CEM et sécurité des installations : partie 1

Aug 17, 2023

Note de l'éditeur : dans cet article, les mots "ground", "grounded" ou "grounding" sont utilisés de manière interchangeable avec "earth", "earthed" ou "grounding".

Alors que la quantité et la variété d'équipements électroniques utilisés dans les systèmes et les installations ne cessent de croître, la compatibilité électromagnétique devient un problème de plus en plus important. La quasi-totalité de mes interventions sur systèmes et installations depuis 1990 a porté sur des équipements perturbant le bon fonctionnement d'autres équipements sur le même site.

En 1990, les entraînements de moteur à vitesse variable utilisant des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et des transistors à effet de champ de puissance (PowerFET) pour la commutation de puissance à grande vitesse étaient très nouveaux, tout comme les systèmes de radio mobile privés, et ils ont tous deux causé de nombreux problèmes avec les anciens équipements électroniques. Depuis lors, les normes et réglementations CEM dans la plupart des pays ont considérablement amélioré les émissions et l'immunité des équipements, mais en même temps, les variateurs de vitesse se sont constamment améliorés - en commutant plus rapidement. Une commutation plus rapide les rend plus efficaces, plus petits et moins coûteux, avec pour résultat qu'ils sont beaucoup plus largement utilisés. Malheureusement, une commutation plus rapide entraîne une augmentation des émissions de bruit à des fréquences plus élevées, augmentant les possibilités d'interférence avec d'autres équipements (voir Figure 1).

Les systèmes et installations concernés ne sont pas seulement terrestres, car tous les nouveaux navires marins et sous-marins utilisent désormais exclusivement des technologies de motorisation électrique. Ils ont toujours d'énormes moteurs diesel marins, mais ils entraînent d'énormes générateurs d'électricité plutôt que d'être directement connectés à des hélices. Les automobiles électriques ont déjà fait leurs preuves et une industrie en pleine croissance, bien sûr, et des avions tout électriques sont sur la planche à dessin.

Un autre grand saut technologique dans les convertisseurs de puissance à découpage est en cours : le remplacement des IGBT et des PowerFET par des transistors à haute mobilité électronique (HEMT), généralement basés sur du nitrure de gallium, GaN, et par des PowerFET en carbure de silicium (SiC), qui peuvent commuter efficacement à dix fois (ou plus) des taux plus élevés, réduisant encore plus la taille et le coût.

Ce sont toutes de bonnes nouvelles pour améliorer l'efficacité énergétique, économiser sur les factures d'énergie tout en aidant à sauver la planète en réduisant les émissions de CO2. Mais cela s'accompagne de la grande pénalité CEM de niveaux plus élevés d'émissions de bruit à des fréquences plus élevées, comme l'illustre la figure 1.

Figure 1 : Exemple illustratif de spectres de bruit créés par des entraînements de moteur à vitesse variable et des équipements de convertisseur de puissance à découpage similaires avec des puissances nominales d'environ 100 kW, ayant différentes technologies de dispositifs de commutation de puissance

De nombreux convertisseurs à découpage de puissance plus élevée tels que les entraînements de moteur à vitesse variable sont fournis avec des instructions d'installation concernant la CEM, qui sont généralement assez bonnes. Cependant, mon expérience (et l'expérience d'autres dans le monde EMC) est que les vendeurs se font concurrence sur les prix en ignorant les exigences d'installation EMC des nouveaux systèmes d'entraînement de moteur pour aider à remporter des contrats avec des clients qui ne réalisent pas les risques EMI.

Personne ne veut investir dans la construction d'une nouvelle usine industrielle, d'une installation de recherche scientifique, d'une plate-forme pétrolière/gazière offshore, d'un système ferroviaire, d'un complexe de divertissement, d'un centre de données, d'un navire militaire, d'un bateau de croisière ou autre, pour constater qu'il ne peut pas fonctionner correctement en raison des EMI auto-générées ! Les pertes financières peuvent être assez impressionnantes, mais même elles peuvent être dépassées par le coût de la modification de l'usine, de la plate-forme, du navire, etc., pour qu'il fonctionne comme prévu.

Comme pour tous les autres problèmes CEM/EMI, il est beaucoup plus rentable et financièrement moins risqué de concevoir une bonne CEM dès le début de tout projet de construction moderne.

