Schneider Electric Compatibilité Electromagnétique Manuel utilisateur

Collection Technique ..........................................................................
Cahier technique n° 149
La CEM : la compatibilité
électromagnétique
J. Delaballe
Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titres
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Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles
techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettent
également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les
installations, les systèmes et les équipements.
Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les
domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des
automatismes industriels.
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n° 149
La CEM : la compatibilité
électromagnétique
Jacques DELABALLE
Docteur de l’Université de Limoges en 1980, entre chez Merlin-Gerin
en 1986 après sept années passées chez Thomson.
Il est responsable des laboratoires CEM du centre d’essais de
Schneider Electric et membre du Comité 77 (Compatibilité
Electromagnétique) de la Commission Electrotechnique
Internationale (CEI).
CT 149(e) édition décembre 2001
Lexique
Compatibilité ElectroMagnétique, CEM
(abréviation) (VEI 161-01-07)
Aptitude d’un appareil ou d’un système à
fonctionner dans son environnement
électromagnétique, de façon satisfaisante et
sans produire lui-même des perturbations
électromagnétiques intolérables pour tout ce qui
se trouve dans cet environnement.
Perturbation (électromagnétique)
(VEI 161-01-05)
Phénomène électromagnétique susceptible de
créer des troubles de fonctionnement d’un
dispositif, d’un appareil ou d’un système, ou
d’affecter défavorablement la matière vivante ou
inerte.
Note : une perturbation électromagnétique peut
être un bruit, un signal non désiré ou une
modification du milieu de propagation lui-même.
Niveau de compatibilité (électromagnétique)
(VEI 161-03-10)
Niveau maximal spécifié de perturbations
électromagnétiques auquel on peut s’attendre
que soit soumis un dispositif, appareil ou
système fonctionnant dans des conditions
particulières.
Note : en pratique le niveau de compatibilité
électromagnétique n’est pas un niveau maximal
absolu mais peut être dépassé avec une faible
probabilité.
Niveau de perturbation
(non défini dans le VEI 161)
Valeur d’une perturbation électromagnétique de
forme donnée, mesurée dans des conditions
spécifiées.
Limite de perturbation
(VEI 161-03-08)
Niveau maximal, admissible des perturbations
électromagnétiques mesuré dans des conditions
spécifiées.
Niveau d’immunité
(VEI 161-03-14)
Niveau maximal d’une perturbation
électromagnétique de forme donnée agissant sur
un dispositif, appareil ou système particulier,
pour lequel celui-ci demeure capable de
fonctionner avec la qualité voulue.
Susceptibilité (électromagnétique)
(VEI 161-01-21)
Inaptitude d’un dispositif, d’un appareil ou d’un
système à fonctionner sans dégradation de
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.2
qualité en présence d’une perturbation
électromagnétique.
La figure 1 permet de situer les différents
termes ci-avant en terme de niveau.
Décibel
Unité de puissance sonore, aussi utilisée pour
exprimer des rapports d’amplitude selon la
relation :
X/Xo (dB @) = 20 . log10 X/Xo, avec
X = amplitude mesurée,
Xo = amplitude de référence,
@ = unité de mesure de X et Xo.
Quelques exemples sont donnés dans le tableau
suivant (cf. fig. 2 ).
Niveau
Susceptibilité des matériels
(distribution statistique)
Niveau d'immunité
(valeur d'essai spécifiée)
Niveau de compatibilité
(valeur conventionnelle)
Niveau d'émission
(distribution statistique)
Distribution statistique
fig. 1 : positionnement des niveaux en Compatibilité
électromagnétique.
Rapports des
amplitudes X/Xo
1
1,12
1,25
1,41
2
3,2
4
5
10
100
1000
dB
0
1
2
3
6
10
12
14
20
40
60
fig. 2 : rapports d'amplitude exprimés en dB.
La CEM : la compatibilité
électromagnétique
La CEM est prise en compte dès l'étude pour la fabrication des matériels
électrotechniques. Elle doit aussi être appliquée à leur mise en œuvre.
Ainsi, de l'architecte concepteur des bâtiments jusqu'aux câbleurs
d'armoires, sans oublier les ingénieurs d'études de réseaux et les
installateurs, tous sont concernés par cette discipline de « paix » ; discipline
ayant pour objectif de faire cohabiter en bonne harmonie des matériels
susceptibles d'être perturbés et/ou d'être émetteurs de perturbations.
Ce Cahier Technique, réalisé à partir d'une longue expérience acquise au
sein de Schneider Electric, présente les perturbations rencontrées et
quelques solutions pratiques.
Sommaire
1 Introduction
2 La source
3 Le couplage
4 La victime
5 L'installation
6 Normes, moyens d'essais et essais
1.1 La Compatibilité Electromagnétique - CEM - est un fait,
mais aussi une discipline
1.2 Aujourd'hui la CEM est indispensable
1.3 Sa théorie est complexe
2.1 Il est important de bien la connaître
2.2 Un exemple de sources permanentes de perturbations conduites
2.3 Un exemple de sources de perturbations rayonnées
3.1 Différents modes de couplage existent
3.2 Le couplage champ à câble, en mode commun ou différentiel
3.3 Le couplage par impédance commune
3.4 Le couplage câble à câble en mode différentiel ou diaphonie
4.1 Les défauts de fonctionnement
4.2 Des solutions
5.1 L'installation est un paramètre important dans la CEM globale
d'un système
5.2 A sa conception
5.3 A sa réalisation
5.4 Des exemples pratiques
6.1 Les normes
6.2 Les moyens d'essais
6.3 Les essais
7 Conclusion
Annexe 1 : Impédance d'un conducteur en haute fréquence
Annexe 2 : Les différentes parties d'un câble
Annexe 3 : Essais réalisés aux laboratoires CEM de Schneider Electric
Annexe 4 : Bibliographie
p. 4
p. 4
p. 5
p. 6
p. 7
p. 8
p. 10
p. 10
p. 12
p. 12
p. 14
p. 14
p. 17
p. 17
p. 18
p. 18
p. 20
p. 20
p. 21
p. 27
p. 28
p. 29
p. 30
p. 32
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.3
1 Introduction
1.1 La compatibilité électromagnétique - CEM - est un fait,
mais aussi une discipline
Elle est le fait, pour des équipements ou
systèmes, de supporter mutuellement leurs
effets électromagnétiques.
Selon le vocabulaire électrotechnique
international VEI 161-01-07, la CEM est la
capacité d’un dispositif, équipement ou système,
à fonctionner de manière satisfaisante dans son
environnement électromagnétique sans
introduire de perturbations intolérables pour quoi
que ce soit dans cet environnement.
Cette définition est également celle adoptée par
la norme NF C 15-100, chapitre 33.
Elle est maintenant une discipline, celle
d’améliorer la cohabitation entre des éléments
susceptibles d’émettre des perturbations
électromagnétiques et/ou d’y être sensibles.
1.2 Aujourd’hui la CEM est indispensable
De fait depuis toujours, tout appareil est soumis
à diverses perturbations électromagnétiques,
et tout appareil électrique en génère peu ou
prou.
phénomènes indésirables ; le brouillage des
ondes radio et les interférences des émissions
radioélectriques dans les systèmes de
contrôle-commande en sont deux exemples.
Ces perturbations sont générées de multiples
manières. A la base, leurs faits générateurs sont
principalement des variations brusques de
grandeurs électriques, tension ou courant.
Ces dernières années, plusieurs facteurs se sont
conjugués pour augmenter l’importance de la
CEM :
c les perturbations sont de plus en plus
importantes car U et I augmentent,
c les circuits électroniques sont de plus en plus
sensibles,
c les distances entre les circuits sensibles
(souvent électroniques) et les circuits
perturbateurs (de puissance), se réduisent.
Une présentation des perturbations électriques
les plus courantes (cf. fig. 3 ) dans le domaine
électrotechnique basse tension est faite dans le
Cahier Technique n° 141. Le Cahier Technique
n° 143 traite par ailleurs des perturbations dues
aux manœuvres de l’appareillage MT - Moyenne
Tension.
Ces perturbations peuvent se propager, par
conduction le long des fils et câbles, ou par
rayonnement sous forme d’ondes
électromagnétiques. Elles engendrent des
Classes
Energétiques
Types
Creux de tension
Fréquences moyennes
Harmoniques
Hautes fréquences
Surtensions
Pour développer ses nouveaux produits,
Schneider Electric a dû approfondir puis mettre
en application cette discipline qu’est la CEM. En
effet, dans l’appareillage électrique moderne se
côtoient étroitement courants faibles et courants
Décharges électrostatiques
Fig. 3 : les perturbations électriques les plus courantes.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.4
Origines
c Permutation de sources
c Court-circuit
c Démarrage de moteurs de forte puissance
c Systèmes à semi-conducteurs de puissance
c Fours à arc
c Coups de foudre directs ou indirects
c Manœuvres d'appareils de commande
c Coupure de courants de court-circuit par
des appareils de protection
Décharges de l'électricité statique accumulée
par une personne
forts, électronique de contrôle-commande et
électronique de puissance, électronique de
protection et appareillage électrique de
puissance.
La CEM est donc un critère fondamental à
prendre en compte dans toutes les phases de
développement et de fabrication des produits
(cf. fig. 4 ), mais aussi dans les phases
d’installation et de câblage.
La CEM est d’ailleurs maintenant prise en
compte dans les normes et devient une
contrainte législative.
L’expérience et les réalisations
de Schneider Electric ne se limitent pas à la
maîtrise du bon fonctionnement de tout système
électrique et/ou électronique dans un
environnement électromagnétique habituel : par
exemple, les équipements réalisés sont aussi
capables de résister à l’environnement
électromagnétique le plus contraignant, celui des
IEM - HA - Impulsions ElectroMagnétiques
d’origine nucléaire en Haute Altitude.
Pour cela, le durcissement, ou amélioration de la
tenue des systèmes soumis à des impulsions
électromagnétiques d’origine nucléaire,
nécessite la mise en œuvre des techniques les
plus performantes de la CEM.
Fig. 4 : un exemple d'application de la CEM : une
cellule MT « SM6 » intègre un disjoncteur qui coupe
des centaines d'ampères sous quelques dizaines de
kilovolts, et une unité programmable SEPAM de
protection et de contrôle-commande. L'ensemble doit
toujours être opérationnel, sans aléas.
1.3 Sa théorie est complexe
Toute approche de la CEM conduit à l’étude d’un
système à trois composantes :
c le générateur de perturbations ou source,
c la propagation ou couplage,
c et l’élément qui subit ou victime.
Bien que ces trois composantes ne soient pas
strictement indépendantes, dans la pratique elles
sont supposées comme telles.
A noter que l’installation qui sera abordée au
chapitre n° 5, a un rôle prépondérant dans la
propagation des perturbations.
Cette étude théorique est difficile, car elle
impose celle de la propagation des ondes
électromagnétiques régie par un ensemble
d’équations différentielles complexes : les
équations de Maxwell. Leur résolution n’est
généralement pas possible de façon exacte dans
des structures physiques réelles, et même avec
des moyens informatiques très performants, une
résolution numérique approchée est également
très difficile.
