Arc Flash Considerations for Data Center IT Space

Ces dernières années, les connaissances sur les risques dus aux arcs électriques et la
sensibilisation à ce phénomène se sont développées, en grande partie, en raison du nombre
de blessés et de décès liés à ces phénomènes. Les enquêtes sur ces accidents ont entraîné
la mise à jour des normes et un renforcement de l'application de la réglementation.
L'environnement du datacenter fait notamment l'objet d'une surveillance poussée du fait du
besoin fréquent d'ajouter de nouveaux circuits de branchement améliorés, sans interruption
de charge critiques. Dans certains cas, ce travail sur les circuits sous tension, parfois appelé
« travail à chaud », a entraîné des contraventions pour les propriétaires de datacenters. Un
exemple de ce type de travail est l'utilisation de systèmes de bus, dans lesquels on insère ou
retire des unités enfichables d'un bus sous tension, ce qui constitue un risque potentiel pour
les travailleurs du datacenter. Par ailleurs, cet intérêt croissant confère encore plus de valeur
aux systèmes électriques maintenables de façon concurrente.
Trois tendances informatiques ont augmenté la gravité d'un éventuel arc électrique dans
l'espace informatique : les capacités plus importantes des datacenters, les densités de racks
plus élevées et les conceptions à efficacité plus élevée. Ce document présente ces trois
tendances dans le contexte de l'impact qu'ils ont sur les arcs électriques à l'intérieur de
l'espace informatique du datacenter
1
. Ce livre blanc explique aux professionnels du
datacenter ce qu'est un arc électrique, les zones potentiellement problématiques dans
l'espace informatique et la conformité aux réglementations.
Vous trouverez dans ce document des réponses aux questions du style : « qu'est-ce que le
courant de défaut typique dans un circuit de 20 A » ? Un arc électrique est-il différent d'une
électrocution ? Mon employeur est-il responsable si un sous-traitant réalise un travail à
chaud dans un datacenter ? L'enfichage d'une unité de distribution d'alimentation de rack
est-il considéré comme un travail à chaud ? « FingersafeTM » signifie-t-il que je peux ajouter
un circuit à un bus sous tension ? Dois-je procéder à une évaluation des risques d'arc
électrique ? Pour plus d'informations sur les arcs électriques d'une manière générale,
Schneider Electric a publié plusieurs documents et podcasts
2
sur différents problèmes, tels
que les approches de contrôle des arcs électriques.
Le terme « arc électrique » désigne ce qui se produit quand un courant de court-circuit
électrique circule dans l'air. Le défaut (terme courant pour désigner le court-circuit) se
produit généralement entre un conducteur sous tension (par ex. un câble, un bus) et un ou
plusieurs autres conducteurs sous tension ou un métal mis à la terre. Souvent, un défaut
monophasé évolue rapidement en défaut triphasé. Dans un arc électrique, le courant voyage
littéralement à travers l'air d'un point à l'autre, libérant une grande quantité d'énergie, appelée
énergie incidente
3
, en moins d'une seconde. Cette énergie est libérée sous forme de
chaleur, de son, de lumière et de pression explosive, tous ces éléments étant susceptibles de
provoquer des dommages. Parmi les blessures spécifiques possibles, on constate les
brûlures, la cécité, l'électrocution, la perte auditive et les fractures. Il est important de faire la
1
L'espace informatique, dans le présent document, comprend les zones d'exploitation informatique du
datacenter généralement occupées par le personnel informatique, y compris le centre d'exploitation du
réseau (NOC), les locaux techniques, les salles d'interconnexion, etc.
2
Arc Flash Mitigation (limitation des arcs électriques), Antony Parsons, juillet 2013 (dernier accès le
16/10/2014)
A comparison of arc-flash incident energy reduction techniques using low-voltage power circuit breakers
(comparaison des techniques de réduction de l'énergie incidente due à des arcs électriques au moyen
de disjoncteurs basse tension), oct. 2011
Short-circuit, Coordination and Arc-flash Studies for Data Centers: Best Practices and Pitfalls (études
sur les courts-circuits, la coordination et les arcs électriques pour les datacenters : meilleures pratiques
et écueils), oct. 2011
http://www.schneider-electric.us/sites/us/en/customers/consulting-engineer/podcasts.page
3
Selon la norme NFPA 70E (2015), l'énergie incidente est « la quantité d'énergie thermique appliquée
sur une surface, à une certaine distance de la source, générée pendant un arc électrique ».
Selon la norme
NFPA 70E 2015, un risque
d'électrocution est différent d'un
risque d'arc électrique. Un
risque d'électrocution est
associé à la « libération
possible d'énergie provoquée
par des conducteurs électriques
ou des parties de circuits sous
tension, ou par le fait de s'en
approcher », ce qui entraîne
alors une électrocution. Un
risque d'arc électrique est
associé à la « libération
possible d'énergie provoquée
par un arc électrique ». Un arc
électrique n'entraîne pas
forcément une électrocution.