Tim Williams et moi avons co-écrit un livre sur EMC pour les systèmes et les installations en 2000 [1]. Il décrit des bâtiments et des sites, mais son matériel est facilement extensible pour couvrir les véhicules de tous types, terrestres, marins, sous-marins, aériens (voilure fixe ou giravion), spatiaux, etc.

Parmi de nombreuses autres questions, ce livre couvre la conception et la construction des différents types de systèmes/réseaux (appelés) "mise à la terre/mise à la terre" utilisés dans les grands systèmes et installations, notamment :

Cet article en deux parties fournit des informations sur ces "réseaux de mise à la terre" qui ne sont pas données dans le livre. Il montre comment et pourquoi, au cours des dernières décennies, ils ont dû passer de leurs schémas originaux de mise à la terre à point unique pour la sécurité à des structures maillées pour gérer de manière rentable la CEM afin de minimiser les coûts de production perdue et les temps d'arrêt dus aux EMI, y compris la foudre.

Les structures métalliques et autres structures conductrices dans les bâtiments et les véhicules, y compris tous les câblages et câbles, peuvent souffrir de courants de défaut causés par des défauts d'isolation dans leurs équipements d'alimentation électrique et leurs réseaux de distribution, et de courants transitoires de surtension causés par la foudre.

Lorsque des courants transitoires de défaut ou de surtension traversent les impédances de ces structures métalliques et d'autres conducteurs, ils créent de la chaleur et des différences de potentiel susceptibles de provoquer des brûlures et des risques d'électrocution pour les personnes.

Dans les atmosphères inflammables ou explosives, des températures élevées peuvent provoquer des incendies ou des explosions, tout comme les arcs ou les étincelles qui peuvent être créés lorsque des différences de potentiel apparaissent à travers les espaces.

Dans la terminologie des normes de sécurité CEI, un système de liaison équipotentielle de protection est la structure conductrice totale créée en interconnectant toutes les pièces métalliques "touchables" qui pourraient provoquer des décharges électriques aux personnes en raison de défauts d'isolation ou des effets indirects de la foudre2 (voir Figure 2).

Figure 2 : Schéma d'un système de liaison équipotentielle de protection très basique

« Touchable » signifie des pièces métalliques/conductrices qui sont à la portée simultanée de n'importe quelle partie du corps d'une personne. Cela comprend, par exemple, des armoires d'équipement ou d'autres structures conductrices de chaque côté d'une passerelle qui sont suffisamment proches pour être touchées par le bout des doigts des mains gauche et droite d'une personne en même temps.

"Équipotentiel" est généralement considéré comme signifiant - pour les environnements secs - que la différence de potentiel continue maximale n'est pas supérieure à 25 VCA rms à la fréquence d'alimentation secteur de 50 Hz ou 60 Hz, ou pas supérieure à 60 VCC. Des valeurs maximales plus élevées peuvent être autorisées pour les différences de potentiel à court terme et/ou les transitoires de surtension induits par la foudre.

Il est important de comprendre que les valeurs ci-dessus sont générales et que les valeurs réelles considérées comme suffisamment sûres peuvent varier d'une norme à l'autre et d'un pays à l'autre, et sont généralement spécifiées à des valeurs beaucoup plus basses lorsque les environnements peuvent être mouillés ou humides ou que la peau peut transpirer, car la résistance de la peau humaine est plus faible dans de telles situations.3

On oublie souvent que "touchable" comprend également les coques des connecteurs d'accouplement, et les câbles blindés qui s'étendent sur plusieurs mètres étendent efficacement la portée d'une personne de la longueur du câble ! Un de mes bons amis est tombé d'une très grande échelle lorsqu'il a déconnecté un câble audio d'un amplificateur monté au plafond dans un théâtre et - parce qu'une main était sur l'amplificateur et l'autre sur le connecteur métallique du câble déconnecté - a reçu un grave choc électrique. La chute lui a cassé la jambe et il a eu beaucoup de chance.

