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RÉSUMÉ
Pour lutter contre les perturbations électromagnétiques des équipements, il est nécessaire de les relier au sol. Or connecter un équipement électronique au réseau de terre peut se faire soit en un point, soit à plusieurs points. Les situations sur le terrain étant très diverses, le choix de la stratégie de protection à adopter est capital. Cet article présente le principe de la ligne de terre et son rôle dans la sécurité électrique des équipements. Sont également détaillés ici les différents types de perturbations électromagnétiques provenant des réseaux de terre. De même, sont exposées les méthodes de connexion des câbles à la terre, en un ou deux points. Enfin, sont abordés les principes de propagation et sa modélisation à travers les lignes de transmission.
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Bernard DEMOULIN : Professeur émérite, Université Lille 1 - Groupe TELICE de l'IEMN, UMR CNRS 8520
INTRODUCTION
La question des protocoles de connexions d'une installation ou d'un équipement électronique aux réseaux de terre est souvent très controversée quant au choix de la stratégie de protection adoptée contre les perturbations électromagnétiques. En d'autres termes, faut-il connecter une installation et notamment un câble blindé en un seul point ou en plusieurs points à la terre ? Compte tenu de l'extrême diversité des situations rencontrées en pratique, ce texte complémentaire du dossier [D 1 320] consacré aux blindages électromagnétiques s'efforce sur la base d'exemples volontairement simples d'éclaircir cette difficile question.
Après un rappel des propriétés de la ligne de terre et de ses liens avec le réseau d'alimentation en énergie électrique, on aborde l'impact de différents types de perturbations produites par des champs magnétiques, des champs électriques et dans d'autres cas par des courants indésirables circulant dans le sol.
Afin de discerner beaucoup plus facilement l'effet des connexions de terre sur l'amplitude des tensions résiduelles collectées aux extrémités d'un câble blindé, les perturbations sont réduites à des sources ponctuelles animées de variations d'amplitude sinusoïdales fonction de la variable temps. L'usage de circuits électriques équivalents simplifie l'analyse physique dont on extrait quelques formules contenant les paramètres les plus influents du point de vue de la compatibilité électromagnétique. Cette approche est ensuite perfectionnée en tenant compte de la contribution des phénomènes de propagation.
L'usage de la réciprocité électromagnétique permet d'analyser le comportement de câbles blindés produisant l'émission de signaux résiduels.
Le rappel de quelques éléments sur la théorie des lignes de transmission devrait faciliter l'analyse de synthèse des circuits équivalents et de la prise en compte des phénomènes de propagation.
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Descriptions physiques des réseaux de terre
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1. Position des câbles blindés dans la topologie d'une installation électrique
La topologie d'une installation électrique concerne généralement la description de ses liens physiques matérialisés par des conducteurs actifs transportant des signaux électriques de toute nature auxquels s'ajoutent des conducteurs passifs incarnés par les blindages et les circuits de terre et de masse. Pour des raisons purement didactiques, on préfère souvent décrire des concepts topologiques empruntés à des exemples volontairement simplifiés. Tel est le cas de l'installation présentée figure 1 constituée d'un équipement électronique comprenant un transformateur T dont le secondaire est relié à l'entrée d'un amplificateur A par un câble bifilaire protégé par un blindage. Un capteur C délivrant des signaux de faible amplitude est relié au primaire du transformateur par un câble coaxial. Les éléments du schéma portés en traits fins vont donc constituer les voies de traitement et de transport des signaux utiles aux fonctions électroniques. À cet ensemble participe également l'alimentation en énergie de l'amplificateur par le réseau électrique E.
Le schéma en trait fin va donc composer la topologie fonctionnelle, alors que les éléments en traits forts englobent la topologie passive, c"est-à-dire les divers liens physiques matérialisés entre le blindage des câbles et le réseau de terre désigné présentement par les symboles 1a et 1b. Dans le contexte de cette installation, 1a représente la terre locale composée du plan de sol s'il s'agit d'un bâtiment, ou de la caisse métallique d'un véhicule pour les installations embarquées. La ligne de terre obligatoire sur la plupart des câbles d'alimentation en énergie est repérée par le symbole 1b. Comme l'exige la réglementation de sécurité électrique, 1b est mis en contact avec l'enveloppe métallique du boîtier contenant l'amplificateur.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Grounding of industrial and commercial power systems. - IEEE Green book, published by the Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE Std. 142ä, (revision of IEEE Std. 142-1991) (2007).
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(2) - VIJAYARAGHAVAN (G.), BROWN (M.), BARNES (M.) - Practical grounding, bonding, shielding and surge protection. - Edited by ELSEVIER, ISBN-13 : 978-0-7506-6399-1 (2004).
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(3) - RACHIDI (F.) - Immunité au rayonnement : analyse de couplage avec les câbles blindés. - Notes de cours de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (CH) (2004).
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(4) - BOURGEOIS (Y.), ZEDDAM (A.), REINEIX (A.) - Optimisation de la protection d'un câble de télécommunications enterré contre les effets directs et indirects de la foudre. - Colloque International en Langue Française sur la CEM, Paris, p. 234-235 (2008).
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(5) - KONÉ (L.), RAZZAFERSON (R.), DEMOULIN (B.), MOULIN (F.), GAUTHIER (F.), ZEDDAM (A.) - Analyses et mesures du rayonnement électromagnétique engendré par des communications haut débit transmises sur des lignes d'énergie. - Revue...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Grounding and bonding, advances in the telecommunications http://www.atis.org/peg/docs2000/treyfney.pdf
Mike Holt Enterprises http://www.mikeholt.com/Powerquality/Powerquality.htm
Dallas semiconductor Maxim http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN2045.pdf
AMP NETCONNECT http://www.ampnetconnect.com/documents/Grounding_and_Bonding_White_Paper_13Sep2006.pdf
Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Ground_(electricity)
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ITU-T (05-96), Bonding configurations and earth inside a telecommunications building. Standard on Telecommunications, Recommendation K.27 (Previously CCITT Recommendation)
NATO SDIP-27, NATO SDIP-29, TEMPEST Standards
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