En pratique il faut donc traiter les problèmes de
compatibilité électromagnétique en faisant un
certain nombre d’hypothèses simplificatrices, en
utilisant des modèles, et surtout en ayant un
recours constant à l’expérimentation et à la
mesure.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.5
2 La source
2.1 Il est important de bien la connaître
La connaissance, ou plus exactement
l’identification et la mesure, des sources est
indispensable car elle permet d’arrêter le choix
des solutions à mettre en œuvre pour :
une décharge électrique qui peut pénétrer dans
l’appareil par conduction et par rayonnement, et
dont le temps de montée très court (quelques
nanosecondes) est très perturbateur.
c limiter leur perturbation (placer un bloc
antiparasite RC en parallèle sur la bobine CA, ou
une diode sur la bobine CC, d’un contacteur par
exemple),
Principales caractéristiques de ces
perturbations
c éviter les couplages (écarter deux éléments
difficilement compatibles par exemple),
c et insensibiliser les victimes potentielles
(utiliser des blindages par exemple).
Ses principales causes
Tout appareil ou phénomène physico-électrique
qui émet une perturbation électromagnétique,
par conduction ou par rayonnement, est qualifié
de source. Parmi les principales causes de
perturbations, il faut relever : la distribution
d’énergie électrique, les ondes hertziennes, les
décharges électrostatiques et la foudre.
c Dans la distribution d’énergie électrique un
grand nombre de perturbations proviennent de
manœuvres de fermeture et d’ouverture des
circuits :
v en basse tension, les ouvertures des circuits
inductifs comme les bobines de contacteurs, les
moteurs, les électrovannes… produisent aux
bornes des bobines des surtensions très élevées
et riches en hautes fréquences (quelques kV et
des dizaines, voire centaines de MHz),
v en moyenne et haute tension l’ouverture et la
fermeture des sectionneurs provoquent
l’apparition d’ondes à front très raide (quelques
nanosecondes). Ces ondes sont particulièrement
perturbantes pour les systèmes à
microprocesseur.
c Les ondes hertziennes provenant des
systèmes de télésurveillance, de télécommande,
radio communication, télévision, talkie-walkie…,
sont, pour certains équipements électroniques,
des sources de perturbation de l’ordre de
quelques volts par mètre. Tous ces émetteurs
sont de nos jours de plus en plus utilisés et
conduisent à durcir (protéger) ces équipements.
c Enfin, l’homme peut se charger
électrostatiquement ; par exemple en marchant
sur de la moquette.
Par temps froid et sec, son corps peut atteindre
un potentiel supérieur à 25 kV ! Tout contact
avec un équipement électronique provoque alors
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.6
Ces sources de perturbations peuvent être
intentionnelles (émetteur radio) ou non
intentionnelles (soudeuse). Mais d’une façon
générale elles se distinguent par les caractéristiques des perturbations qu’elles induisent :
v le spectre,
v la forme d’onde, ou le temps de montée, ou
l’enveloppe spectrale,
v l’amplitude,
v l’énergie.
c Le spectre, ou bande de fréquences couverte
par les perturbations peut être très étroit, cas
des radiotéléphones, ou au contraire large, four
à arc par exemple.
Les perturbations impulsionnelles ont en
particulier un spectre très large, pouvant aller
jusqu’à la centaine de MHz (cf. fig. 5 ). Nous
trouvons dans cette dernière catégorie essentiellement les perturbations ayant pour source :
v des décharges électrostatiques,
v le fonctionnement d’appareillage tels que
relais, sectionneurs, contacteurs, interrupteurs et
disjoncteurs, en BT et en MT/HT,
v et enfin dans un domaine plus « spécifique »
les Impulsions ElectroMagnétiques Nucléaires
(I.E.M.N.).
Les couplages étant directement fonction de la
fréquence, la représentation fréquentielle des
perturbations électromagnétiques est
couramment utilisée en CEM.
Cette représentation s’apparente, pour un
signal répétitif, à sa décomposition en série de
Fourier (comme une somme d’harmoniques).
c La forme d’onde est caractéristique de l’allure
temporelle de la perturbation, sinusoïdale
amortie ou bi-exponentielle par exemple. Elle
s’exprime sous la forme d’un temps de montée
tm, d’une fréquence équivalente à ce temps de
montée (0,35 / tm), ou simplement de la
fréquence de la perturbation si elle est à bande
étroite, ou enfin sous la forme d’une longueur
d’onde λ qui se ramène à la fréquence f par la
relation λ = c/f où c est la célérité de la lumière
(3.108 m.s-1).
c L’amplitude est la valeur maximale atteinte par
le signal, tension (volt), champ électrique
(volt/mètre),….
c L’énergie de la perturbation est l’intégrale de
sa puissance sur toute la durée de cette
perturbation (Joule).
Cas d’un signal radio
Densité
spectrale
Amplitude
de la
perturbation
0
Bande étroite
Temps
0
T
Fréquence
1/T
Cas d’un effet indirect de coup de foudre
Amplitude
de la
perturbation
Densité
spectrale
Bande large
0
tm
0
Temps
Fréquence
0,35 / tm
Fig. 5 : exemple de catactéristiques spectrales de perturbations.
2.2 Un exemple de sources permanentes de perturbations conduites
en électronique de puissance
En électronique de puissance, les sources de
perturbations sont principalement les transitoires
de tension, plus rarement de courant. La tension
peut varier de plusieurs centaines de volts en
quelques dizaines de nanosecondes, ce qui
représente des dV/dt supérieurs à 10+9 V/s. Par
exemple, la technique de découpage par
Modulation de Largeur d’Impulsions (MLI)
(cf. fig. 6 ) utilisée pour constituer une tension
sinusoïdale à partir d’une tension continue,
a)
b)
tm
td
Ucc
U
Ucc
Uca
t
be
ur
Co
e
nd
rtio
(po
a
de)
soï
u
n
si
Uc
t
Fig. 6 : une source de perturbations dans les équipements d'électronique de puissance : la technique de
découpage par modulation de largeur d'implusions.
a : principe,
b : une impulsion fortement agrandie, (échelle dilatée de t), la portion de sinusoïde est disproportionnée car elle
« s'étale » sur 20 ms ; tm ≈ 2 à 3 td (10 ns à 1 µs).
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.7
nécessite des variations de tension entre 0 et
Ucc (660 V en triphasé-redressé) avec des
temps très brefs de quelques nanosecondes à
microsecondes selon les technologies.
Ces variations brusques de tension engendrent
divers phénomènes perturbateurs, dont par
expérience le plus gênant est la circulation de
courant à travers toutes les capacités parasites.
En ne tenant compte que de la capacité parasite
Cp, le courant IMC = Cp.dV/dT.
Il suffit donc, avec les valeurs de fronts évoqués
précédemment, d’une capacité parasite de
100 pF pour générer des courants de plusieurs
centaines de mA. Ce courant perturbateur va
circuler dans le conducteur de référence de
tension de l’électronique (circuit 0 V) et peut
modifier des commandes (informations ou
ordres), se superposer à des mesures sensibles,
voire gêner d’autres exploitants en étant
réinjecté sur le réseau de distribution publique.
Prendre en compte ce type de phénomène, donc
maîtriser la CEM, pourrait consister à ralentir la
montée de la tension. Mais une telle solution
entraînerait une augmentation sensible des
pertes par commutation dans les transistors et
serait donc très défavorable du point de vue des
contraintes thermiques. Une autre manière
efficace de réduire ces courants est d’augmenter
l’impédance de mode commun (entre structures
et masse). Ainsi par exemple, pour le montage
des composants électroniques de puissance,
deux solutions sont couramment utilisées :
c soit laisser flottants (sans liaison électrique) les
radiateurs de refroidissement des composants
(cf. fig. 7 ), quand les règles de sécurité des
personnes le permettent,
c soit diminuer la capacité parasite entre le
composant et son radiateur, par l’utilisation d’un
isolant à constante diélectrique faible (cf. fig. 8 ).
Autant de précautions qui feront la différence
entre un convertisseur pollueur et un
convertisseur réinjectant sur le réseau des
perturbations minimales.
Il faut noter que l’électronique bas niveau du
convertisseur doit être, et est, protégée contre
les perturbations générées par ses propres
circuits de puissance.
La compréhension et la maîtrise du phénomène
à la source sont nécessaires pour une limitation
efficace et économique de l’émission conduite.
Il existe d’autres sources de perturbations
conduites, à occurrence faible telles que la
foudre et les surtensions de manœuvre ;
capables de générer des dV/dt et dI/dt
importants. Ces perturbations sont également
génératrices de champs rayonnés.
;;
;;
;;
;;
Isolant
Semi-conducteur
V
Radiateur
Cp
IMC
Masse
Fig. 7 : la capacité parasite du radiateur de
refroidissement des composants électroniques, un
élément pris en compte dans la conception des « bras
d'onduleur ».
Rondelle isolante
pour boîtier TO3
Mica
Plastique
Alumine
Epaisseur
(mm)
0,1
0,2
2
Capacité parasite
(pF)
160
95
22
Fig. 8 : capacités parasites typiques des principaux
isolants utilisés pour le montage des composants
électroniques.
2.3 Un exemple de sources de perturbations
rayonnées : la fermeture d’appareillage dans les
postes moyenne tension et très haute tension
L’environnement dans les postes,
particulièrement en moyenne tension et en très
haute tension, peut comporter des champs
électromagnétiques impulsionnels très intenses.
Certaines manœuvres d’appareillage génèrent
des variations de tension bien supérieures aux
tensions nominales en des temps extrêmement
courts. A la fermeture d’un interrupteur 24 kV par
exemple, les claquages dits de préamorçage
font varier la tension de plusieurs dizaines de kV
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.8
en quelques nanosecondes (10-9 s). Des
précisions sont apportées à ce sujet dans le
Cahier Technique n° 153 « Disjoncteurs au
SF6 Fluarc et protection des moteurs MT ».
Des mesures effectuées dans les laboratoires
Schneider ont montré qu’à un mètre d’une
cellule moyenne tension 24 kV en manœuvre,
des champs impulsionnels sinusoïdaux amortis
atteignent une valeur crête de 7,7 kV/m et une
fréquence de 80 MHz. Ces valeurs de champ
sont extrêmement importantes. A titre de
comparaison, un émetteur radio portatif de 1 W
(du type talkie-walkie) génère, à un mètre de son
antenne, des champs de l’ordre de 3 à 5 V/m.
Ces variations se propagent le long des
conducteurs, jeux de barres, câbles, lignes
aériennes. Etant données les fréquences mises
en jeu, autrement dit la rapidité du phénomène,
les structures conductrices (jeux de barres) sont
de véritables antennes rayonnantes.
Et les champs électromagnétiques qu’elles
génèrent ont des caractéristiques qui dépendent
fortement de l’environnement physique
notamment des enveloppes métalliques
(cloisonnements, cellules).
