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CEM et sécurité des installations : partie 2

Aug 19, 2023Aug 19, 2023

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

La première partie de cet article présentait les premiers systèmes de liaison équipotentielle/mise à la terre de protection, qui n'avaient d'exigences que pour la sécurité des personnes. Il a montré comment - à mesure que l'électronique devenait plus courante et plus interconnectée et que les moteurs à vitesse variable augmentaient de puissance - ces premières structures se sont développées en réseaux de liaison (BN) pour protéger l'électronique des dommages dus aux défauts d'isolation et aux surtensions de foudre. Les BN à l'échelle du site sont coûteux à créer, de sorte qu'à l'époque, il était courant de ne fournir des BN que pour les parties d'un site où l'équipement électronique était installé. Cela a conduit au développement du réseau de liaison isolé (IBN), où cette partie 2 reprend.

Réseaux de liaison isolés (IBN)

Un IBN est un BN qui est isolé du reste du système de liaison équipotentielle de protection, à l'exception d'un seul point de connexion (SPC) (voir Figure 1).

Figure 1 : Un croquis de deux réseaux de liaison isolés (IBN)

L'idée de l'IBN est que lorsque des courants de défaut ou de foudre se produisent dans le reste du bâtiment (ou du véhicule), leur isolation empêche ces courants de circuler à travers la belle faible impédance créée dans l'IBN, aidant à protéger l'équipement qu'il contient.

Les directives habituelles sont que - avec toutes ses alimentations électriques isolées au niveau de l'armoire ou des armoires de distribution de l'IBN et toutes les alimentations sans coupure (UPS) éteintes, puis son SPC temporairement déconnecté - un IBN doit être capable de supporter une tension d'au moins 10 kVDC par rapport au reste du système de liaison équipotentielle de protection du bâtiment pendant au moins une minute, sans aucun courant circulant dans des "chemins furtifs", y compris via des décharges corona, des arcs ou des étincelles, une fois que l'IBN les capacités parasites ont été chargées.

(Il va sans dire que si un IBN est construit dans un endroit où il pourrait y avoir une atmosphère potentiellement inflammable ou explosive, son isolation ne doit jamais être testée avec des tensions élevées comme décrit ci-dessus ! De plus, n'oubliez pas de reconnecter les SPC après des tests de résistance à la tension réussis, et ne reconnectez pas les alimentations secteur à tout équipement dans un IBN tant que son SPC n'a pas été correctement reconnecté.)

Ne comptez jamais sur la simple mise hors tension des éléments d'équipement d'un IBN individuellement avant de tester son isolement comme décrit brièvement ci-dessus. En effet, tous les équipements électroniques sont équipés de filtres EMI / RFI qui "fuient" des milliampères de courants vagabonds dans le conducteur de mise à la terre de protection de leurs câbles d'alimentation, et il ne faut pas beaucoup de ces éléments pour que ces courants de fuite s'accumulent à des niveaux mortels. Les filtres EMI des variateurs de vitesse (VSD) haute puissance et d'autres convertisseurs de puissance à découpage peuvent laisser échapper individuellement des centaines de mA, voire des ampères, dans leur terre de protection.

Ces filtres sont généralement montés avant l'interrupteur marche/arrêt du secteur, de sorte qu'ils restent sous tension et fuient le courant lorsque l'équipement a apparemment été éteint à l'aide de ses propres commandes. C'est pourquoi, avant de tester l'isolement de tension d'un IBN, toutes ses alimentations secteur (il peut y en avoir plusieurs) doivent être isolées au niveau de l'armoire ou des armoires de distribution d'alimentation de l'IBN et toutes les alimentations sans interruption (UPS) de l'IBN doivent être coupées.1

Auparavant, chaque bâtiment commercial ou industriel avait un responsable électrique dédié, un ingénieur électricien qualifié qui s'assurait que personne ne compromettait son système de liaison équipotentielle de protection ou ne faisait quoi que ce soit d'autre qui pourrait provoquer des incendies, des chocs, un manque de fiabilité, etc., et supervisait également toutes les mises à niveau et modifications. Ces professionnels compétents maintenaient les dessins électriques et les connaissaient comme leur poche.

