DOSSIER éseaux en étoile et réseaux maillés Electronique en

DOSSIER
éseaux en étoile et réseaux maillés
Electronique en milieu industriel, sécurité des personnes
et des installations
par Pierre-André PENNEAU, CETE APAVE Normande,
Xavier SCHMITT, CETE APAVE Lyonnaise.
Mots clés :
Réseaux
de masse,
Mise à Io terre,
Immunité.
Quelles sont, en pratique,
les applications et les règles
de conception pour les installations
industrielles et les équipements
sensibles ?
RÉSEAUX EN ÉTOILE
ET RÉSEAUX 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 conduc-
teurs de protection de l'alimentation électrique et des liai-
sons équipotentielles supplémentaires ou des liaisons de
fait par les charpentes ou les cheminements pouvant consti-
tuer 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 comparées vis à
vis des phénomènes 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 per-
forés.
Cet « avis des spécialistes » privilégie deux
aspects : sécurité du personnel et non-détériora-
tion d'équipements sensibles. Le premier aspect a
des implications réglementaires ; le second
conduit à une judicieuse application des normes
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-
gnétique, champs magnétiques ou électriques,
appliquée à une installation.
This paper sets out specialist opinion focusing on
aspects of personal safety and protection for sens-
itive 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 fields with reference to electric-
al installations.
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, EFFETS, ENJEUX
lrnpédances comparées des conducteurs et plans en cuivre
50 Hz 10 kHz 10 MHz
Conducteur cuivre
de longueui- 1 mètre 18 mf2 100 m2 100 2
section 1 nim2
Conducteur cuivre
de 10111LleUl- 1 Mètre O5 iii2 70 in2 70
section 35 iiim2
Plan en cuivre
d'épaisseur 35 pni
Plan en cuivre
d'épaisseur 1 mm
500 t£2 500 gÇ2 1 MQ
18 P£l 40 pO 1 mç
Grille au pas de 10 nim
épaisseur 35 Ilm 38,4 iii2 1,9 2
- les spécifications techniques d'installation particulières
à certaines industries telles que les préconisations de l'UIC
(Union des Industries Chimiques).
Les textes réglementaires imposent la réalisation du
minimum nécessaire pour assurer la protection des per-
sonnes entre les contacts indirects (conducteur de protec-
tion) et la protection des biens contre les surtensions atmo-
sphériques (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 installa-
tions, 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 condi-
tions économiques acceptables, de préserver correctement
les installations contre une perturbation d'origine atmo-
sphérique et d'assurer le fonctionnement des systèmes sen-
sibles. (Réseaux maillés, transformateurs de séparation,
câbles blindés).
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 cou-
rant 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
utile de mode différentiel ne devrait pas être perturbé. Les
circuits n'étant pas parfaitement symétriques, une partie du
signal perturbateur est converti en mode différentiel.
Le facteur de conversion de mode commun à mode diffé-
rentiel dépendra de la capacité des amplificateurs d'entrée
à rejeter le mode commun (réjection du mode commun
exprimé en décibels) et du régime de masse adopté pour le
zéro volt électronique. En effet, une façon simple d'amé-
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'utili-
sation de réseaux de masse séparés pour les équipements
sensibles. Elle permet également de garantir l'immunité
aux perturbations basses fréquences.
Couplage des perturbations
Les perturbations électromagnétiques ont pour origine un
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 suscep-
tible par conduction ou par rayonnement.
Nous distinguons 5 types de couplage :
- le couplage par impédance commune,
- le couplage par diaphonie capacitive,
- le couplage par diaphonie inductive,
- le couplage champ à fil,
- le couplage champ à boucle.
c
Le couplage par impédance 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'inter-
médiaire des capacités parasites des isolants. Il sera
d'autant plus important que les fréquences seront élevées.
Le couplage 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 perturba-
teur.
Le couplage champ à fil
Il est créé par l'effet de la variation d'un champ élec-
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
pas concernées par ce type de couplage.
REE

Réseaux de masse en étoile et réseaux maillés
Le couplage champ à boucle
Il est créé par l'effet de la variation d'un champ magné-
tique dans une boucle filaire. La tension obtenue dépendra
de la surface de la boucle, de l'intensité du champ M.
ÉVOLUTION DES ÉLECTRONIQUES
Nous avons montré que le transfert de l'énergie électro-
magnétique 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 carac-
téristiques d'impédance, de capacité, de mutuelle inductan-
ce ou de surface de boucle des systèmes de câblage. Tous
les conducteurs sont concernés, que ce soient les conduc-
teurs 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 correc-
tement immunisées, conformément aux préconisations de
la directive européenne sur la compatibilité électromagné-
tique.
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
qui dépendra du domaine d'application choisi.
L'application systématique de ces tests aux produits sen-
sibles permet d'améliorer leur susceptibilité aux perturba-
tions 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 adap-
tés pour les circuits d'interface.
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 « pertur-
batrices », 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 pertur-
bations de faible valeur (bruits H.F.) ce qui est indispen-
sable aux électroniques utilisant la technique du « zéro volt
flotté ».
En contre-partie, un câblage des masses en étoile com-
portera 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 élec-
trique).
Norme
de référence
Principattx testa d'immunité
Phénomène
d'environnement Modélisation Niveau de référence
pour un environnement
industriel
EN 61000.4-2 Décharge électrostatique Onde normalisée (temps de iiiontée 4 kV au contact
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 2 kV
Application par couplage capacitif
sur les câbles
EN 61000. 4-11 Micro-coupures
Creux de tension
ENV 50140 Chainp électrique rayonné
ENV 50141 Fréquence radio en mode commun
Application réelle sur les circuits
d'alimentation
Emission d'un champ électrique
modulé ou non modulé, couplage
direct sur les câbles ou les pistes
électroniques
Injection de courant du mode
commun sur les câbles 150 kHz
à 80 MHz
tOV/mmodutéà t Hz
iov
EN 61000.4-5 Surtension induite de forte intensité Onde de choc normalisée 4 kV mode commun
2 kV mode différentiel