Dans les postes blindés très haute tension, les
champs électromagnétiques sont
particulièrement importants. Les postes blindés
isolés au SF6 sont à structure coaxiale, et
présentent donc une impédance caractéristique
a)
constante. Lors de brusques variations de
tension, il se crée alors à l’intérieur des
enveloppes métalliques tubulaires des
phénomènes d’ondes stationnaires. Celles-ci
sont dues aux réflexions sur les ruptures
d’impédances que représentent par exemple les
cônes de traversée de sortie du blindage.
L’amplitude et la durée du phénomène s’en
trouvent ainsi augmentées.
L’environnement électromagnétique de la
moyenne à la très haute tension demande donc
des études poussées de compatibilité
électromagnétique pour le développement,
l’installation des relayages et des dispositifs de
contrôle-commande. Ceci d’autant plus que les
perturbations rayonnées ne sont pas les seules
perturbations générées dans les postes qui sont
également sources des transitoires conduits de
tension évoqués au début de ce paragraphe
(cf. fig. 9 ).
b)
c)
Fig. 9 : trois exemples d’appareils à électronique
numérique développés par Schneider Electric et
conçus en tenant compte des études de CEM.
a : SEPAM, une unité de protection et contrôle intégrée
dans les équipements MT (marque Merlin Gerin) ;
b : une unité de protection et contrôle des disjoncteurs
de puissance BT Masterpact (marque Merlin Gerin) ;
c : un variateur de vitesse de type ATV (marque
Telemecanique).
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.9
3 Le couplage
3.1 Différents modes de couplage existent
Par couplage il faut comprendre liaison, passage
ou transmission des perturbations
électromagnétiques de la source vers la victime.
Le couplage est caractérisé par un cœfficient k f
dit de couplage, exprimé en dB (-75 dB par
exemple), pouvant être défini comme l’efficacité
de transmission d’une perturbation de la source à
la victime potentielle (k = 20 log A reçue/A émise,
avec A amplitude de la perturbation).
Définir ce coefficient est important dans la
connaissance de la CEM, car plus il est faible
(plus sa valeur absolue en décibel est
importante), plus la perturbation effectivement
reçue par la victime potentielle est faible, et
meilleure est la CEM.
Trois modes de couplage sont classiquement
distingués :
c le couplage champ à câble, en mode commun
ou différentiel,
c le couplage par impédance commune,
c le couplage câble à câble en mode différentiel
ou diaphonie.
3.2 Le couplage champ à câble, en mode commun ou différentiel
Un champ électromagnétique peut se coupler
sur toute structure filaire, donc tout câble, et
générer sur ces structures des tensions soit en
mode commun (par rapport à la masse), soit en
mode différentiel (entre fils), soit et d’ailleurs plus
généralement les deux. Ces couplages sont
appelés champ à câble, c’est l’effet d’antenne
des fileries, des pistes de circuits imprimés etc.
c Les couplages en mode commun sont donc
ceux qui mettent en œuvre des perturbations de
type tension ou courant de mode commun.
;;;;
;;;;
;;;;
;;;;
;;;;
;;;;
;;;;
;;;;
Une tension conduite de mode commun (VMC)
est une tension qui s’applique à l’ensemble des
conducteurs actifs. Elle est référencée par
rapport à la masse ou par rapport à la terre (cas
habituel en électrotechnique) : ainsi les essais
d’isolement de mode commun, des disjoncteurs
basse tension, se font entre toutes les phases
reliées et la terre.
Un courant de mode commun (IMC) est un
courant qui parcourt tous les conducteurs actifs
dans le même sens (cf fig. 10 ). Le courant
IMC
Cp
Générateur de
perturbations
PE
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
Cp
VMC
IMC
Fig. 10 : tension et courant de mode commun entre deux relais d'un caisson d'appareillage basse tension d'une
cellule moyenne tension.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.10
induit par un choc de foudre sur une ligne BT est
un courant de mode commun.
verrait en transitoire une tension induite en série
égale à 15 V.
c Les couplages de mode différentiel concernent
des tensions ou courants au sens classique du
terme, par exemple entre les deux phases d’un
disjoncteur ou entre les deux fils qui amènent un
signal de mesure à l’électronique.
Cette loi est considérée comme correcte tant
que la plus grande dimension de la boucle
n’excède pas un dixième de la longueur d’onde
de la perturbation.
Il faut rappeler ici, qu’une telle boucle
(cf. fig. 12 ) est vite réalisée dans le « caisson à
relayage » avec les fils vert-jaune lorsqu’ils sont
reliés en étoile à la masse.
Les équations qui régissent le couplage entre
un champ électromagnétique d’impédance
d’onde quelconque et une structure filaire, qui
peut elle aussi être quelconque, sont très
complexes.
Dans la plupart des cas, elles ne peuvent être
résolues ni analytiquement, ni même
numériquement.
Cependant l’un de ces couplages, simple et des
plus fréquents, peut s’exprimer de manière
analytique, il s’agit du couplage entre la
composante magnétique d’un champ
électromagnétique et une boucle de surface S
formée par des conducteurs (cf. fig. 11 ).
La composante magnétique H du champ induit
en série dans la boucle une tension égale à :
e = µ0 S dH/dt,
avec µ0 = la perméabilité du vide (4 π 10-7 H/m).
Ainsi, par exemple, dans un poste moyenne
tension, la boucle (d’un fil ou d’un câble) de
100 cm2 placée à 1 m d’une cellule (cf. fig. 12 ),
qui serait soumise à un champ impulsionnel de
5,5 kVeff/m (valeur mesurée en laboratoire) ,
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
E
Champ
électromagnétique
H
Surface soumise
au champ
électromagnétique
e
e = tension induite par le champ
électromagnétique
Fig. 11 : un exemple de couplage champ à câble de
mode différentiel.
0 volt
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
;;;
0 volt
Masse de la cellule
Fig. 12 : exemple de boucle de masse dans un caisson d'appareillage basse tension d'une cellule moyenne
tension.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.11
3.3 Le couplage par impédance commune
Circuit A d'alimentation
+
A
Z commune
I alimentation
+ I mesure
0 volt
M
entrée
Circuit B de mesure
Fig. 13 : les mesures effectuées par l'amplificateur opérationnel seront erronées car un courant perturbateur dans
le circuit A (d'alimentation) suffit pour créer dans le circuit B (de mesure) des tensions perturbatrices.
Comme son nom l’indique, le couplage par impédance commune résulte de la présence d’une
impédance commune à deux ou plusieurs circuits.
Cette impédance commune peut être la liaison de
masse, le réseau de terre, le réseau de distribution
d’énergie, le conducteur de retour de plusieurs
signaux dans une même liaison courant faible, etc.
Voici un exemple (cf. fig. 13 ) permettant de
comprendre toute l’importance de ce mode de
couplage : un courant perturbateur dans un circuit
A de l’ordre de la dizaine de mA suffit pour créer
dans un circuit B des tensions perturbatrices de
plusieurs volts. Le circuit de mesure devrait avoir
pour référence le point M et non le point A. Ceci
peut assurément être gênant avec des
électroniques à circuits intégrés travaillant sous
des tensions du même ordre de grandeur.
Dans cet exemple, l’impédance commune peut
être les quelques mètres d’un câble commun
aux deux circuits A et B.
La perturbation a alors une valeur Uc, telle que
Uc = Ia Zc, avec :
c Ia : courant perturbateur,
c Zc : impédance commune (cf. fig. 14 ).
La valeur de l’impédance commune est
généralement extrêmement faible en basse
fréquence. Pour un réseau de terre par exemple,
i1
Z1
i2
Zc
Z2
Uc
Ia = i1 + i2
E1
Circuit
alimentation
E2
Circuit
mesure
Fig. 14 : schéma d'impédance commune.
la sécurité impose des valeurs minimales de
section des conducteurs de protection en fonction
du régime du neutre. La valeur de l’impédance à
50 Hz entre deux points du réseau de masse est
donc toujours très inférieure à 1 Ω.
Mais il importe ici de considérer la valeur de
cette même impédance aux fréquences caractéristiques des phénomènes perturbateurs décrits
précédemment. Et la valeur de cette impédance
prend alors des valeurs beaucoup plus importantes, plusieurs kΩ voire plus (cf. annexe 1).
3.4 Le couplage câble à câble en mode différentiel ou diaphonie
La diaphonie est un mode de couplage qui se
rapproche du couplage champ à câble. Et, selon
qu’elle a pour origine une variation de tension ou
une variation de courant, elle est nommée
diaphonie capacitive ou diaphonie inductive.
Une variation brusque de tension entre un fil et
un plan de masse ou entre deux fils (cf. fig. 15 )
génère un champ qui peut être à faible distance,
moyennant certaines approximations, considéré
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.12
comme principalement électrique. Ce champ peut
se coupler dans une autre structure filaire qui lui
est parallèle. C’est la diaphonie capacitive.
De la même manière, une variation de courant
dans un fil ou câble génère un champ électromagnétique qui, moyennant les mêmes approximations, peut être considéré comme purement
magnétique. Ce champ peut alors se coupler
dans une paire et induit une tension
perturbatrice. C’est la diaphonie inductive
(cf. fig. 16 ).
En fait, diaphonie capacitive et diaphonie
inductive interviennent dès que des conducteurs
ont un cheminement parallèle et proche. Elles
sont donc susceptibles de s’appliquer dans tout
chemin de câbles ou goulotte, et tout particulièrement entre les câbles de puissance véhiculant
en mode différentiel des perturbations HF et les
paires de fils d’un réseau véhiculant des
signaux numériques. De plus, elles sont d’autant
plus efficaces que la longueur des fils circulant
parallèlement est grande, que l’écartement des
fils ou paires est faible, et que la fréquence des
phénomènes est élevée. Par exemple pour la
diaphonie capacitive et avec les notations de
la figure 15 , le coefficient de couplage, en
tension, s’exprime de la manière suivante :
 C12

j 2πf 

C
C
+
VN
20 
 12
=
V1


1
j 2πf + 

R
C
C
+
 ( 12
20 ) 
avec :
c V1, tension source,
c VN, tension perturbatrice induite par le
couplage,
c C12, capacité de transfert entre les deux fils,
proportionnelle à la longueur des fils et à un
coefficient approché égal à Log[1+(h/e)2] où h
est l’écartement entre les deux fils de la paire, et
e l’écartement entre les paires,
c C20, capacité de fuite entre les deux fils de la
paire perturbée,
c R, impédance de charge de la paire perturbée.