Mais de nos jours, il est beaucoup plus courant de ne pas employer de responsable électrique. Au lieu de cela, des sous-traitants qualifiés sont embauchés lorsque des mises à niveau et des modifications sont effectuées, ou pour des inspections annuelles. Bien sûr, ils peuvent ne pas être familiers avec l'installation électrique d'un bâtiment particulier, ou son histoire. Et, si mon expérience est un guide, les propriétaires ou les exploitants du bâtiment peuvent ne pas s'être assurés que ses dessins électriques ont été tenus à jour, et peuvent même ne pas savoir où ils se trouvent, ou quel sous-traitant les avait en dernier !

Dans de telles situations, il est possible que des IBN très soigneusement conçus soient sérieusement compromis par des changements et des modifications effectués par des personnes qui ne sont pas conscientes de leur importance (ou même de leur existence). J'ai vu cela se produire même dans les grandes usines d'infrastructure nationale. Tout ce qu'il faut pour compromettre un IBN, c'est qu'une personne branche un câble Ethernet de son bureau à l'extérieur d'un IBN à un ordinateur à l'intérieur d'un IBN. Les conséquences pour les dommages matériels, et même pour les risques importants d'incendie et d'électrocution, en particulier pendant un orage, peuvent être très graves.

Ainsi, il est bon d'utiliser des CBN et de ne pas utiliser d'IBN à moins que le bâtiment ou le site ne soit supervisé 24/7/365 par des ingénieurs ou des techniciens électriciens compétents employés en permanence qui comprennent où se trouvent tous les IBN et comment (et pourquoi) les maintenir isolés. Ces ingénieurs ou techniciens doivent également approuver toute modification de tout câblage (même les câbles Ethernet) et superviser toute la maintenance.

Un CBN est un seul NE qui est « commun » à tout un bâtiment (voir la figure 2).

Figure 2 : Un croquis d'un réseau commun de liaison (CBN)

Le grand avantage d'un CBN est que les câbles de signal/données peuvent être acheminés n'importe où dans le bâtiment - idéalement attachés à des conducteurs de liaison/ferronnerie sur toute leur longueur pour les utiliser comme PEC - sans avoir à apporter de modifications à son système de liaison équipotentielle de protection. Cela rend l'ajout de nouveaux équipements à l'avenir facile à faire et relativement peu coûteux.

La discussion précédente n'a concerné que la sécurité humaine en ce qui concerne les risques d'électrocution et la protection de l'électronique contre les dommages causés par les surtensions transitoires causées (indirectement) par la foudre. Cependant, tous les éléments conducteurs se comportent comme des "antennes accidentelles".2 Cela signifie que pour une bonne CEM, tous les conducteurs et toutes les pièces métalliques - qui ne sont pas des pièces conductrices fonctionnelles dans les circuits électriques/électroniques, bien sûr - doivent être interconnectés de manière à faire partie intégrante de tout BN, IBN ou CBN - que ces conducteurs ou pièces métalliques aient quelque chose à voir avec la sécurité électrique ou non.

L'électronique informatique utilisait initialement des circuits fonctionnant à partir de rails d'alimentation 5VDC, et avec de tels signaux/données basse tension, les tensions "équipotentielles" considérées comme acceptables entre les points "touchables" pendant les défauts et les orages dans les systèmes de liaison équipotentielle de protection étaient beaucoup trop élevées. Mais le coût de l'installation d'une isolation / isolation correctement évaluée sur chaque câble de données, quelle que soit sa longueur, aurait été totalement ridicule.

