Effets indirects des champs électrique et magnétique à 50 Hz

Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Effets indirects des champs électrique et
magnétique à 50 Hz
Août 2003, la ville de New-York :
Black-Out au NE des USA : 50 millions de personnes privées d’électricité
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
1
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
unités
• Volt : unité de mesure de tension (V)
• Ampère : unité de mesure de courant (A)
• Tesla, Gauss : unité de mesure de champ
d’induction magnétique
(1µT=10 mG)
• Valeur efficace : quand une grandeur est
alternative on parle en valeur efficace =
valeur de crête divisée par 1.4 (sinusoïdale)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
2
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
symboles
. µ pour micro (x 1/1.000.000), ex : µT
•
•
•
•
m pour milli (x 1/1000) , ex : mV, mA
k pour kilo (x 1000), ex : kV
M pour Mega (x 1.000.000), ex : MHz
G pour Giga (x 1.000.000.000), ex : GHz
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
3
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Les champs électromagnétiques
•
•
•
•
Définition d’un champ
Champ électrique E (Volt/mètre)
Champ magnétique H (Ampère/mètre)
Champ d’induction magnétique B
(Teslas)
• Par la suite on parlera beaucoup de B
qui sera nommé « champ magnétique »
et exprimé en microteslas (µT)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
4
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Notion de champs E et B
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
5
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Fréquence (Hz)
Ce cours :
uniquement
ELF (50 Hz)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
6
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
7
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Champs basses fréquences (ELF) =
Radiation NON ionisante
• Une radiation non-ionisante est un terme
utilisé pour la partie du spectre
électromagnétique dans laquelle les énergies
en causes sont insuffisantes pour ioniser la
matière vivante.
• Sont non ionisantes les radiations liées à :
• L’électricité de puissance
• Ondes radio, infra-rouge, visible
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
8
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Champs naturels
• Terrestres : indispensables à la vie : la
lumière avec un capteur de champ
électromagnétique : l’œil,
• champ magnétique terrestre (30 à 60
µT, continu), éclair (10 µT à 1 km)
• champ électrique terrestre 100 V/m (10
kV/m en temps d’orage,continu)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
9
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Champs naturels
• Humains : champs endogènes (électrocardiogramme, encéphalogramme)
• Onde gamma (30 à 100 Hz)
• Onde alpha, beta, theta, delta (3 à 45
Hz)
• Champ E endogène : 0.1 V/m
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
10
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Champs artificiels
• Intentionnel : émission radio, TV, GSM (MHz,
GHz)
• Non-intentionnel : ligne HT(50 Hz) , écran,
appareillage ménager, caténaire chemin de
fer.
• Exemple : Champ magnétique de 10 µT sous
une ligne 400 kV, champ électrique de 5
kV/m au même endroit (50 Hz)
• Pour ces deux derniers : capteurs humains
inconnus
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
11
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
50 Hz = ELF
• 0 to 300 Hz : extremely low frequency
(ELF).
• Les champs électromagnétiques à très
basses fréquences n’ont pas assez
d’énergie pour endommager l’ADN
située dans le noyau des cellules.
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
12
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Les sources des champs à 50 Hz
• Transport et distribution de l’électricité :
• En Belgique, réseau de transport à 400
kV and 150 kV, de distribution à 70 kV,
15 kV and 400 V.
• Réseau aérien et souterrain
• Les installations domestiques,
industrielles et l’utilisation de celles-ci.
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
13
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Allure du champ d’induction magnétique B en
microteslas (cas Tihange-Avernas, 150 kV,
1300 A, deux ternes, SOUTERRAIN)
14
A: 150 kV, 1100 A
B :70 kV, 450 A
12
A
Horizontal disposal
B-field (µT)
10
8
6
B
4
2
0
-20
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
-15
-10
-5
0
5
10
Distance to the axis of the cables (m)
15
14
20
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Allure du champ d’induction magnétique B en
microteslas (AERIEN)
Magnetic fields in the 70 kV netw ork
Yearly mean = moyenne annuelle (sur base statistique)
95% = valeur pouvant s’observer 5% du temps
Rated = valeur nominale (dimensionnement)
Max = valeur exceptionnelle en cas de détournement de flux d’énergie suite à une perte d’installation ailleurs dans le réseau.