Dans cette formule le premier terme du
dénominateur est généralement négligeable par
rapport au deuxième terme. On peut donc écrire
en première approximation que :
C12
C12 + C20
VN
≈ 2πf
1
V1
R (C12 + C20 )
= 2πf R C12
= ω R C12
Pour fixer les idées, considérons deux paires de
fils cheminant parallèlement sur 10 m, avec
h = 1 cm, e = 2 cm et R = 1 kΩ. Le calcul donne
pour un signal à 1 MHz, un coefficient de
couplage de -22 dB soit :
VN
1
=
V1
12
C12
h
R
h
V1
e
C20
VN
Fig. 15 : une variation brusque de tension V1 entre
deux fils génère un champ qui, à faible distance, peut
être considéré comme principalement électrique, et
induire une tension VN dans une autre structure filaire
qui lui est parallèle ; ce mode de couplage est appelé
diaphonie capacitive.
Câble
(puissance)
H
e
I
Paire de fils
(bas niveau)
Fig. 16 : une variation de courant dans un câble
génère un champ électromagnétique qui, à faible
distance, peut être considéré comme purement
magnétique et induit alors une tension perturbatrice
dans des fils formant une boucle ; ce mode de
couplage est appelé diaphonie inductive.
Dans la réalité, les couplages capacitifs et
inductifs de ce type sont considérablement
réduits par l’utilisation de paires torsadées, voire
blindées.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.13
4 La victime
La victime, dans la trilogie source/couplage/
victime, représente tout matériel susceptible
d’être perturbé.
Il s’agit généralement d’un équipement
comprenant une partie électronique, qui
présente un dysfonctionnement dû à la présence
de perturbations électromagnétiques
généralement d'origine extérieure à
l'équipement.
4.1 Les défauts de fonctionnement
Ils sont classés en quatre types :
c permanent et mesurable,
c aléatoire non répétitif survenant lors de
l’apparition des perturbations,
c aléatoire non répétitif persistant après
l’apparition des perturbations,
c défaut permanent subi par l’équipement
(destruction de composant(s)).
Ces quatre types sont caractéristiques de la
durabilité d’un défaut, mais ils ne caractérisent
pas sa gravité.
La gravité d’un défaut est un critère dépendant
de la fonctionnalité, de la criticité de chaque
équipement.
Certains défauts peuvent être temporairement
acceptés, telle une perte momentanée
d’affichage ; d’autres sont inacceptables :
appareillage de sécurité ne remplissant plus sa
fonction.
De nombreuses dispositions constructives
permettent d’avoir à coûts réduits des matériels
présentant une bonne tenue aux perturbations
électromagnétiques. Ces précautions
concernent :
c la conception des circuits imprimés (leur
découpage fonctionnel, leur tracé, leur
connectique),
c le choix des composants électroniques,
c la réalisation des enveloppes,
c l’interconnexion des masses,
c le câblage.
Ces choix concernent de nombreux
intervenants, ils doivent donc être faits au stade
de l’étude pour éviter des surcoûts toujours
importants en cas de modifications en fin de
conception, voire après la mise sur le marché.
La mise en œuvre de toutes ces précautions
demande un savoir-faire qui dépasse les actions
de filtrage et de blindage, souvent préconisées
pour durcir un matériel après coup même si leur
efficacité n’est nullement remise en cause.
à leur proximité ; par exemple le regroupement
des circuits par type : numérique - analogique puissance, en fonction de leur susceptibilité
réduit leurs interférences.
4.2 Des solutions
La conception des circuits imprimés
Lors du dessin des cartes, un certain nombre de
règles sont à respecter. Ces règles concernent
le découpage fonctionnel des cartes et le tracé
des pistes.
Tout d’abord à l’implantation, il est déjà possible
de réduire les couplages entre composants dus
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.14
D'autre part le tracé des pistes (routage) sur un
circuit imprimé a une incidence importante sur la
susceptibilité d’une carte : le même schéma
électrique, implanté de différentes manières aura
une immunité aux perturbations pouvant varier
d’un facteur un à plusieurs dizaines. Par
exemple un tracé des circuits à l’anglaise
(cf. fig. 17 ) en retirant le minimum de cuivre
réduit leur rayonnement et leur sensibilité.
Le choix des composants électroniques
De nombreux composants permettent d’assurer
une protection efficace contre les perturbations
conduites. Le choix de ces composants est
guidé par la puissance des circuits à protéger
(alimentation, contrôle-commande,…), et en
fonction du type de perturbations. Ainsi, contre
les perturbations de mode commun sur un circuit
de puissance, un transformateur sera utilisé si
elles sont de basses fréquences (< 1 kHz), et un
filtre sera préféré pour les hautes fréquences.
Le tableau de la figure 18 donne une liste non
exhaustive de composants de protection. Tous
ne sont pas équivalents : un filtre ne protège pas
des surtensions, et un parasurtenseur n’élimine
pas les perturbations HF.
La réalisation des enveloppes
La réalisation d’une enveloppe conductrice
(blindage) autour des équipements sensibles est
un moyen de les protéger contre les champs
électro-magnétiques.
Pour une bonne efficacité, l'épaisseur du matériau
conducteur utilisé doit dépasser la valeur de son
épaisseur de peau aux fréquences perturbatrices
considérées (cf. fig. 19 ). Face à une perturbation,
très haute fréquence ou à un champ électrique, un
vernis conducteur peut être utilisé avec efficacité.
Mais seule une enveloppe en matériaux à forte
perméabilité permet d'arrêter les champs
magnétiques en BF.
0 volt
Tracé circuits fins
Tracé à l'anglaise
Tracé avec plan de masse
Fig. 17 : le tracé des circuits peut réduire la susceptibilité d'une carte : soit par minimisation des impédances (tracé
à l'anglaise), soit par réduction des couplages dus au champ électromagnétique (tracé avec plan de masse).
Types
Parasurtenseur
Composants
pour filtrage
Composants
pour blindage
Exemples
Eclateur, parafoudre, limiteur
Varistance, diode Zener
Transformateur, inductance,
condensateur, filtre
Grillage, plan de masse,câble
blindé, joint hyperfréquence,
doigt de contact
Applications
Installation, alimentation, contrôle-commande
Circuits électroniques
Alimentation, contrôle-commande
(installations et circuits électroniques)
Transmission d'information
(armoire en site perturbé)
Fig. 18 : liste de composants de protection.
Onde
incidente
Conductivité
σ ( Ω -1. m -1)
Absorption
Réflexion
Transmission
Epaisseur de l'enveloppe
Epaisseur de peau : δ =
2
µσω
1
2
Epaisseur
de tôle
Fig. 19 : phénomène écran d'une enveloppe métallique.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.15
L'interconnexion des masses
Dans ce domaine, la continuité électrique entre
les différentes parties du boîtier est extrêmement
importante. Leur connexion doit être réalisée
avec soin, par exemple en protégeant leurs
zones de contact de tout dépôt de peinture, mais
aussi en utilisant des tresses larges et courtes
(recherche d’une réduction maximale de leur
impédance).
Le câblage
De même, le blindage des câbles, parfois appelé
écran (cf. vocabulaire des câbliers), est une
extension de l’enveloppe conductrice réalisée
autour de l’équipement sensible. Il est donc relié
à celle-ci au plus court, et si possible sur toute
sa circonférence pour une protection contre des
perturbations de fréquences élevées.
Tout comme les couplages entre un champ
électromagnétique et une structure filaire
(cf. paragraphe 3), la théorie sur le blindage des
câbles, très complexe, est difficilement
abordable dans le cadre de ce document. Des
ouvrages de référence sont cités dans la
bibliographie.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.16
La prise en compte de toutes ces règles de
conception et de réalisation permet au produit ou
au système d’avoir une immunité aux
perturbations électromagnétiques suffisante
compte tenu du milieu dans lequel il est placé.
Cependant, cette immunité ne peut être validée
qu’expérimentalement par des mesures qui
permettent alors de quantifier l’efficacité des
différentes solutions. Ainsi par exemple, chez
Merlin Gerin, les différentes maquettes des
projets de déclencheurs électroniques des
disjoncteurs sont soumises à un ensemble
d’essais sévères, représentatifs des
perturbations maximales auxquelles pourront
être soumis ces déclencheurs.
L’objectif final de ces essais étant de vérifier que
le déclencheur n’engendre pas de
déclenchement intempestif et que le disjoncteur
ouvre bien, lorsqu’il le doit, dans le temps requis.
Les normes « produits » intègrent maintenant ces
contraintes, c'est le cas, par exemple des normes :
c CEI 60947-2, concernant les disjoncteurs
industriels,
c CEI 61131-2, relative aux automates
programmables.
5 L’installation
5.1 L’installation est un paramètre important dans la
CEM globale d’un système
Pour preuve, la norme NF C 15-100, norme
générale d’installation en BT, consacre à la
compatibilité électromagnétique un chapitre
complet, le chapitre 33.
Les deux chapitres précédents démontrent bien
l’importance que peut avoir l’installation dans les
phénomènes de CEM, et cela de par sa
conception comme de sa réalisation.
5.2 A sa conception
Lors des études et des implantations deux
facteurs peuvent tout particulièrement influencer
la CEM : le choix des matériels et leurs
dispositions relatives (cf. fig. 20 ).
Car le premier facteur concerne tout à la fois la
sélection des sources et des victimes : un
appareil choisi pour une fonction donnée peut
être plus ou moins générateur de perturbations
et/ou susceptible.
Par exemple, si deux appareils doivent fonctionner à proximité l’un de l’autre, ils devront :
c soit associer une source faiblement
perturbatrice et une victime « ordinaire »
(moyennement sensible),
c soit au contraire associer une source
« ordinaire » (moyennement perturbatrice) et
une victime peu sensible,
c ou du moins satisfaire à un compromis entre
ces deux extrêmes.
Et le second facteur directement dépendant du
premier consiste à positionner les matériels, déjà
définis et selon leurs caractéristiques relatives,
pour satisfaire aux besoins de CEM.
Il est aisé de comprendre que cette sélection
doit alors prendre en compte les coûts des
matériels, mais aussi ceux de leur mise en
œuvre.
Basse tension ˙ ateliers ¨
tableau de distribution
Laboratoire
Basse tension ˙ machines ¨
tableau avec transformateur
de s paration
Machines
souder
Fabrication
Poste de livraison MT/BT,
tableau g n ral basse tension
Service commercial
Service informatique
Basse tension ˙ bureaux ¨
tableau de distribution et
alimentation statique sans interruption
Fig. 20 : exemple d'une implantation d'équipements électriques tenant compte de la CEM.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.17
5.3 A sa réalisation
La mise en œuvre des différents éléments, d’une
installation électrique comme d’un équipement
électronique, obéit aux principes déjà énoncés
dans les chapitres précédents. Dans la pratique,
ce sont les différents modes de couplage
coexistant simultanément qui seront à étudier et
à réduire pour satisfaire aux objectifs de CEM.
Et pour cela différentes solutions ou techniques
devront être utilisées :
c le maillage des circuits et des réseaux de
masses et de terre,
c la séparation électrique des circuits,
c un câblage bien pensé.
5.4 Des exemples pratiques
Le maillage des circuits et des réseaux de
masses et de terre
Aujourd’hui, les équipements sont sensibles à
des énergies très faibles, ils contiennent des
électroniques sensibles aux hautes fréquences
et ils sont interconnectés. Les couplages par
impédance commune peuvent donc être
fréquents. Pour les éviter, un réseau de terre
aussi équipotentiel que possible, pour être plus
précis maillé, est indispensable.