Les différences de potentiel maximales autorisées pour "l'équipotentialité" sont atteintes en garantissant des impédances suffisamment faibles dans tout un système de liaison équipotentielle de protection. L'impédance série (Z) d'un conducteur long (bien en dessous de sa première résonance quart d'onde) est :

Z = √[R2 + (2πf L)2]

Où:

R = résistance série en OhmsL = inductance série en Henries f = fréquence en Hertz

Pour 50 Hz et 60 Hz, l'impédance de la plupart des structures conductrices pratiques est dominée par le terme R dans l'équation ci-dessus. Cependant, la majeure partie de l'énergie des transitoires de foudre se situe dans la région du spectre jusqu'à 1 MHz, et au-dessus de quelques kHz, la plupart des Z des conducteurs sont dominés par le terme 2πf L. Ainsi, les impédances série des conducteurs ordinaires (par exemple celles utilisées pour la liaison des équipements dans les systèmes d'équipotentialité de protection) deviennent majoritairement inductives au-delà de quelques kHz, ce qui est important pour la protection contre la foudre (et pour la CEM, voir plus loin).

Les alimentations secteur sont toujours protégées par des dispositifs de protection contre les surintensités, tels que des fusibles. En cas de défaut d'isolation du système de liaison équipotentielle de protection, les courants de défaut résultants sont tellement supérieurs aux courants normaux du secteur que la protection contre les surintensités fonctionne pour couper l'alimentation du conducteur avec l'isolation défectueuse, généralement en 1 seconde.

Les structures métalliques et les conducteurs des systèmes de liaison équipotentielle de protection correctement conçus, construits et entretenus ont des résistances suffisamment faibles pour ne pas provoquer de chocs électriques. Cela signifie presque toujours que toutes leurs pièces constitutives ont une masse de conducteur et une section transversale (CSA) suffisantes pour garantir que, pendant le temps nécessaire à la protection contre les surintensités pour fonctionner et arrêter le courant provenant de la pièce ou du conducteur défectueux, aucune de leurs pièces ne s'échauffera suffisamment pour brûler la peau des personnes. Habituellement, la pire élévation de la température peut être ressentie par la main comme une légère augmentation au-dessus de la température ambiante.4

Les courants transitoires indirects de surtension peuvent atteindre 10 s de kA, mais leurs durées sont si courtes, à quelques microsecondes, que leur effet de chauffage dans les systèmes de liaison équipotentielle de protection correctement construits est également négligeable. Cependant, ce n'est pas nécessairement le cas pour les systèmes de protection contre la foudre (LPS).

Lorsque des atmosphères inflammables ou potentiellement explosives peuvent être présentes de manière permanente ou permanente, il existe des exigences supplémentaires en matière de "liaison équipotentielle" afin de réduire les différences de potentiel maximales entre les différentes pièces métalliques. Il ne s'agit pas de réduire les risques d'électrocution, mais de réduire le risque d'étincelles provoquant des risques d'incendie et d'explosion. Ceux-ci ne sont pas couverts ici, mais ils sont très bien spécifiés dans les normes pertinentes.

Pour les bâtiments terrestres, il est habituel de connecter cette structure de liaison interconnectée à des électrodes de terre (conducteurs enterrés dans le sol sous et/ou autour du bâtiment) créant ainsi un "système de liaison équipotentielle de protection mis à la terre". 5

Il est important de comprendre que la mise à la terre (c'est-à-dire la connexion à des électrodes de terre) n'est pas toujours nécessaire ou souhaitable pour se protéger contre les risques d'électrocution. Par exemple, même les véhicules équipés d'une distribution secteur 230V AC embarquée n'ont pas besoin de mise à la terre (au sens strict du terme) pour être en sécurité. Et essayer de leur fournir des connexions directes aux électrodes de terre ne serait pas très efficace !

En fait, la seule raison de connecter un système de liaison équipotentielle de protection au sol sous et/ou autour d'un bâtiment est que si des personnes entrent ou sortent d'un bâtiment au même moment qu'un coup de foudre à proximité du sol ou du bâtiment, la surtension transitoire qui se crée entre le bâtiment et son environnement (par exemple, les trottoirs, les routes, les marches, les escaliers, les portiques, etc.) n'est pas suffisamment élevée pour leur causer des blessures par choc électrique.6

Dans tous les équipements non médicaux conformes aux normes de sécurité CEI pour les alimentations secteur 230VAC rms, les cordons d'alimentation et les convertisseurs d'alimentation secteur sont à la fois isolés et isolés galvaniquement pour résister aux surtensions causées par des transitoires de foudre jusqu'à au moins 3kV rms, 4,24kV crête, répétés pendant de nombreuses années. (Les normes de sécurité des équipements médicaux exigent généralement des tensions de tenue plus élevées.)