distinction entre le risque d'arc électrique et le risque d'électrocution (voir encart dans la
marge). Plusieurs facteurs déterminent la quantité d'énergie incidente (mesurée en
calories/cm²), mais les deux principaux sont contrôlés par la conception électrique du
datacenter ; le courant de défaut disponible et la durée de l'arc
4
:
 Le courant de défaut disponible, mesuré en kiloampères (kA), est la quantité maximale
de courant disponible (à l'emplacement du défaut) pour « alimenter » un défaut et
dépend de la conception du système électrique.
 La durée de l'arc, mesurée en millisecondes (ms), est la quantité de temps qu'il faut à
un fusible ou un disjoncteur pour s'ouvrir et régler un défaut.
Dans les équipements électriques et dans des conditions normales, des isolants séparent les
pièces sous tension des autres surfaces conductrices et l'écartement entre les pièces sous
tension est suffisamment important pour éviter la formation d'arcs. Pour qu'un arc électrique
se produise, il doit y avoir dégradation de l'isolant (air ou autre) entre la phase et la phase ou
la terre, comme :
 Des équipements mal installés ou mal spécifiés
 Une présence de corrosion autour des isolants et/ou des conducteurs
 Un isolant fissuré ou détérioré
 Une contamination conductrice qui s'accumule sur les conducteurs ou les isolants
 Des corps étrangers tels que des rongeurs et des insectes
 Un contact résultant d'une erreur humaine (par ex. chute d'un tournevis sur les
conducteurs)
Une fois l'arc amorcé, il déclenche une réaction en chaîne qui s'auto-alimente. L'énergie
thermique de l'arc provoque la vaporisation des pièces métalliques, ce qui ionise l'air et forme
un nuage de plasma conducteur. Ce plasma fait à son tour diminuer la résistance entre les
pièces conductrices, ce qui provoque une augmentation du courant, et donc l'augmentation
de l'énergie thermique, des températures plus élevées et, au final, plus de dommages pour
les équipements et de dangers pour le personnel à proximité. En présence de suffisamment
d'énergie, une onde de pression, appelée arc électrique, se développe avec une force telle
qu'elle peut projeter le personnel en arrière et le blesser, voire le tuer.
Il y a dix ans, la sensibilisation aux arcs électriques était moins développée ; notamment
dans les datacenters, domaine dans lequel des contraventions ont été imposées aux
employeurs qui réalisent des travaux sur des équipements sous tension (c.-à-d. du travail à
chaud). Non seulement le travail sur des équipements électriques sous tension augmente le
risque d'arc électrique, mais les tendances informatiques suivantes augmentent l'énergie
incidente potentielle d'un arc électrique dans l'espace informatique :
 Datacenters de plus grande capacité
 Densités de racks plus importantes
 Conceptions à efficacité plus élevée
4
Plus le courant de défaut augmente, plus les disjoncteurs et les fusibles s'ouvrent vite. Une trop forte
réduction du courant de défaut peut en fait provoquer une augmentation de l'énergie incidente dans la
mesure où le disjoncteur ou le fusible mettent plus de temps à s'ouvrir.

Au cours de ces dernières années, on a construit de plus en plus de datacenters capables de
prendre en charge plus de 1 000 kW de charge informatique. Cela signifie que les raccordements
aux services publics de ces datacenters haute capacité peuvent générer plus de 50 kA de courant
de défaut côté basse tension du transformateur moyenne tension. En comparaison, un datacenter
de 500 kW générera moins de la moitié de ce courant de défaut. Notez que le courant de défaut
disponible, à lui seul, ne définit pas la quantité d'énergie incidente, mais toutes choses égales par
ailleurs, l'énergie incidente augmente. Ainsi, la tendance à l'augmentation de la capacité des
datacenters et des salles individuelles dans les grands datacenters entraîne une augmentation du
courant de défaut présent dans la salle du datacenter.
Les densités moyennes des racks ont lentement augmenté au fil des ans, pour atteindre plus
de 4-5 kW/rack. Cela signifie que les valeurs nominales des calibres de câbles et de courant
de circuit ont augmenté, ces deux phénomènes pouvant entraîner un courant de défaut au
niveau du rack supérieur à celui dans les datacenters de plus faible densité. Les courants de
défaut disponibles dans un rack haute densité peuvent être jusqu'à 10 fois supérieurs au
courant de défaut qui était présent dans les premiers datacenters. Ainsi, la tendance à
l'augmentation de la densité des racks provoque une augmentation du courant de défaut
dans le rack informatique.
Dans le but d'augmenter l'indicateur d'efficacité énergétique (PUE) du datacenter, les
architectures électriques sont désormais conçues pour diminuer les pertes dues aux
transformateurs et aux onduleurs. Les transformateurs, outre leurs fonctions de conversion
de tension et d'isolation, assurent une impédance résistive et inductive dans le trajet de
courant, ce qui limite le courant de défaut. Cependant, les transformateurs représentent
l'une des plus importantes pertes dans le train électrique, parfois même plus que dans les
onduleurs. Dans un effort pour réduire ces pertes, les conceptions de datacenter ont
désormais recours à des transformateurs moins nombreux mais plus grands, qui réduisent
les pertes mais augmentent le courant de défaut disponible dans les racks informatiques.