Cette solution est l’une des premières
protections à prendre contre les perturbations.
Ainsi dans le réseau d’une usine, tous les câbles
de protection (PE) sont à interconnecter, à relier
aux structures métalliques existantes, comme le
prescrit la NF C 15-100 (cf. fig. 21 ).
De même, dans un équipement, toutes les
masses et carcasses d’appareillages sont à
relier au plus court avec des raccords (fils ou
tresses) peu impédants en HF, larges et courts,
à un réseau de masse maillé.
Le câblage d’une armoire électrique en est un
exemple type : toutes les masses sont à
interconnecter.
A ce sujet il faut noter un changement : le
principe des masses reliées en étoile, parfois
utilisé avec les équipements électroniques
analogiques sensibles à « la ronflette 50 Hz »,
est maintenant abandonné au profit des réseaux
maillés beaucoup plus efficaces contre les
perturbations pouvant affecter les dispositifs
numériques actuels, relais de protection et
systèmes de contrôle-commande.
La séparation électrique des circuits
Cette technique consiste à séparer les sources
d’énergie (habituellement 50 ou 60 Hz). Son but
est d’éviter la perturbation d’un équipement
sensible par les perturbations conduites
générées par d’autres équipements connectés à
la même source d’alimentation. Son principe : un
équipement sensible et un équipement
perturbateur ont deux alimentations séparées
par des impédances importantes aux fréquences
perturbatrices.
Les transformateurs (et non pas
autotransformateurs) sont des séparateurs
efficaces, particulièrement pour les basses
fréquences : transformateurs MT/BT,
transformateurs d’isolement, et tous les
transformateurs d’entrée sur les électroniques
sont des limiteurs de propagation des
perturbations conduites.
Il est parfois nécessaire d’implanter un filtre
séparateur pour éliminer les perturbations HF.
Si, de plus, l’équipement sensible nécessite une
alimentation secourue en cas de défaillance
M
PE
PE
Fig. 21 : les maillages des circuits et des réseaux de masses et de terre sont très souvent confondus dans les
armoires électriques.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.18
secteur, il pourra être alimenté par une
Alimentation Sans Interruption (ASI), dans la
mesure où cette ASI comporte le ou les
transformateurs d’isolement nécessaires.
Un câblage bien pensé
Enfin, les trois mécanismes de couplage décrits
précédemment seront limités si les chemins de
câblage sont réalisés selon les règles suivantes :
c Tous les circuits ne pouvant pas être séparés
les uns des autres pour des raisons
économiques évidentes, les câbles doivent être
regroupés par catégorie. Le cheminement des
diverses catégories sera physiquement séparé :
en particulier seront rassemblés les câbles de
puissance d’un côté, les câbles bas niveau
(téléphonie, contrôle-commande, …) de l’autre.
Si le nombre de tranchées, de chemins de
câbles ou de goulottes le permet, les câbles de
puissance, d’intensité dépassant quelques
ampères sous 230 V, et les câbles bas niveau
cheminent dans deux passages différents.
Sinon, une distance minimale est à respecter
entre les deux catégories, de l’ordre d’une
vingtaine de centimètres (cf. fig. 22 ). Entre ces
deux catégories sera soigneusement évité tout
élément commun.
Les circuits nécessitant des informations bas
niveau auront également, autant que faire se
peut, leur propre fil de retour (0 volt) pour éviter
les couplages par impédance commune. En
particulier, la plupart des systèmes de
communication par bus nécessitent une paire de
fils strictement et exclusivement réservée à
l’échange des informations.
c Dans tous les cas, la surface globale d’une
boucle, donc la distance entre un conducteur et
son retour, doit être minimisée. Pour la
transmission d’informations, le torsadage des
lignes permet encore de diminuer la
susceptibilité aux couplages de mode
différentiel. L’emploi de paires torsadées est
donc à privilégier devant celui de la simple paire.
c Les câbles de mesures, et de transmissions
d’informations à faible niveau, doivent être si
possible à écran et, sauf précision particulière du
fournisseur, leur écran est relié à la masse en un
maximum de points.
c Les goulottes support du cheminement des
câbles doivent être, dans la mesure du possible,
des goulottes métalliques. Ces goulottes sont
interconnectées entre elles avec un contact
électrique correct, par vis par exemple et
interconnectées avec le réseau maillé de masse.
c Les câbles les plus sensibles, ceux de mesure
par exemple, sont placés dans un angle. Ils
bénéficient ainsi d’une protection accrue contre
les rayonnements électromagnétiques. Leur
écran, s’il existe, est relié régulièrement à la
goulotte.
L’utilisation des canalisations préfabriquées dans
lesquels les câbles sont positionnés et
connectés correctement, comme les Canalis de
marque Télémécanique avec câble de
télécommande incorporé, est donc tout à fait
préconisée.
Toutes ces précautions de câblage, très
efficaces dans la prévention des problèmes de
CEM, sont d’un surcoût faible au stade de la
conception de l’installation. Des modifications
après coup, sur une installation déjà existante
avec des couplages électromagnétiques trop
forts, sont par contre d’un coût nettement plus
important.
Câbles de puissance
Conducteurs
de mesure
avec écran
Fils de
contrôle-commande
d
d
d = quelques centimètres
Fig. 22 : un exemple de cheminement de câbles.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.19
6 Normes, moyens d’essais et essais
6.1 Les normes
Depuis longtemps, des textes normatifs régissent
la compatibilité électromagnétique des matériels.
Les premières réglementations ont été édictées
par le Comité International Spécial des
Perturbations Radioélectriques (C.I.S.P.R.).
Elles limitaient essentiellement le pouvoir émissif
des différents appareils, principalement pour
protéger la transmission et la réception des
ondes radios.
Les comités nationaux, la Commission Electrotechnique Internationale (CEI) ont édicté des
textes normatifs couvrant l’ensemble de la CEM,
émission et immunité, dans le domaine civil.
Les textes normatifs militaires sur la CEM sont
rassemblés dans la GAM EG 13 en ce qui
concerne la France, et dans les normes
MIL-STD pour les Etats Unis.
Le fort développement de la compatibilité
électromagnétique et l’avènement de l’Europe
ont modifié le paysage normatif civil.
Sur ce sujet le Conseil des Communautés
Européennes a publié en mai 1989 une Directive
Européenne, référencée 89/336/CEE. Elle
concerne le rapprochement des législations des
états membres relatives à la compatibilité
électromagnétique.
En France, son application est rendue obligatoire
par le décret n° 92.587.
La Directive Européenne se préoccupe non seulement des limitations des perturbations à l’émission, mais également de la tenue minimale aux
perturbations électromagnétiques ou immunité.
Ainsi cette Directive se réfère à des normes qui
définissent des niveaux perturbateurs maximaux.
Des comités techniques, ont été créés par le
Comité Européen de Normalisation Electrotechnique (CENELEC). Ils ont rassemblé les normes
existantes qui correspondent à l'application de la
directive et rédigé celles qui faisaient défaut.
Les travaux du TC 210 se sont appuyés sur les
pratiques du milieu industriel.
Pour les mesures d’émission, les normes
allemandes VDE 871 et VDE 875 ont pendant un
temps fait référence sur le sujet. Les textes normatifs européens récents EN 55011, EN 55022,
s’imposent maintenant. La norme CEI 61000
(anciennement CEI 1000) est la référence concernant la CEM, elle comporte plusieurs parties :
c 61000-1 : Application - définitions,
c 61000-2 : Environnement - niveaux de
compatibilité,
c 61000-3 : Limite des perturbations,
c 61000-4 : Techniques d’essai et de mesure.
c 61000-5 : Guides d’installation et d’atténuation
c 61000-6 : Normes génériques
La partie 4 comporte de nombreuses sections
concernant les essais d’immunité, en particulier :
v 1 - généralités,
v 2 - décharges électrostatiques,
v 3 - champs radio-fréquence,
v 4 - transitoires électriques en salves,
v 5 - ondes de choc de foudre,
v 6 - perturbations conduites > 9 kHz,
v 7 - harmoniques,
v 8 - champs magnétiques 50 kHz,
v 9 - champs magnétiques impulsionnels,
v 10 - champs magnétiques oscillatoires amortis,
v 11 - creux de tension, coupures brèves et
variation de tension,
v 12 - ondes oscillatoires,
v 13 - harmoniques et interharmoniques,
v etc...
Elles correspondent bien aux perturbations
typiques du monde électrotechnique moderne.
Largement reconnues dans la communauté
internationale, ce sont celles que Schneider
applique pour ses produits. Le paragraphe
suivant présente plus en détail les essais
correspondant à ces textes normatifs.
6.2 Les moyens d'essais
Comme expliqué précédemment, le respect des
réglementations impose des mesures et des
essais, eux-mêmes définis par des normes.
De par son métier, la compatibilité
électromagnétique est depuis longtemps une
préoccupation majeure de Schneider Electric.
Des moyens importants, comme une cage de
Faraday, étaient utilisés dès les années 1970.
Le centre d'essais Schneider dispose depuis de
nombreuses années de deux laboratoires CEM.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.20
Ils sont les outils indispensables à la
capitalisation et à la diffusion de la compétence.
Ils sont prestataires de service pour des clients
extérieurs à l'entreprise.
Ainsi, ils réalisent des essais dans tous les
domaines de la CEM :
c décharges électrostatiques,
c immunité conduite et rayonnée,
c émission conduite et rayonnée.
concernent aussi bien les suivis d’étalonnage, le
raccordement aux étalons, que chaque type de
mesure lui-même. La liste des essais normatifs
que peuvent réaliser les laboratoires est en
annexe 3.
Concrétisant cette démarche Qualité :
c le laboratoire Grenoblois est accrédité par le
COFRAC (COmité FRançais d'ACcréditation),
c le laboratoire de Nanterre est accrédité par
l'ASEFA (Association des Stations d'Essais
Françaises d'Appareils électriques).
Comme toute mesure, les mesures de
compatibilité électromagnétique doivent être
reproductibles à la fois dans le temps et dans
l'espace, c'est-à-dire que deux mesures
effectuées dans deux laboratoires différents
doivent avoir les mêmes résultats.
Dans cette discipline, cela implique des moyens
très importants, donc des investissements substantiels, et une démarche Qualité rigoureuse.
La démarche Qualité des laboratoires CEM de
Schneider, s’appuie sur des manuels Qualité et
un ensemble de procédures. Ces procédures
6.3 Les essais
Décharges électrostatiques
Ces essais sont destinés à tester l’immunité des
cartes, équipements et systèmes aux décharges
électrostatiques.