Il y a très, très longtemps, les équipements électriques et électroniques n'étaient qu'un boîtier au bout d'un cordon d'alimentation. Pour de tels équipements, le système d'équipotentialité de protection, mis à la terre ou non selon qu'il était fixe ou mobile, était suffisant.

Cependant, les câbles de signal/données reliant différents équipements au sein d'une installation peuvent être longs, ce qui les expose à des différences de potentiel beaucoup plus importantes. Lorsque ces câbles ont commencé à être utilisés plus souvent pour interconnecter des équipements plus éloignés, le coût, la taille et le poids de leur isolation et de leur isolation aux mêmes niveaux que ceux utilisés pour les câbles secteur étaient considérés comme trop élevés. Ainsi, des réseaux de liaison (BN) ont été développés.

Le manque de fiabilité de l'électronique en raison des effets de la foudre (dans un rayon de 5 km environ !) Est, par exemple, la raison pour laquelle les émetteurs et récepteurs Ethernet utilisent toujours des transformateurs d'isolation de données - afin que les gens puissent facilement installer des Ethernets dans les bâtiments existants qui avaient des structures de liaison équipotentielle de protection comme celles illustrées à la figure 2 (longs fils de chaque pièce de métal jusqu'à une barre de liaison principale ou de mise à la terre). Ces types d'installations existantes souffraient d'impédances élevées supérieures à quelques kHz, les rendant incapables de contrôler les surtensions transitoires de foudre qui pouvaient survenir entre deux équipements connectés par un câble de signal/données.7

Il s'agit de la norme CEI pour une partie d'un système de liaison équipotentielle de protection qui utilise une liaison croisée supplémentaire de ses conducteurs et d'autres éléments métalliques pour réduire son impédance globale, de sorte que les amplitudes des surtensions transitoires pouvant survenir entre des équipements éloignés, causées par la foudre, sont suffisamment faibles pour permettre l'utilisation d'une isolation/isolation abordable sur les câbles de signal et de données (généralement, la moitié de la tension de crête requise pour l'isolation des alimentations secteur, et sans l'exigence d'isolation galvanique de l'alimentation secteur. )

Pour obtenir une impédance inductive suffisamment faible jusqu'à 1 MHz, il faut que les longueurs des conducteurs de liaison soient inférieures à un mètre. Cela ne peut pas être réalisé en s'appuyant sur les conducteurs de protection dans les câbles secteur de l'équipement, car les barres de liaison (ou de mise à la terre) principales auxquelles ces conducteurs se connectent finalement sont souvent à dix mètres ou plus, même dans un petit bâtiment comme une maison domestique. Dans un immeuble de bureaux ou une installation industrielle, les distances peuvent être de plusieurs dizaines de mètres.

Nous voyons parfois l'impédance des conducteurs aux fréquences associées aux événements de foudre appelés "impédance de surtension". Il s'agit d'un concept de domaine temporel basé sur les formes d'onde d'essai de surtension créées par des "générateurs d'onde combinés" tels que ceux spécifiés par la CEI 61000-4-5. Les impédances de surtension ne sont pas pertinentes pour la CEM à des fréquences supérieures à quelques MHz.

Les conducteurs de liaison croisée et autres travaux métalliques ont un effet important sur la réduction des impédances inductives dans un BN. Pour obtenir la meilleure protection aux coûts les plus bas, les conducteurs de liaison croisée doivent suivre les itinéraires (idéalement, être attachés) aux conducteurs de signal/données eux-mêmes, comme illustré à la Figure 3.