Ainsi, lorsque des salles informatiques et des centraux téléphoniques numériques (appelés Central Offices aux États-Unis) ont commencé à être construits dans les années 1970, ils ont inventé des solutions beaucoup moins chères : MESH‑BN, ‑IBN et ‑CBN. Le mot MESH dans l'acronyme fait référence au fait que plusieurs liaisons croisées sont nécessaires pour réduire suffisamment les inductances dans les systèmes de liaison équipotentielle de protection pour réduire l'exposition de l'électronique numérique aux dommages causés par la foudre et (dans les années 1990, lorsque la directive CEM de l'Union européenne se profilait) pour aider à atteindre la CEM pour les systèmes et les installations.

Généralement, ces structures prennent la forme physique de « grilles » ou de « mailles » régulières de conducteurs de liaison – d'où leur nom (voir Figures 3 et 4).

Figure 3 : Un croquis de deux MESH‑BN

Figure 4 : Un schéma de deux MESH‑IBN

Initialement, ces structures conductrices maillées étaient appelées SRPP (pour System Reference Potential Planes), BM (pour Bonding Mats) ou une grande variété de jargons ou de termes propriétaires que l'on peut trouver dans les documents d'orientation d'installation de systèmes informatiques et de télécommunications des années 1970, 80 et 90.3

La figure 5 montre le type de conception de SRPP qui était souvent utilisé. Les conducteurs utilisés pour le maillage étaient généralement en cuivre de 6 mm de diamètre, soudés à leurs joints, mais certains préféraient utiliser un large "ruban éclair" en cuivre en raison de sa plus faible inductance et de sa facilité de raccordement à l'aide des pinces utilisées à cet effet lors de la construction des LPS. Certains installateurs de systèmes informatiques / de télécommunications ont utilisé de la «ferronnerie naturelle» au lieu d'installer un treillis de cuivre, soit en utilisant le cadre métallique qui supportait les carreaux de faux-plancher de l'ordinateur comme treillis, soit en interconnectant les dos métalliques des carreaux de sol de l'ordinateur. La figure 6 montre un développement propriétaire moderne de cette dernière approche.

Figure 5 : Exemple de construction d'une SRPP, à partir des années 1990

Figure 6 : Un système propriétaire pour la construction de SRPP utilisant les dalles de faux-plancher elles-mêmes

Au fil du temps, ces systèmes informatiques ont grandi pour occuper plus d'une salle, de sorte que les MESH-BN ou MESH-IBN individuels des salles ont dû être reliés par maillage pour réduire «l'impédance de surtension» des nouveaux BN ou IBN combinés en cours de création.

Rappelez-vous que lorsque l'expression Z = √[R2 + (2 L)2] a été introduite dans la partie 1 de cet article, j'ai mentionné que cela n'était pertinent que pour les conducteurs bien en dessous de leur première résonance quart d'onde. Nous devons maintenant corréler cela avec les dimensions du maillage.

La plupart de l'énergie de la foudre est contenue dans le spectre en dessous de 1 MHz, mais elle est toujours considérée comme ayant une quantité importante d'énergie jusqu'à 10 MHz. La longueur d'onde dans l'air de 10 MHz est de 30 mètres, ce qui rend sa première résonance quart d'onde de 7,5 m. Ainsi, une taille de maille de 5 m ou moins sur un côté (dans l'air) est considérée comme efficace contre toutes les fréquences de foudre, et plus la taille de maille est petite, plus son inductance entre deux points est faible et plus les surtensions transitoires qui peuvent survenir en raison des courants de foudre induits sont faibles.

Pour une bonne CEM, nous pouvons souhaiter que nos maillages soient plus petits, soit pour contrôler des fréquences supérieures à 10 MHz en raison de données informatiques plus rapides, soit pour fournir des impédances inférieures à 10 MHz en raison de VSD haute puissance. Par exemple, 30 MHz était un objectif commun dans les premiers systèmes informatiques et nécessitait des dimensions de maillage d'environ 600 mm sur un côté, comme le montre la figure 8. Les systèmes informatiques modernes peuvent nécessiter des maillages pour contrôler 100 MHz ou plus.

