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