Figure 3 : Un croquis de deux réseaux de liaison (BN)

La CEI 61000-5-2 [3] appelle les conducteurs de liaison croisée qui suivent les itinéraires des câbles de signal/données des "conducteurs de mise à la terre de protection" (PEC) et décrit comment la charpente métallique existante, souvent appelée "ferronnerie naturelle", peut être utilisée pour réduire les coûts de leur mise en œuvre. Par exemple, dans les applications industrielles et commerciales, les câbles sont généralement supportés par des chemins de câbles et des conduits métalliques, qui peuvent être convertis en PEC très efficaces simplement en les reliant électriquement entre eux et aux châssis/châssis des différents équipements dont ils transportent les câbles.8

Habituellement, un BN comprend une seule pièce dans un bâtiment où il y a des câbles de signal/données qui doivent être protégés en raison de l'équipement électronique contenu dans cette pièce. Lorsqu'il y a deux BN individuels ou plus, ils sont interconnectés, au moins par des connexions individuelles à la barre de liaison principale, comme illustré à la figure 3. (Si la barre de liaison principale est utilisée pour connecter les BN directement à des électrodes de terre enfouies dans le sol sous et/ou autour du bâtiment, on l'appelle une "barre de mise à la terre principale".)

Une question qui se pose toujours est de savoir si les conducteurs de liaison croisée doivent être dimensionnés pour supporter les courants de défaut complets qui peuvent survenir en raison de défauts d'isolation dans les alimentations secteur 50 ou 60 Hz et les réseaux de distribution. La réponse est que, dans les cas où un système de liaison équipotentielle de protection est conforme aux exigences de sécurité modernes (et est maintenu de manière à assurer une conformité continue) de sorte que pendant de tels défauts, il ne surchauffe pas suffisamment pour subir des dommages, y compris à toute isolation, alors la liaison croisée n'aura pas à être conçue pour supporter les courants de défaut du secteur. Même les blindages de câbles reliés électriquement aux deux extrémités (seule façon de les blinder correctement contre les RF, voir [1], [3]) ne doivent pas être endommagés par un défaut secteur dans un système de sécurité de protection correctement relié.

Cependant, de nombreux systèmes de liaison équipotentielle de protection hérités pourraient ne pas répondre aux exigences de sécurité modernes sans modifications importantes et coûteuses, et certains propriétaires ou utilisateurs de bâtiments plus anciens sont connus pour utiliser une approche «il n'y a aucune preuve de problème» pour éviter de tels coûts.

Lorsqu'on me demande de travailler pour un tel propriétaire ou utilisateur, je recommande fortement de refuser le travail à moins que vous ne soyez autorisé (et payé !) à faire un « bon travail » en toute sécurité. Ne sous-estimez jamais la capacité d'un conseiller juridique à rejeter la responsabilité d'un incendie ou d'une électrocution coûteux ou mortel sur une personne autre que son client, allant même à l'encontre du bon sens que « tout le monde connaît ».9

Au fil du temps, les systèmes sont devenus plus grands, les variateurs de vitesse sont devenus plus grands et plus courants, et des systèmes de systèmes sont en cours de création, ce qui signifie que les câbles de signal/données doivent s'étendre sur deux BN ou plus (par exemple, réseaux informatiques, systèmes de contrôle d'éclairage, systèmes de climatisation, etc.). Ces BN doivent donc être croisés ensemble pour créer des BN plus grands, reliant finalement l'ensemble du bâtiment et créant un réseau de liaison commun, ou CBN.

Mais les CBN peuvent être coûteux à moderniser sur des bâtiments ou des véhicules hérités, c'est pourquoi le concept de BN a été développé pour créer l'IBN - réseau de liaison isolé. Nous en discuterons dans la partie 2 de cet article.

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Après avoir travaillé comme concepteur électronique, puis chef de projet et responsable du département de conception, Keith a lancé Cherry Clough Consultants en 1990 pour aider les entreprises à réduire les risques financiers et les délais de projet grâce à l'utilisation de bonnes pratiques d'ingénierie CEM éprouvées. Au cours des 20 dernières années, Keith a présenté de nombreux articles, démonstrations et formations sur les bonnes techniques d'ingénierie CEM et sur la CEM pour la sécurité fonctionnelle, dans le monde entier, et a également écrit de très nombreux articles sur ces sujets. Il préside le groupe de travail de l'IET sur la CEM pour la sécurité fonctionnelle et est l'expert nommé par le gouvernement britannique auprès des comités CEI travaillant sur 61000-1-2 (CEM et sécurité fonctionnelle), 60601-1-2 (CEM pour les dispositifs médicaux) et 61000-6-7 (norme générique sur la CEM et la sécurité fonctionnelle).

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