La technologie VSD qui était nouvelle au début des années 1990 pouvait exciter des résonances structurelles dans les installations jusqu'à quelques MHz, et cette fréquence n'a cessé d'augmenter avec le développement des dispositifs de commutation de puissance. Ces fréquences sont inférieures à celles utilisées par les données informatiques, mais en revanche, leurs niveaux sont beaucoup plus élevés, de sorte que le dimensionnement d'un maillage pourrait dépendre davantage des VSD utilisés sur le site que de ses ordinateurs. Ce problème deviendra beaucoup plus important à mesure que la prochaine génération de dispositifs de commutation de puissance remplacera les IGBT et les powerFETS au silicium au cours des années 2020.4

De toute évidence, pour pouvoir installer facilement et rapidement de nouveaux systèmes électroniques ou VSD de nos jours, il est utile de ne pas avoir à modifier au préalable la structure de liaison équipotentielle de protection d'un bâtiment (qu'il soit mis à la terre ou non à des piquets dans le sol) pour créer des MESH-BN, des IBN ou des CBN. La modification d'installations existantes pour créer des réseaux de liaison maillés pour de nouveaux équipements peut facilement coûter plus cher que le nouvel équipement lui-même ! Après tout, vous devez souvent découper des sols ou des murs pour atteindre les conducteurs qui doivent être maillés.

En outre, dans les applications industrielles, il a longtemps été simple d'utiliser des structures de support de câbles métalliques existantes et/ou des armures de câbles en tant que PEC. Mais cette astucieuse mesure d'économie est très vulnérable aux changements et modifications effectués par des personnes qui ne sont pas conscientes que ces structures métalliques ont une fonctionnalité autre que mécanique. La création d'un CBN bien maillé permet d'éviter les problèmes de manque de fiabilité et/ou de compatibilité électromagnétique survenant pour de telles raisons.

Ainsi, depuis le milieu des années 1990, la recommandation générale pour tous les systèmes ou installations est que les "nouvelles constructions" doivent installer les MESH-CBN dès le départ. Il est également généralement recommandé que les anciens bâtiments soient convertis en MESH-CBN dès que possible, généralement un processus graduel au fur et à mesure que de nouveaux équipements sont installés.

Ces recommandations sont appelées à devenir beaucoup plus importantes au cours des prochaines années, à mesure que la nouvelle génération de convertisseurs de puissance à découpage et de variateurs de vitesse basés sur les HEMT et les powerFETS SiC discutés dans la partie 1 de cet article devient facilement disponible dans les puissances nominales élevées.

La figure 7 montre un MESH‑CBN couvrant tout un étage d'un bâtiment, mais bien sûr, nous devrons peut-être les étendre en trois dimensions à d'autres étages également, et les figures 8 à 10 sont des copies des diapositives pertinentes de mon cours de formation sur la CEM pour les systèmes et les installations.5

Figure 7 : Croquis d'un MESH‑CBN

Figure 8 : Utilisation de ferronnerie « naturelle » dans un MESH‑CBN 3D à l'échelle du bâtiment

Figure 9 : Un croquis développé à partir d'une figure de la CEI 61000-5-2, montrant la liaison verticale entre les MESH‑CBN à différents étages d'un bâtiment

Figure 10 : Croquis de l'utilisation de ferronnerie « naturelle » pour lier verticalement les MESH‑CBN à différents étages d'un bâtiment

Et si des communications sans fil numériques haut débit à faible coût avaient été disponibles dans les années 1970 ? Même les systèmes cellulaires 3G auraient rendu les câbles de données inutiles à l'époque, rendant les BN, IBN et CBN inutiles. Au fur et à mesure que la complexité des systèmes électroniques augmentait, les communications de données sans fil auraient suivi le rythme, d'abord avec la 4G, puis la 5G.