4
3
2
1
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Magnetic fields in the 150 kV netw ork
Distance to the axis of the line (m )
yearly mean
95%
Magnetic fields in the 380 kV netw ork
12
rated (0.9 kA)
10
40
8
35
6
30
4
25
µT
µT
µT
8
7
6
5
2
0
-50
-25
0
25
Distance to the axis of the line (m )
yearly mean
95%
rated (1.1 kA)
50
20
15
10
5
0
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
Distance to the axis of the line (m )
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
yearly mean
95%
rated (2.2 kA)
max15
(calculated)
80
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Allure du champ d’induction magnétique B en
microteslas (résidentiel)
Relative number of
Residences
Residential Magnetic field
0,001
0,01
0,1
1
10
Magnetic field (µT)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
16
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
le risque électrocution
COURBES de SECURITE
•
•
•
•
•
•
effets du courant alternatif 15-100 Hz sur les adultes
(CEI 479-1)
Zone 1 : habituellement aucune réaction (moins de environ 0.5
mA)
Zone 2 : aucun effet physiopathologique dangereux (moins de
environ 6 mA)
Zone 3 : habituellement aucun dommage organique, possibilité
de contraction musculaire et difficulté de respiration, réversible
(moins de environ 30 mA)
Zone 4 : fibrillation ventriculaire probable (5% courbe C2,
jusqu'à 50% (courbe C3) et au delà de 50% après C3.
possibilité d’arrêt cardiaque, arrêt de la respiration, etc…(plus
de 60 mA pendant plus de 200 ms ou plus de 400 mA en
dessous de 200 ms)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
17
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Courbe de sécurité
30 mA
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
18
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Tensions limites
•
•
Ces différentes considérations ont permis d’établir les tensions
limites conventionnelles absolues UL et la tension limite
conventionnelle relative UL(t) en fonction de l’état du corps
humain (RGIE art. 31).
La tension limite conventionnelle absolue UL est la valeur limite
de la tension qui est considérée comme inoffensive, même lors
d’un contact prolongé.
Tension limite conventionnelle absolue UL (V)
Etat du corps humain
BB1
BB2
BB3
Courant alternatif Courant continu
non lisse
Peau sèche ou humide par sueur
50
75
Peau mouillée
25
36
Peau immergée dans l’eau
12
18
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
Courant continu
lisse
120
60
30
19
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
La perception du passage du courant
dans le corps (mesures selon Leitgeb)
0.5 mA
30 µA
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
3 mA
20
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Comparaison avec une loi normale
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
21
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Tension de toucher
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
22
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
La tension de toucher et le courant de
contact
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
23
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Courant de contact
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
24
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Résistance du corps humain
La résistance globale au passage du courant varie selon :
•
•
•
- l'humidité au point de contact
- isolation électrique : représentée par vêtements, chaussures,
sols à moquette qui isole.
- la résistance du corps: le corps humain se comporte comme
un noyau conducteur (nerfs, vaisseaux, muscles), enveloppé
d'une écorce isolante, la peau. La peau n'est isolante que si elle
est sèche. Au-delà de 1000 volts il y a rupture électrique de la
peau et donc baisse de la protection.
La résistance du corps humain (ohm) est donnée par :
•
où k = 87500, U en Volts et R en Ohm (Ω)
•
k
R = 650 +
U
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
25
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Résistance du corps humain
• elle décroît rapidement avec la tension
appliquée, c’est la raison pour laquelle on
tend à limiter cette valeur.
• Par exemple :
• à 25 Volts, 4150 Ω soit environ 6 mA ;
• à 250 Volts, 1000 Ω soit 250 mA
• Donc danger de l'électrocution en salle de
bain où le sujet est en situation de résistance
minimale.( sujet nu et mouillé)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
26
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Le risque résidentiel
U
IA − IR =
Rf + R
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
27
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Exemple dans une salle de bain
• bati = lessiveuse mise à a terre,
puissance 3.5 kW, branché mono 230 V
• R1 = 15 ohms, R(terre) = 10 ohms,
Rf(isolement) = 100000 ohms (fuite),
R(homme) =1000 ohms(grosso modo
en parallèle sur R(terre)
• I nominal = 15 A; I fuite (terre) = 2.3 mA
• Voc = 23 mV; I contact = 23 microamp.
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
28
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Prise de terre résidentielle
ordre de grandeur : 10-30 Ohms (terrain gras)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
29
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Réseau de terre
• Piquet vertical de diamètre d et enfoncé à une
profondeur L dans un sol de résistivité ρ ( Ω.m) :
R=
ρ
⎛ 3L ⎞
⎜ ⎟
2πL Ln ⎝ d ⎠
[Ω]
• Plaque circulaire enterrée mais proche du sol
(diamètre D)
•
R = ρ/(4D)
[Ω]
• (par exemple, un pied sur le sol peut être assimilé à
une telle plaque de diamètre de 0.08 m et donc
présente une résistance de 3 ρ [Ω] )
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
30
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
La protection résidentielle
– contre une surintensité trop longue :
fusible (coupe-circuit)/disjoncteur
– contre un court-circuit :
fusible/disjoncteur
– contre un défaut d’isolement :
(disjoncteur) différentiel (30 mA pour
salle eau)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
31
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
La question d’aujourd’hui
• Au-delà de la sécurité contre
l’électrocution, y-a-t-il un danger plus
insidieux ?
