiques, aussi bien dans les environnements professionnels que do-
mestiques. De nombreux utilisateurs sont conscients du risque que représentent les sur-
tensions, mais négligent les risques pour les données en ligne. Ce document explique
comment sont créés les transitoires, explique leurs effets dévastateurs sur l’équipement
électrique, et montre comment les dispositifs de suppression des surtensions agissent
pour protéger les équipements.

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Introduction
Les perturbations électriques représentent une menace importante pour les équipements électriques et les
données. On les nomme de différentes façons : pics, surtensions et surtensions transitoires. Quel que soit
le nom qu'on leur donne, leurs effets restent les mêmes : interruptions, dégradations et dégâts, entraînant
inévitablement une indisponibilité de l'équipement. Avec la popularité croissante des réseaux informatiques,
les conséquences des surtensions transitoires sur les lignes de communication deviennent importantes.
Ces lignes entrantes dans un bâtiment, qu'elles soient encastrées ou aériennes, peuvent laisser circuler des
transitoires importants dans les installations domestiques ou professionnelles. Ceux-ci sont créés par divers
types de couplages (transmission de l’énergie électrique d’un système à l’autre via des champs magnéti-
ques), et peuvent entraîner des dégâts importants dans les interfaces de communication à l’intérieur d’un
bâtiment. Sachant que les surtensions transitoires peuvent être créées de différentes façons, une unique
couche de suppression des surtensions appliquée aux lignes entrantes peut s’avérer insuffisante pour
protéger intégralement les lignes internes et les équipements.
Lorsqu’on parle des effets spécifiques que peut entraîner une surtension transitoire sur les lignes de don-
nées, il est important de comprendre ce que sont les lignes de données en règle générale, et comment elles
transportent les données sous forme d’électricité. Une ligne de données est un câble conducteur de com-
munication qui transporte les basses tensions dans le but de faire communiquer entre eux les dispositifs
reliés. Certains exemples courants de câbles de données sont les câbles coaxiaux, les câbles Ethernet
CAT5 et les câbles téléphoniques. Les données sont transférées d’une partie de l’équipement vers une
autre grâce à l'envoi de niveaux de tension variés passant par les lignes de données, depuis l’équipement
transmetteur jusqu'à l'équipement récepteur se trouvant à l'autre extrémité du câble. L’équipement récepteur
traite les niveaux de tension, il les interprète et les traduit en données qu’il comprend et qu’il exécute.
Bien que les lignes de données aient tendance à transporter uniquement des bas niveaux de tension, elles
sont fabriquées en matériau conducteur et sont sujettes aux mêmes surtensions transitoires et aux mêmes
pics que d'autres lignes conductrices. Une surtension transitoire est en général une déviation très brève du
niveau de tension désiré (ou du signal dans le cas d’ordinateurs et d'appareils électroniques). Cette dévia-
tion indésirable peut entraîner un dysfonctionnement, voire une panne de l'appareil électronique. Certains
équipements habitués à communiquer via les lignes de données sont conçus pour fonctionner uniquement
sous la limite d’un seuil de tension très bas. Ils peuvent alors facilement subir des dégâts si les niveaux de
tension sont supérieurs à ceux prévus. De plus, les surtensions transitoires sont créées par des sources
diverses, ce qui signifie qu'aucune configuration d'équipement n'y échappe.
La figure 1 illustre les résultats d’une étude menée par Florida Power, qui répartit les problèmes de qualité
de l’alimentation en plusieurs groupes. Le graphique montre que 15 % des problèmes de qualité de l'alimen-
tation sont attribués à la foudre, 5 % seulement sont attribués aux postes électriques introduisant des
transitoires dans les distributeurs réseau, et 60 % de l'ensemble des problèmes sont attribués aux transitoi-
res générés par l'équipement de bureau.

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Figure 1 – Étude de Florida Power : problèmes de qualité de l'alimentation
Équipement de
bureau 60,0 %
Éclairage
15 %
Système
5,0 %
Voisinage
20,0 %
Comment se créent les transitoires
Les transitoires peuvent être présents dans n’importe quel conducteur : lignes d’alimentation, de téléphone,
de données et de signaux. Parmi les types de lignes de données existant dans de nombreux réseaux LAN
(Local Area Networks), on trouve les lignes RS-232, RS-422, Ethernet et le câble en anneau à jetons, la
télévision en circuit fermé, les systèmes d’alarmes de surveillance, et les interfaces entre commandes
numériques et machines-outils.
Les pics, qui sont une forme de surtension transitoire, sont de brèves surtensions se mesurant générale-
ment en millisecondes. Cette énergie électrique excessive et indésirable peut survenir facilement dans toute
ligne conductrice. Le contenu énergétique des transitoires peut s'avérer énorme et endommager les équi-
pements, ou provoquer un dysfonctionnement en envoyant des signaux erronés à cause de niveaux de
tension inadaptés. Les équipements commandés par des microprocesseurs et par d’autres circuits intégrés
(CI) sont particulièrement vulnérables aux surtensions transitoires. Le couplage inductif, créé à partir de
sources diverses, est généralement la cause des transitoires spécifiques aux lignes de données.
La façon dont les transitoires de couplage inductif se produisent sur les lignes de données est moins connue
que la façon dont les transitoires de courant direct c.a. sont produits. À chaque fois que le courant électrique
circule dans un matériau conducteur, un champ magnétique se crée. Si un second conducteur est placé
dans le champ magnétique du premier conducteur, et que ce champ magnétique est en état de flux, alors il
va induire un courant dans le second conducteur. L’utilisation d’un champ magnétique pour créer du courant
et induire une tension, sans connexion physique entre les deux matériaux conducteurs, est la base du
fonctionnement des transformateurs comme ceux utilisés pour les lignes d’alimentation secteur. Un trans-
formateur produit un champ magnétique sortant d'une bobine dans le premier conducteur, lequel induit une
tension dans la bobine du second. Selon les mêmes principes, les câbles qui courent les uns contre les
autres dans un bâtiment peuvent créer des couplages transitoires de façon magnétique, comme le montre la
figure 2. Ce couplage peut être créé par une ligne d'alimentation, qui induit une tension dans une ligne de
données adjacente, ou d'une ligne de données à l'autre (on parle généralement de courant diaphonique).

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Figure 2 – Couplage inductif
Flux magnétique
Ligne électrique Ligne de
données
Induit la circulation
du courant
La foudre peut être la source d’un type de couplage magnétique beaucoup plus puissant, capable de provo-
quer des dégâts soudains sur plusieurs dispositifs en une seule frappe. La figure 3 montre la foudre frap-
pant le sol. L’éclair est entouré d’un champ magnétique très puissant. De la même façon qu’un champ
magnétique peut induire des transitoires dans un conducteur adjacent, le champ magnétique de la foudre
peut induire une puissance dans une ligne externe sans la frapper directement. Et plus important encore,
si un coup de foudre survient assez près d’un équipement, son champ magnétique peut passer à travers les
lignes de données internes et y induire des transitoires. Ceux-ci peuvent brouiller les données en cours de
transfert dans ces lignes, et il y a des chances pour que les équipements reliés soient endommagés. On
appelle également le couplage inductif interférence ou bruit électromagnétique.
Figure 3 – Champ magnétique créé par la foudre
Flux
magnétique