Les décharges électrostatiques résultent des
charges accumulées par un individu, par
exemple en marchant sur un sol isolant. Quand
cet individu touche un matériel conducteur relié
par une impédance à la masse, il se décharge
brusquement à travers celui-ci. Plusieurs études
ont montré que la forme d’onde dépend des
caractéristiques de la source et des circuits de
décharge, mais aussi d’autres paramètres, humidité relative de l’air (cf. fig. 23 ), vitesse d’approche du corps chargé, ici la main de l’homme, etc.
Ces études ont débouché sur des essais de
décharges types. Ils sont réalisés à l’aide d’un
générateur (pistolet) qui simule l’homme, dans
des configurations déterminées (cf. fig. 24 ).
Les décharges sont appliquées sur toutes les
parties accessibles de l’appareil à contrôler, sur
son environnement immédiat, et sont répétées
un nombre de fois suffisant pour garantir une
tenue statistique. Ces mesures nécessitent donc
un stand approprié.
Tension
(kV)
16
15
14
Synthétique
13
12
11
10
9
8
7
6
5
Laine
4
3
2
Antistatique
1
0
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Humidité relative (%)
Fig. 23 : influence de l'humidité relative de l'air sur la
tension de décharge électrostatique en fonction du
revêtement de sol.
;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;;;;;;;;;;;;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
Plans conducteurs
Equipement sous test
Pistolet
Réseau
Table isolante
Résistances 470 k Ω
Plan de masse de référence
Isolant
;;;;
;
Alimentation
Fig. 24 : site d'essais de décharge électrostatique défini par la norme CEI 61000-4-2.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.21
Tous ces essais sont parfaitement définis par la
norme CEI 1000-4-2 avec les niveaux de
sévérité du tableau de la figure 25 .
Immunité conduite
Ces essais permettent de qualifier la tenue d’un
appareil aux perturbations amenées par le
câblage extérieur de cet appareil (entrées,
sorties, et alimentation). Comme il a été expliqué
précédemment ces perturbations sont différentes
suivant la nature, et l’installation des câbles.
Les signaux électromagnétiques ou transitoires
retenus dans ces essais ont pour
caractéristiques (amplitude, forme d’onde,
fréquence, …) des valeurs typiques.
Des mesures de perturbations effectuées sur de
nombreux sites ont permis de dégager
principalement trois essais types :
c Le premier essai, CEI 61000-4-4, est
caractéristique des perturbations induites par les
manœuvres d’appareillage de commande.
Il considère des transitoires électriques rapides
en salves. Ces salves se répètent à une
fréquence de 3 Hz. Chaque salve est constituée
d’une centaine de transitoires espacés d’environ
100 µs. Chaque transitoire a un front de montée
très raide, 5 ns, avec une amplitude de
plusieurs kV, variable suivant les sévérités
demandées (cf. fig. 26 et 27 ).
Tous les câbles peuvent être soumis à des
transitoires rapides. Ce type de perturbations se
couple en effet très facilement, par exemple par
diaphonie (cf. chapitre « Le couplage »), et il
suffit donc qu’un câble génère cette perturbation
pour que tous ceux circulant dans le même
chemin de câbles y soient soumis.
L’essai est donc fait sur tous les câbles : en
mode commun sur ceux où la perturbation est a
priori induite (en l’occurence les câbles autres
que l’alimentation), en mode commun et en
mode différentiel sur les câbles reliés au secteur.
Les perturbations sont injectées sur les câbles
testés soit par couplage capacitif direct dans le cas
Niveaux de
sévérité selon
la norme
1
2
3
4
x
Niveaux de
sévérité selon
la norme
1
2
3
4
Tension d'essai en kV
± 10 %
Décharge
Décharge
dans l'air
au contact
2
2
4
4
8
6
15
8
Fig. 25 : tensions de décharge électrostatique devant
être supportées par des matériels selon la
CEI 61000-4-2.
a)
u
15 ms
b)
u
5 ns
100 µs
Fig. 26 : allure des salves (a) et des transitoires
rapides qui les composent (b).
Tension d'essai appliquée (± 10 %) en kV sans altération du fonctionnement
(sortie en circuit ouvert)
Sur le circuit d'alimentation
Sur les lignes d'entrée et de sortie
(de signal, données, et commande)
0,5
0,25
1
0,5
2
1
4
2
spécial
spécial
Le niveau x est un niveau défini contractuellement entre un fabricant et son client.
Fig. 27 : tableau des niveaux de sévérité définis par la CEI 61000-4-4.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.22
t
300 ms
t
Fig. 28 : mesure de l'immunité aux transitoires rapides d'une centrale Isis (test 61000-4-4) dans une cage de
Faraday. Sur cette photo sont visibles : le générateur de perturbation manipulé par l'opérateur, la valise en bois
contenant la pince de couplage et la centrale Isis (à gauche) raccordée au réseau Batibus.
des alimentations, soit à l’aide d’une pince de
couplage, deux plaques métalliques enserrant
les câbles secondaires (cf. fig. 28 ). L’appareil
testé ne doit pas présenter de
dysfonctionnement pendant une durée
déterminée (1 mn).
Cet essai est le plus significatif de l’immunité
d’un équipement car les transitoires rapides sont
les plus fréquents.
c Le deuxième essai réalisé est caractéristique
des effets secondaires de la foudre. Il est
représentatif des perturbations conduites
circulant sur le réseau BT après un coup de
foudre sur une ligne (norme CEI 61000-4-5).
Ces perturbations sont caractérisées par une
énergie, aussi se traduisent-elles par :
v des ondes de tension 1,2 µs - 50 µs si
l’impédance présentée par l’appareil testé est
élevée, l’amplitude pouvant atteindre plusieurs
kV, voir figure 29 pour les tensions d’essai
préconisées par la norme.
v des ondes de courant 8 µs - 20 µs si cette
même impédance est faible, l’amplitude
atteignant alors plusieurs kA.
Le front de montée de ces perturbations est mille
fois plus long, de l’ordre de la microseconde, que
celui des transitoires rapides en salves
(cf. fig. 26). Le couplage d’essai est réalisé
capacitivement, en mode commun et en mode
différentiel avec des niveaux appropriés. Sa
procédure est semblable à celle de l’essai aux
transitoires rapides : l’appareil ne doit pas
présenter de dysfonctionnement.
Niveaux de sévérité
selon la norme
1
2
3
4
x
Tension d'essai de sortie
en circuit ouvert (kV)
0,5
1
2
4
spécial
x est un niveau défini contractuellement entre
un fabriquant et son client.
Fig. 29 : niveaux en fonction des sévérités définies par
la norme CEI 61000-4-5
(impédance du générateur = 2 Ω).
c Le troisième essai réalisé selon la norme
CEI 61000-4-6, se rapporte aux prescriptions
relatives à l'immunité des matériels aux
perturbations HF sur les câbles, dans la plage de
150 kHz À 80 MHz (voire 230 MHz).
Les sources de perturbations sont des
champs électromagnétiques qui peuvent
affecter la longueur totale des câbles raccordés
à ces matériels et y induire des tensions et
courants.
Au cours de l'essai, les perturbations sont
couplées aux câbles par l'intermédiaire de
Réseaux de Couplage-Découplage (RCD) dont
l'impédance en mode commun, égale à 150 Ω
représente l'impédance caractéristique de la
majorité des câbles. Toutefois, il faut noter qu'au
cours de l'essai, les perturbations ne sont
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.23
appliquées qu'à un câble à la fois, alors qu'en
réalité le champ électromagnétique illumine tous
les câbles connectés. Cela constitue une
différence notable à laquelle on ne peut pas
échapper. En effet, cela rendrait l'essai très
complexe et excessivement onéreux que de
coupler des signaux HF sur tous les câbles
simultanément.
Lorsque les RCD ne sont pas adaptés, par
exemple quand l'intensité du courant est trop
élevée, on utilise des pinces de couplage.
Les perturbations HF, préconisées par la norme
CEI 61000-4-6 ont des niveaux de 1, 3 ou
10 volts. Elles sont modulées en amplitude à
80 % par une onde sinusoïdale à 1 kHz.
Avant l'essai, le signal à injecter pour obtenir le
bon niveau de perturbation est calibré et
mémorisé, puis appliqué sur les câbles
normalement connectés au matériel en essais.
c Le quatrième essai consiste à effectuer des
interruptions brèves et/ou des creux de tension
sur les câbles d’alimentation des équipements
en essais. La norme CEI 61000-4-11 est la
publication fondamentale de référence.
Ces perturbations sont provoquées par des
défauts du réseau d’alimentation, de l’installation
ou par des changements brusques et importants
de la charge. Ces phénomènes, de nature
aléatoires, sont caractérisés en terme de
déviation à partir de la tension assignée et en
terme de durée.
Les niveaux des creux sont égaux à 30, 60 ou
100 % (coupure) de la tension assignée. Leurs
durées peuvent être comprises entre 0,5 et 50
périodes.
c Le cinquième essai est réalisé en conformité
avec la norme CEI 61000-4-12 qui définit deux
types d’ondes :
v les ondes sinusoïdales amorties (connues
également sous le nom de “ ring waves ”) qui
apparaissent de manière isolée sur les câbles
basse tension des réseaux publics ou privés
suite à des manœuvres,
v les ondes oscillatoires amorties qui se
présentent sous la forme de salves. Ces
dernières se manifestent généralement dans des
postes, des centrales, ou encore de grandes
installations industrielles, notamment suite à des
manœuvres de sectionneurs accompagnées de
réamorçages d’arc.
Les tensions et courants transitoires résultant de
ces manœuvres se caractérisent par une
fréquence d’oscillation qui dépend des temps de
propagation et de la longueur des jeux de barres
sur lesquels apparaissent ces ondes. Cette
fréquence varie entre 100 kHz et quelques MHz
pour des postes à haute tension ouverts, et peut
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.24
atteindre la dizaine de MHz, voire davantage,
pour des postes à haute tension blindés.
Au cours des essais, les ondes sont couplées
aux câbles par l’intermédiaire de réseaux de
couplage-découplage. Selon le mode d’injection,
l’amplitude des perturbations peut varier entre
0,25 et 4 kV. Les matériels dits “ de table ” sont
disposés sur un support isolant, alors que les
matériels “ de sol ” ou “ en armoires ” sont isolés
du plan de masse d’une distance de 0,1 m.
Immunité rayonnée
Les essais d'immunité rayonnée permettent de
garantir le bon fonctionnement des appareils
lorsqu’ils sont soumis à des champs
électromagnétiques.
Ces essais étant particulièrement sensibles à
l’environnement, les moyens et les compétences
à mettre en œuvre pour réaliser des mesures
fiables et reproductibles d'immunité rayonnée
sont importants.
Le milieu ambiant doit être suffisamment propre
pour ne pas être gêné par les ondes de toutes
façons existantes, car (comme évoqué au
chapitre « La source ») des champs
électromagnétiques entretenus de plusieurs V/m
sont fréquents, tels ceux générés par des
talkies-walkies, et des champs impulsionnels
d’amplitude plus élevée encore existent en
milieu industriel. Ces essais sont donc réalisés
dans des cages de Faraday dont les parois sont
recouvertes d’absorbants hyperfréquence. Ces
cages sont qualifiées d’anéchoïques lorsque
toutes les parois y compris le plancher sont
recouvertes, et de semi-anéchoïques lorsque le
plancher ne l’est pas.
