DOSSIER éseaux en étoile et réseaux maillés Electronique en

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