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
32
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
L’être humain plongé dans un champ E (ELF)
• Déforme le champ électrique E
créé par une source externe
(qq kV/m).
• Ce faisant, il est parcouru par
un courant de même
fréquence (50 Hz), orienté
dans le sens du champ E
• Le champ E est quasi-nul à
l’intérieur du corps, de l’ordre
du mV/m
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
E=10kV/m
E=1mV/m
33
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Protection contre
le champ électrique 50 Hz
• La protection contre un champ E externe :
placer l’ »objet » à protéger dans une « cage
de Faraday » (cage conductrice entourant
l’ »objet »,
• Ex : un câble souterrain n’émet pas de E au
dessus du sol. A l’intérieur d’un véhicule, d’un
hangard métallique, on est protégé des
champs E (ELF) externes
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
34
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Allure du champ électrique sous une ligne
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
35
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Mesure du champ électrique (uniforme et
dans une direction donnée)
10 Hz-3 kHz
10 à 13000 V/m
Précision 5%
Champ E
uniforme
Échantillonage 15
kHz
Valeur efficace
Une seule
composante à la fois
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
36
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
L’être humain plongé dans un champ B(ELF)
• L’homme ne
déforme pas(peu) le
champ magnétique
B créé par une
source externe
• Est parcouru par un
courant formant des
boucles (à la même
fréquence que B).
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
37
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Allure du champ magnétique sous une
ligne
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
38
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Mesure du champ d’induction magnétique
(3-D)
10 Hz-3 kHz
0,05 à 1500 µT
Précision 2%
Échantillonage 15 kHz
3 composantes (X,Y,Z)
polarisation
valeurs efficaces
harmoniques
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
39
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Les limites de la littérature
• L’IRPA/INIRC choisit comme seuil la
densité de courant induit de 10 mA/m2.
• NIEHS (1998) :
« convincing evidence for causing
effects available for internal electric field
strengths greater than approximately
1 mV/m (50/60 Hz) »
(= densité de courant de 0.1 mA/m2)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
40
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
NIEHS writes :
• « Biological effects relevant to cancer
have been reported in numerous well
programmed studies. Effects cites are
increased cell proliferation, disruption of
signal transduction patways and
inhibition of differenciation. »
• Conclusion retenue dans le rapport final
EMF RAPID (1999).
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
41
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Champ électrique dans la moëlle induite par
un courant de contact ou un champ externe
• Champ électrique (mV/m) dans la moëlle
épinière d’un enfant (5 ans) parcouru par un
courant de 10 micro-ampères (60 Hz) :
• Entrée du courant /valeur du champ E(mV/m)
• Lower arm
51
• Lower leg
12
• Whole body
5
Alors que un champ B externe de 1 microtesla
donnerait une valeur < 0.01 mV/m
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
42
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Mesuré à Liège (appartement récent)
• Tension mesurée entre prise de terre et
robinet (multimètre Fluke, 10 MΩ) : 14,7 V
(RMS 50 Hz)
• La mesure avec résistance de charge (1 kΩ à
100 kΩ) permet de trouver : RT= 52 MΩ
• Tension à vide réelle : 91 V
• Courant de contact (1 kΩ) : 1,8 µA (50 fois
plus que celui induit par un champ B externe
de 1 microtesla, selon Kavet)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
43
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Protection contre
le champ magnétique à 50 Hz
•
Très difficile, uniquement possible si on
considère une liaison complète (somme des
courants nulle). D’abord « compacter »,
« torsader » si possible.
•
Atténuation par blindage cuivre ou aluminium
(les courants induits s’opposent au champ
initial)
•
Atténuation par blindage ferromagnétique
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
44
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Blindage
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
45
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Blindage aluminium sur liaison triphasée
(1300 A, 150 kV)
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
46
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Conclusions
• Nous vivons dans une « soupe » électromagnétique
(couvrant un spectre depuis le continu jusqu’à des
MHz)
• L’électricité de puissance (50 Hz) est dans le bas de
la gamme des fréquences(ELF)
• Les champs alternatifs induisent des courants dans
toute structure conductrice (dont le corps humain)
• Vous êtes parcourus par du courant à toute
fréquence dans votre vie quotidienne, notamment
quand vous touchez une structure métallique mais
pas seulement.
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
47
Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz
Conclusions (suite)
• Le courant induit augmente avec la fréquence et la
valeur des champs
• Notre corps génère ses propres champs endogènes
et réagit aux « agressions »
• En plus de l’électrocution, ne faut-il pas considérer
d’autres risques à des niveaux de courant beaucoup
plus faible (imperceptible) ?
• Soignons d’abord nos installations électriques!
• Plus d’info sur www.bbemg.ulg.ac.be
LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]
48