Dans certains cas, l'impédance (c.-à-d. la résistance dans les circuits CA) au niveau de ces
plus grands transformateurs est également plus faible que sur les plus petits transformateurs,
mais elle peut être spécifiée avec des valeurs supérieures pour faire diminuer le courant de
défaut. Ainsi, la tendance vers des conceptions à efficacité élevée a effectivement pour effet
d'augmenter le courant de défaut disponible dans la salle du datacenter.
Il existe sept sources principales de risque d'arc électrique à l'intérieur de l'espace informatique
du datacenter : les tableaux, les onduleurs, les unités de distribution de l'alimentation (PDU), les
bus, les panneaux d'alimentation externe (RPP), les tableaux de distribution et les bandes de
puissance des racks (c.-à-d. les unités de distribution de l'alimentation du rack)
5
. Si les
conducteurs sous tension dans l'espace informatique représentent, sans aucun doute, une
source d'arc électrique, ils sont rarement le point auquel un arc électrique se déclenche, dans la
mesure où ces conducteurs sont bien isolés. Les équipements mécaniques tels que les unités
de refroidissement sont aussi une source potentielle d'arc électrique, mais constituent
généralement un risque moindre que les sources électriques énumérées ci-après
6
. Notez que
ces sept sources sont énumérées dans l'ordre du courant de défaut disponible. En général, plus
on descend en aval vers l'appareil informatique dans une architecture électrique, plus le courant
5
Pour plus d'informations sur ces composants, voir le Livre blanc 61, Electrical Distribution Equipment in
Data Center Environments (équipement de distribution électrique dans les environnements de
datacenter)
6
Les unités de refroidissement sont presque toujours mises hors tension pour les interventions sur les
pièces électriques de plus de 50 V.

de défaut disponible est faible. Au fur et à mesure que le réseau électrique se divise en plus de
trajets, les conducteurs ont tendance à être plus petits, ce qui augmente leur résistance et limite
le courant de défaut disponible.
Tableaux
Les tableaux contiennent les disjoncteurs qui distribuent l'alimentation aux unités de
distribution de l'alimentation, aux onduleurs ou aux autres grands équipements électriques de
l'espace informatique. En général, les tableaux que l'on trouve dans l'espace informatique
ont le plus haut courant de défaut disponible, généralement compris entre 35 et 45 kA pour
les datacenters de plus de 500 kW. Les disjoncteurs qui se trouvent dans le tableau
possèdent les valeurs de courant les plus élevées de l'espace informatique. L'ouverture, la
fermeture ou la réinitialisation d'un disjoncteur dans un tableau ne doivent être réalisées que
par des travailleurs qualifiés et jamais par le personnel informatique.
Onduleurs
On installe parfois des onduleurs dans l'espace informatique des datacenters, notamment
dans les datacenters de moins de 1 000 kW, mais dans les plus grands datacenters ils se
trouvent généralement dans une salle électrique à part. En cas de défaut en aval de
l'onduleur, l'onduleur commute généralement en dérivation, ce qui produit une très faible
impédance pour la circulation du courant de défaut. Les onduleurs ont donc à peu près le
même courant de défaut que les tableaux qui les alimentent. L'actionnement des
disjoncteurs ou des interrupteurs statiques sur les grands onduleurs triphasés ne doit être
réalisé que par des travailleurs qualifiés et jamais par le personnel informatique.
Unités de distribution d'alimentation (PDU)
Une unité de distribution d'alimentation contient parfois un transformateur d'isolation, mais
contient toujours plusieurs tableaux de distribution qui distribuent les circuits de dérivation à
chaque rack. Dans certains cas, le transformateur peut avoir la même tension d'entrée et de
sortie, mais en Amérique du Nord, il abaisse généralement la tension de 480 V à 120/208 V
ou 240/415 V. Les transformateurs d'isolation fournissent une excellente source
d'impédance au courant de défaut mais, selon la tension d'entrée et de sortie, le courant de
défaut peut diminuer ou augmenter. Le Tableau 1 propose quatre exemples de courant de
défaut (kA) obtenu du côté secondaire d'un transformateur pour 40 kA de courant de défaut
disponible en entrée.
225
480
120/208
11
9
225
480
240/415
6
5
1 000
480
120/208
35
31
1 000
480
240/415
17
15
Si un disjoncteur de dérivation d'une unité de distribution d'alimentation s'ouvre pour cause
de surcharge, il est généralement accepté qu'une personne non qualifiée, telle qu'un
administrateur informatique, puisse le réinitialiser. Toutefois, si un disjoncteur s'ouvre pour
cause de défaut ou de cause inconnue, un travailleur qualifié doit tout d'abord déterminer la
raison pour laquelle le disjoncteur s'est déclenché avant de le fermer, de le réinitialiser ou de
le remplacer. En présence d'un défaut, la fermeture du disjoncteur sans avoir résolu le
défaut peut provoquer des dommages, voire un arc électrique.
7
Voir Livre blanc 128, Switching to 240V AC Distribution in North American Data Centers (commutation
en alimentation CA 240 V dans les datacenters d'Amérique du Nord)