Dans ces cages, les champs sont générés par
différentes antennes suivant les types de champ,
les gammes de fréquence et les polarisations
(cf. fig. 30 ci-contre). Ces antennes sont
alimentées à partir d’un générateur vobulé dont
le signal passe par un amplificateur de
puissance à large bande.
Les champs générés sont calibrés à l’aide de
capteurs isotropiques à large bande : le schéma
de la figure 31 ci-contre présente une
disposition typique de test.
Des normes précisent les limites de perturbations
acceptables, ainsi la norme CEI 61000-4-3
préconise des essais sur la bande de fréquences
80 MHz – 2000 MHz avec trois niveaux de
sévérité (1, 3, 10 V/m), et sur les bandes
800 MHz – 960 MHz et 1,4 GHz – 2 GHz avec
quatre niveaux de sévérité 1, 3, 10 et 30 V/m.
Des essais d’immunité au champ magnétique à
la fréquence du réseau sont également effectués
conformément à la norme CEI 61000-4-8. Ce
champ magnétique est engendré par le courant
circulant dans les câbles, ou plus rarement par
d’autres appareils situés à proximité, tel le flux
de fuites de transformateurs.
Les niveaux d’essais de champ permanent ont
des intensités comprises entre 1 et 100 A/m,
alors que ceux de champ de courte durée –de 1
à 3 s – ont des intensités de 300 ou 1000 A/m.
Le champ magnétique est obtenu par la
circulation d’un courant dans une bobine
d’induction. Il est appliqué au matériel en essai
selon la méthode par immersion, c’est à dire qu’il
est placé au centre de la bobine. Cet essai ne
doit être effectué que pour des matériels qui
contiennent des dispositifs sensibles au champ
magnétique (écrans cathodiques, capteurs à
effet Hall, …).
En ce qui concerne l'immunité en champ
électrique impulsionnel, tel que celui qui est
observé à proximité des ouvrages HT, il n’existe
pas de mesures normalisées.
Dans ce domaine, les matériels Schneider sont
donc testés suivant des procédures internes.
Fig. 30 : la cage de Faraday semi-anéchoïque et quelques antennes d'un laboratoire CEM de Schneider Electric.
Cage de Faraday
semi-anéchoïque
Réseau
Antenne
Filtre
Equipement
sous test
(victime)
1 kW
10 kHz
à
2 GHz
Amplificateur
large bande
Générateur
RF
Fig. 31 : disposition typique de test dans une cage de Faraday. Les mesures se font en deux étapes :
1 - calibrage du champ pour une gamme de fréquences donnée, en l'absence d'équipement,
2 - vérification de l'immunité de l'équipement.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.25
Emission conduite
Les mesures d’émission conduite quantifient le
niveau des perturbations réinjectées par l’appareil testé sur tous les câbles qui lui sont reliés. Le
niveau de ces perturbations dépend étroitement
de la charge haute fréquence qui est connectée
aux câbles, l’appareil en essai étant alors
considéré comme le générateur (cf fig. 32 ).
Pour effectuer des mesures reproductibles et en
particulier éviter les problèmes liés à l’impédance
caractéristique du réseau, les mesures
d’émission conduite sont réalisées à l’aide d’un
Réseau Stabilisateur d’Impédance de Ligne
(RSIL). Un appareil de mesure, en fait un
récepteur Haute Fréquence, est connecté à ce
RSIL, il permet de quantifier le niveau pour
chaque fréquence. Le niveau de perturbations
réinjectées ne doit pas excéder les limites fixées
par les normes, limites qui dépendent du type de
câbles et de l’environnement. Le relevé suivant
(cf. fig. 33 ) présente un résultat obtenu sur un
Cage de Faraday
semi-anéchoïque
Réseau stabilisateur
d'impédance de ligne
Equipement
sous test
(source)
Réseau
Filtre
Appareil
de mesure
Tension mesur e (dB V)
Fig. 32 : configuration de mesure d'émission conduite. L'EST - Equipement Sous Test - est considéré comme un
générateur, le RSIL comme une charge.
Capteur
: RSIL
Pas de pr ampli
R cepteur
: ESH3
D tecteur
: cr te
Bande passante
: 10 kHz
Pas lin aire
: .0050 MHz
Temps de mesure : .1000 s.
Limiteur d’impulsion
100
X : NFEN55022 A QC
80
Y : NFEN55022 A AV
60
40
20
0,34
0,73
Laboratoire CEM Schneider
1,1 1,5
5,4
9,2
13
30
Fr quence (MHz)
Fig. 33 : mesures des émissions radioélectriques d'une centrale de traitement de l'information d'un Tableau
Général Basse Tension - TGBT -.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.26
TGBT (Tableau Général Basse Tension) et sa
comparaison à la norme EN 55 022.
Emission rayonnée
Les mesures d’émission rayonnée quantifient le
niveau des perturbations émises par un appareil
sous forme d’ondes électromagnétiques.
Tout comme pour les essais d'immunité
rayonnée, les mesures d’émission rayonnée ne
doivent pas être altérées par les ondes déjà
existantes, CB, radio, etc. De même, ces
mesures ne doivent pas être modifiées par les
réflexions des ondes sur des obstacles
environnants. Ces deux contraintes sont
antinomiques et de ce fait coexistent deux
méthodes de mesure.
La première méthode consiste à se placer en
champ libre, plus précisément sans aucun
obstacle dans un périmètre donné : le milieu
ambiant est alors ce qu’il est.
La deuxième méthode consiste à se placer dans
une cage de Faraday ; les réflexions sur les
parois de la cage sont volontairement diminuées
par la présence d’absorbants hyperfréquence
(cf. fig. 30) : le milieu est alors parfaitement
maîtrisé.
Les laboratoires Schneider exploitent la
deuxième méthode. Elle a comme important
avantage de permettre l’automatisation de la
mesure, et de limiter le nombre de déplacements
d’un appareil, car les mesures d’émission et
d'immunité peuvent être réalisées sur le même
site moyennant quelques aménagements. Tout
comme pour l’émission conduite, les niveaux
d’émission rayonnée doivent être inférieurs à
des limites fixées par un cahier des charges ou
une norme.
Mesure de champ impulsionnel
Les essais normatifs permettent de mesurer
l’émis-sion et de tester l'immunité des appareils
ou systèmes aux principales perturbations
électroma-gnétiques rencontrées dans les
milieux industriels.
Cependant, l’environnement des matériels
développés par le Groupe Schneider présente
quelques caractéristiques encore mal prises en
compte par les textes normatifs.
Il n’existe pas encore, par exemple, de
procédures de test CEM spécifiques aux
matériels placés dans les postes moyenne
tension. C’est pourquoi Schneider a mené des
campagnes de mesure pour mieux connaître les
perturbations typiques dans l’environnement de
ses matériels, principalement la proximité
d’appareillage basse tension, moyenne tension
et très haute tension.
Dans une deuxième phase, des essais internes,
avec des moyens d’essais spécifiques, ont été
mis au point. Ils permettent de tester la
compatibilité électromagnétique des matériels
sans avoir à procéder à des essais en vrai
grandeur. Les essais sont ainsi mieux reproductibles et moins coûteux. Ils sont alors réalisés au
plus tôt dans la conception, ce qui permet d’optimiser les protections CEM au moindre coût.
7 Conclusion
L’introduction de l’électronique dans un grand
nombre d’applications, et notamment dans les
appareillages électrotechniques, oblige à
prendre en compte une contrainte nouvelle : la
compatibilité électromagnétique -CEM- . Assurer
un bon fonctionnement en milieu perturbé et ne
pas être eux–mêmes des perturbateurs sont des
impératifs de qualité de ces produits.
Ces deux impératifs nécessitent une
compréhension de phénomènes complexes, au
niveau de la source, des couplages, et au niveau
de la victime. Ils obligent à respecter un certain
nombre de règles dans la conception,
l’industrialisation et la réalisation des produits.
Le site et l’installation jouent également un grand
rôle dans la CEM. D’où la nécessité de penser
dès les premières études à la disposition
architecturale des éléments de puissance, aux
passages de câbles, aux blindages… Et, avec
des matériels ayant une bonne CEM, une
installation bien réalisée apporte des marges
importantes de compatibilité.
Seules des mesures nécessitant des compétences et des matériels sophistiqués permettent
de quantifier la CEM de différents matériels.
Le respect des normes permet ainsi l’assurance
du bon fonctionnement d’un appareil dans son
environnement électromagnétique.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.27
Annexe 1 : impédance d’un conducteur
en haute fréquence
Le niveau de CEM dans un équipement est
fonction des couplages entre les circuits, ces
couplages étant eux-mêmes directement
fonction des impédances entre ces circuits,
particulièrement en hautes fréquences. Pour
améliorer la CEM, il convient donc de connaître
puis réduire ces impédances.
Il existe un certain nombre de formules approchées permettant de déterminer l’impédance en
haute fréquence des principaux conducteurs
utilisés. Ces formules sont lourdes et leur précision n’est qu’illusoire si la position précise de
chaque élément n’est pas parfaitement définie.
Or qui connait la position exacte d’un fil par
rapport à un autre dans un chemin de câbles ?
En fait la réponse est donnée par l’expérience de
ces phénomènes jointe à la connaissances des
règles théoriques élémentaires de l’électricité.
Tout d’abord il est important d’avoir à l’esprit que
l’impédance d’un conducteur est principalement
fonction de sa partie selfique, prépondérante à
partir du kHz pour un câble standard. Ainsi, pour
un câble fictif infini dans l’air, sa valeur de self
inductance linéique varie de manière
logarithmique avec le diamètre, donc très
faiblement : pour des câbles dont la longueur
n’excède pas le quart de la longueur d’onde de
a)
la perturbation prise en compte, une valeur de
l’ordre du µH par mètre quel que soit le diamètre
peut être retenue (cf. fig. 34 ).
Si le câble est correctement plaqué sur un plan
conducteur, cette valeur est fortement diminuée.
Elle dépend alors de la distance entre le câble et
le plan. Des gains de 10 dB sur la valeur de la
self inductance sont ainsi facilement obtenus.
Aux plus hautes fréquences, ce câble doit être
considéré comme une ligne de transmission, et la
grandeur importante est alors son impédance
caractéristique (de l’ordre de la centaine d’ohms).
Avec ces considérations, une self inductance
commune de plusieurs µH est facilement atteinte,
avec quelques mètres de fil vert-jaune par
exemple. Ceci représente donc plusieurs ohms à
1 MHz, et plusieurs centaines d’ohms à 100 MHz.
En conclusion, le plan métallique conducteur
est le moyen de relier électriquement deux
points avec l’impédance la plus faible. Et ce,
quelle que soit son épaisseur dès lors qu’elle est
supérieure à l’épaisseur de peau (415 µm pour
le cuivre à 10 kHz).