COMPATIBILITÉ ÉLECTROMAGNÉTIQUE, PHÉNOMÈNES, EFFETS, ENJEUX
Ces inconvénients s'expliquent par le fait que tous les
modes de couplage sont sollicités du fait des valeurs
importantes des impédances, des longueurs des conduc-
teurs, des surfaces de boucle.
APPLICATION PRATIQUE
DANS L'INDUSTRIE
Le choix de conception d'une installation neuve
Le cas de l'installation neuve est de loin le plus favo-
rable 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
l'apposition de tensions perturbatrices, les -- qui dt
peuvent apparaître entre masses ou entre circuits actifs et
masses.
Comme il n'est pas envisageable de réaliser des bâti-
ments 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.
La cage maillée
La cage maillée représente le meilleur moyen de protec-
tion 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 généralement constituée d'un ceinturage en toi-
c
ture, maillé tous les 15 m, suivi de descentes au droit de
chacun des noeuds du maillage et aboutissant à un ceintura-
ge 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 enco-
re 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 bâti-
ment résulte tout simplement du phénomène suivant :
tout conducteur parcouru par un courant variable dt
courant. La présence de plusieurs descentes permet de divi-
ser 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-
pements électroniques montés en réseau lors d'un coup de
foudre est le champ magnétique, celui-ci induisant une ten-
sion dans toute boucle, proportionnelle à la valeur du
champ et à la surface de la boucle.
On a en fait :
) toSd/ d
2 RITdt dt
U=I
génère un champ magnétique H proportionnel à Ül et à la
dt
distance du conducteur et orienté en fonction du sens du
2 Rfldt dt
La cage maillée pourra être réalisée facilement lors de la
conception d'un bâtiment en utilisant les structures métal-
liques (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'équipoten-
tialité.
Les interconnexions de masses
Il faudra limiter les impédances entre toutes les masses ;
la tâche est facilitée par l'utilisation 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 équipe-
ments ayant des structures métalliques pour les intégrer au
sein du maillage des masses.
En premier lieu, on utilisera des chemins de câbles métal-
liques 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 doi-
vent 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, doi-
vent être raccordées à toutes les structures métalliques voi-
sines pour obtenir un seul et unique réseau de masse (sou-
vent 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 en raccor-
dant les pieds de ce faux plancher entre eux.
Chaque machine sera reprise directement sur ce faux
plancher par des tresses métalliques courtes, et deux
REE

Réseaux de masse en étoile et réseaux maillés
machines voisines auront leurs carreaux métalliques bou-
lonnés ensemble.
L'utilisation des chemins de câbles pour contribuer au
maillage sera favorable également pour le point suivant.
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 élec-
triques par ces mêmes câbles. Attention cependant : pour
être efficace, ce principe doit également être soigné en pla-
quant 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 (liai-
sons 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 prému-
nir 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 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-
tique autour de ces câbles (en effet la somme des courants
est nulle sur cet ensemble de câbles).
Enfin, les alimentations, au contraire des masses, seront
tirées en étoile. Ce principe permet de séparer les alimenta-
tions des gros perturbateurs et des équipements sensibles.
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'impédan-
ce du réseau la plus faible). L'impédance étant faible,
l'influence des courants perturbateurs est limitée, notam-
ment pour ce qui est des harmoniques ( = Zh Ih, donc
plus Z est faible, plus U est faible).
j,k,,7 Cas d'une installation existante
Pour ce type d'installation, il va falloir appliquer les
mêmes principes, en fonction de ce qui est réalisable.
En premier lieu il faudra vérifier l'interconnexion 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 che-
mins de câbles et aux autres structures métalliques.
Le maillage ne pouvant être amélioré indéfiniment (fond
de fouille non accessible, etc.) il va falloir traiter locale-
ment les salles sensibles (emplacement d'équipements sen-
sibles ou d'équipements très perturbateurs), en créant géné-
ralement 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 améliora-
tions. Par contre, tous les nouveaux équipements devront
alors être implantés sur des réseaux maillés avec des liai-
sons à courants faibles blindées et une alimentation tirée
directement depuis la source sur des chemins de câbles
métalliques.
On tend donc à réappliquer, au mieux, les principes
décrits précédemment.
Validation 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
cage ou cellule GTEM.
Pour certaines installations dont il n'est pas possible de
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.
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.
-M
Pierre-André PENNEAU, titulaire d'un Diplôme
d'études supérieures de la Marine Marchande, est
responsable des essais et mesures en compatibilité
électromagnétique au CETE (Centre technique) de
l'APA VE Normande. 1 à
0 la
Xavier SCHMITT, ingénieur ESTP (Ecoie spéciaie
des Travaux publics), section mécanique électricité, est
responsable des essais et mesures en électricité et
compatibilité électromagnétique au CETE de l'APAVE
Lyonnaise.
REE