Peut-être que lorsque la 5G sera mature et éprouvée pour être robuste dans les applications industrielles (malgré les niveaux élevés d'interférence souvent associés aux processus industriels), nous brancherons simplement des modems 5G sur des prises USB 3 pour transporter des Ethernets industriels, sans plus avoir besoin de câbles de données, donc plus besoin de coûteux MESH‑BN, ‑IBN ou ‑CBN. Des réseaux de liaison équipotentielle/mise à la terre de protection seraient toujours nécessaires pour la sécurité humaine, mais rien de plus complexe que les types originaux esquissés dans la figure 1 de la partie 1 de cet article - une grande réduction de l'utilisation de cuivre coûteux.

Une spéculation similaire concerne la fibre optique à faible coût. Si nous avions eu des fibres optiques modernes à faible coût fonctionnant à 25 Mb/s dans les années 1970, elles auraient été préférables aux câbles en cuivre (avec tous les problèmes de CEM créés par leurs comportements inévitables d'« antenne accidentelle »).

De nos jours, lorsque les gens me demandent de l'aide pour résoudre des problèmes d'interférence de données avec des câbles entre des équipements dans des systèmes/installations scientifiques/industriels, je leur recommande de plus en plus de remplacer leurs câbles de données en cuivre par des "modems" à fibre optique connectés par des câbles à fibre optique (sans métal). Le coût des systèmes à fibre optique est en baisse constante, et leurs débits de données augmentent régulièrement, et leur utilisation à la place des câbles en cuivre évite d'avoir à créer des MESH‑BN, ‑IBN ou ‑CBN.

Même si le coût d'une solution de fibre optique peut être de quelques centaines ou milliers de dollars américains, très peu de temps est nécessaire pour l'installation. Bien que la création d'un MESH-BN, MESH-IBN ou MESH-CBN puisse sembler moins coûteuse à première vue, elle coûtera presque certainement beaucoup plus globalement si l'on tient compte des coûts de main-d'œuvre, sans parler des coûts de la production perdue pendant que ces modifications intrusives sont entreprises.

De plus, alors que la solution à fibre optique est presque garantie de fonctionner du premier coup (personne ayant une réelle expérience ne garantit jamais quoi que ce soit en matière d'EMI !), la conversion d'une installation héritée en MESH‑BN, ‑IBN ou ‑CBN peut être un peu un pari. L'installation d'une liaison maillée dans les bâtiments existants demande beaucoup de travail et de temps, mais opter pour une option la moins coûteuse pourrait bien n'avoir qu'à tout recommencer ! Par exemple, la taille du maillage dépend de la faible valeur de l'impédance globale et de la fréquence la plus élevée qu'elle doit contrôler, et celles-ci ne sont souvent pas comprises aussi bien qu'elles pourraient l'être.

De plus, la structure maillée résultante sera-t-elle évolutive ou devra-t-elle être modifiée à nouveau lorsque l'équipement existant sera mis à niveau ou remplacé, ou lorsque de nouveaux équipements seront installés à proximité dans quelques années ? Même le remplacement d'un équipement défaillant par de nouvelles versions du même produit du même fabricant entraîne inévitablement des problèmes de bruit toujours croissants à des fréquences toujours plus élevées.

Ce problème survient parce que les nouvelles versions utilisent inévitablement des dispositifs de commutation de puissance plus récents et des microprocesseurs plus récents qui commutent plus rapidement - que nous le voulions ou que nous en ayons besoin, ou non ! Les semi-conducteurs d'origine, plus lents, ne sont tout simplement plus disponibles pour les fabricants, dont les produits ont donc tendance à devenir de plus en plus bruyants à des fréquences toujours plus élevées, même lorsqu'ils restent entièrement conformes aux normes d'émission applicables.

D'une manière générale, pour la meilleure CEM avec les coûts globaux les plus bas, maintenant et à l'avenir, les câbles en cuivre ne doivent être utilisés que pour l'alimentation CA ou CC (bien filtrée !). Et tous les signaux, données et commandes doivent utiliser soit des câbles à fibres optiques (sans métal), soit des liaisons de données sans fil éprouvées, robustes et fiables.

emcréseaux de mise à la terrekeith armstrongsécurité

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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