Ainsi, une plaque de cuivre présente une self de
0,6 nH à 10 kHz, soit une impédance par carré
de 37 µΩ, (l'impédance reste la même quelle
que soit la surface du carré considéré).
b)
Z2
Z1
c)
d)
Z3
Z4
Fig. 34 : suivant les différents cas :
a : câble dans l'air (L ≈ 1 µH/m),
b : câble plaqué sur une surface métallique,
c : treillis métallique avec contact à chaque croisement (par exemple fer à béton soudé),
d : plan métallique,
et pour une même longueur, les impédances linéiques sont dans l'ordre Z1 > Z2 > Z3 > Z4.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.28
Annexe 2 : les différentes parties d’un câble
Les termes employés pour distinguer les
différentes parties d’un câble changent quelque
peu de signification selon la destination du câble
(câble de transport d’énergie, câble de transport
d’informations téléphoniques ou de
contrôle-commande), (cf fig. 35 ).
Les définitions notées en italique sont celles de
la CEI.
Armure : protection mécanique du câble,
généralement constituée de deux feuillards en
acier doux enroulés en hélice.
Pour les câbles destinés au transport
d’informations, elle peut également avoir un rôle
électrique, tenir lieu de blindage électrostatique
et plus souvent de blindage électromagnétique.
Blindage : synonyme d’écran, matériau élaboré
et destiné à réduire l’intensité de rayonnement
pénétrant dans une région.
L’armure ou l’écran d’un câble, qu’il soit destiné
au transport d’énergie ou d’informations, peuvent
constituer des blindages.
Ecran : dispositif utilisé pour réduire la
pénétration d’un champ dans une région
déterminée.
Plusieurs fonctions sont remplies par cet
élément :
c créer une surface équipotentielle autour de
l’isolant,
Exemple d’un câble téléphonique
Gaine (PVC)
Armure
(2 feuillards acier)
Gaine intérieure
(PVC)
Ecran métallisé
(aluminium)
Isolation (PVC)
c prévenir les effets des champs électriques
externes et internes,
c assurer l’écoulement du courant capacitif ainsi
que du courant de défaut terre (court-circuit
homopolaire),
c assurer la protection des personnes et du
matériel en cas de perforation. Pour cela il est
généralement métallique et continu (tube de
plomb, nappe ou tresse de fils, ou rubans posés
en hélice).
Pour les câbles véhicules d’informations, l’écran,
plus souvent appelé blindage, est constitué de
rubans ou nappes de fils, en cuivre ou en
aluminium, enroulés pour réaliser un blindage
contre les influences électriques et magnétiques.
Il peut être collectif, pour l’ensemble des
conducteurs composant le câble, lorsque les
influences perturbatrices sont extérieures.
Il peut être individuel, pour un certain nombre de
conducteurs du câble, afin de les protéger des
influences des autres conducteurs de ce même
câble.
Gaine : enveloppe ayant pour rôle d’assurer
l’étanchéité du câble.
Exemple d’un câble de transport d’énergie
moyenne tension
Gaine (PVC)
Armure
(2 feuillards acier)
Matelas (papier)
Ecran métallisé
(cuivre)
Ruban conducteur
Ame (fil de cuivre)
Gaine de bourrage
Ame
(fil de cuivre)
Isolation (PVC)
Fig. 35
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.29
Annexe 3 : essais réalisés par les laboratoires CEM
de Schneider Electric
Les laboratoires CEM de Schneider Electric ont
les compétences et le matériel nécessaires pour
réaliser des essais conformément à de
nombreuses normes ou des spécifications
particulières.
Le client, interne ou externe à l'entreprise, est
assisté s'il le souhaite par les spécialistes des
laboratoires dans la recherche des normes et
sévérités applicables à son matériel. Il lui
incombe aussi de définir quels sont les critères
fonctionnels d'acceptabilité, soit en référence
aux normes régissant son produit, soit à défaut
de normes selon les impératifs d'utilisation du
produit (sécurité, continuité de service,
confort …).
Il serait fastidieux de tous les citer, d'autant plus
que l’évolution du paysage normatif est très
rapide notamment concernant les normes de
produits. Nous indiquons ci-après les principaux
textes de référence pour la conduite des essais.
c CEI 61000-4-11 [= EN 61000-4-11
= NF EN 61000-4-11 (NF C 91-004-11)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 4-11 : techniques d’essai et de mesure essais d’immunité aux creux de tension, coupures
brèves et variations de tension
Essais normatifs
Immunité
c CEI 61000-4-2 [= EN 61000-4-2
= NF EN 61000-4-2 (NF C 91-004-2)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 4-2 : techniques d’essai et de mesure essai d’immunité aux décharges électrostatiques
c CEI 61000-4-3 [= EN 61000-4-3
= NF EN 61000-4-3 (NF C 91-004-3)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 4-3 : Techniques d’essai et de mesure essai d’immunité aux champs
électromagnétiques rayonnés aux fréquences
radioélectriques
c CEI 61000-4-4 [= EN 61000-4-4
= NF EN 61000-4-4 (NF C 91-004-4)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 4-4 : techniques d’essai et de mesure essais d’immunité aux transitoires électriques
rapides en salves
c CEI 61000-4-5 [= EN 61000-4-5
= NF EN 61000-4-5 (NF C 91-004-5)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 4-5 : techniques d’essai et de mesure essai d’immunité aux ondes de choc
c CEI 61000-4-6 [= EN 61000-4-6
= NF EN 61000-4-6 (NF C 91-004-6)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 4-6 : techniques d’essai et de mesure immunité aux perturbations condui-tes, induites
par les champs radioélectriques
c CEI 61000-4-8 [= EN 61000-4-8
= NF EN 61000-4-8 (NF C 91-004-8)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 4-8 : techniques d’essai et de mesure essai d’immunité au champ magnétique à la
fréquence du réseau
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.30
c CEI 61000-4-12 [=EN 61000-4-12
= NF EN 61000-4-12 (NF C 91-004-12)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 4-12 : Techniques d’essai et de mesure –
Essai d’immunité aux ondes oscillatoires
c CEI 61000-6-1 [=EN 61000-6-1
= NF EN 61000-6-1 (NF C 91-006-1)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 6-1 : Normes génériques –
Immunité pour les environnements résidentiels,
commerciaux et de l’industrie légère
c CEI 61000-6-2 [=EN 61000-6-2
= NF EN 61000-6-2 (NF C 91-006-2)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 6-2 : Normes génériques –
Immunité pour les environnements industriels
Emission
c CISPR 11
[= EN 55011 = NF EN 55011 (NF C 91-011)]
Limites et méthodes de mesure des caractéristiques de perturbations radioélectriques des
appareils industriels, scientifiques et médicaux
(ISM) à fréquence radioélectrique
c CISPR 14
[= EN 55014 = NF EN 55014 (NF C 91-014)]
Limites et méthodes de mesure des
perturbations radioélectriques produites par les
appareils électrodomestiques ou analogues
comportant des moteurs ou des dispositifs
thermiques, par les outils électriques et par les
appareils électriques analogues (partie émission
conduite)
c CISPR 22
[= EN 55022 = NF EN 55022 (NF C 91-022)]
Limites et méthodes de mesure des
caractéristiques de perturbations
radioélectriques produites par les appareils de
traitement de l’information
c CEI 61000-6-3
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 6 : Normes génériques
Section 3 : sur l'émission pour les
environnements résidentiels, commerciaux et de
l'industrie légère
c CEI 61000-6-4
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Partie 6 : Normes génériques
Section 4 : sur l'émission pour les
environnements industriels
c EN 50081-1
[= NF EN 50081-1 (NF C 91-081-1)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Norme générique émission
Partie 1 : résidentiel, commercial et industrie
légère
c EN 50081-2
[= NF EN 50081-2 (NF C 91-081-2)]
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Norme générique émission
Partie 2 : environnement industriel
Normes spécifiques
c Centres de télécommunications
I 12-10, 1993
éditée par le Comité des Spécifications des
Equipements (CSE) France Télécom.
Environnement électromagnétique des
équipements des centres.
(partie immunité aux perturbations rayonnées et
partie perturbations rayonnées et conduites)
c Militaires
GAM - EG -13
essais généraux en environnement des
matériels
fascicules 62 et 63
c MIL STD 461/462
Electromagnetic emission and susceptibility
requirements for the control of electromagnetic
interference
Essais hors normes
Dans le cadre de leurs possibilités et de leurs
compétences, les laboratoires peuvent effectuer
des essais conformément à d’autres textes.
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.31
Annexe 4 : bibliographie
Normes
c CEI 60364, NF C 15-100 : Installations
électriques à basse tension.
c CEI 61000-2 :
Compatibilité électromagnétique (CEM).
Partie 2 : Environnement.
Section 1 : Description de l’environnement Environnement électromagnétique pour les
perturbations conduites
Section 2 : niveaux de compatibilité pour les
perturbations conduites basse fréquence et la
transmission de signaux sur les réseaux publics
d’alimentation a basse tension
Partie 4 : Techniques d’essai et de mesure.
Partie 6 : Normes génériques.
c NF EN 55011, CISPR 11 (Comité International
Spécial des Perturbations Radioélectriques) :
Appareils industriels, scientifiques et médicaux
(ISM) à fréquence radioélectrique.
Caractéristiques de perturbations
radioélectriques. Limites et méthodes de
mesure.
c NF EN 55022, CISPR 22
Limites et méthodes de mesure des
caractéristiques de perturbations
radioélectriques produites par les appareils de
traitement de l’information.
Cahiers Techniques Schneider Electric
c Les perturbations électriques en BT
Cahier Technique n° 141
R. CALVAS
c Disjoncteurs au SF6 Fluarc et protection des
moteurs MT
Cahier Technique n° 143
J. HENNEBERT et D. GIBBS
c Coexistence courants forts - courants faibles
Cahier Technique n° 187
R. CALVAS et J. DELABALLE
Cahier Technique Schneider n° 149 / p.32
Publications diverses
c Compatibilité électromagnétique - bruits et
perturbations radioélectriques P. DEGAUQUE et J. HAMELIN
Dunod éditeur
c Compatibilité électromagnétique
M. IANOVICI et J.-J. MORF
Presses Polytechniques Romandes
c La compatibilité électromagnétique
A. KOUYOUMDJIAN, avec R. CALVAS et
J. DELABALLE
Institut Schneider Formation
Février 1996, réf. MD1CEM1F
c Les harmoniques et les installations
électriques
A. KOUYOUMDJIAN
Institut Schneider Formation
Avril 1998, réf. MD1HRM1F
c RGE n° 10 consacré à la compatibilité
électromagnétique
Novembre 1986.
XXXXX
Direction Scientifique et Technique,
Service Communication Technique
F-38050 Grenoble cedex 9
Télécopie : 33 (0)4 76 57 98 60
E-mail : [email protected]
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Réalisation : AXESS - Valence (26).
Edition : Schneider Electric
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