cours effets indirects des champs à 50 hz/60 hz · jusqu'à 50% (courbe c3) et au delà de...

1LILIEN Jean-Louis (BE), [email protected]

Cours effets indirects des champs à 50 Hz/60 Hz

Effets indirects des champs électrique et magnétique à 50 Hz

Août 2003, la ville de New-York : Black-Out au NE des USA : 50 millions de personnes privées d’électricité



unités

• Volt : unité de mesure de tension (V)• Ampère : unité de mesure de courant (A)• Tesla, Gauss : unité de mesure de champ

d’induction magnétique (1µT=10 mG)

• Valeur efficace : quand une grandeur est alternative on parle en valeur efficace = valeur de crête divisée par 1.4 (sinusoïdale)



symboles

. µ pour micro (x 1/1.000.000), ex : µT• m pour milli (x 1/1000) , ex : mV, mA• k pour kilo (x 1000), ex : kV• M pour Mega (x 1.000.000), ex : MHz• G pour Giga (x 1.000.000.000), ex : GHz



Les champs électromagnétiques

• Définition d’un champ• Champ électrique E (Volt/mètre)• Champ magnétique H (Ampère/mètre)• Champ d’induction magnétique B

(Teslas)• Par la suite on parlera beaucoup de B

qui sera nommé « champ magnétique » et exprimé en microteslas (µT)



Notion de champs E et B



Fréquence (Hz)

Ce cours : uniquement ELF (50 Hz)



Champs basses fréquences (ELF) =Radiation NON ionisante

• Une radiation non-ionisante est un terme utilisé pour la partie du spectre électromagnétique dans laquelle les énergies en causes sont insuffisantes pour ioniser la matière vivante.

• Sont non ionisantes les radiations liées à :• L’électricité de puissance

• Ondes radio, infra-rouge, visible



Champs naturels

• Terrestres : indispensables à la vie : la lumière avec un capteur de champ électromagnétique : l’œil,

• champ magnétique terrestre (30 à 60 µT, continu), éclair (10 µT à 1 km)

• champ électrique terrestre 100 V/m (10 kV/m en temps d’orage,continu)



Champs naturels

• Humains : champs endogènes (électro-cardiogramme, encéphalogramme)

• Onde gamma (30 à 100 Hz)• Onde alpha, beta, theta, delta (3 à 45

Hz)• Champ E endogène : 0.1 V/m



Champs artificiels

• Intentionnel : émission radio, TV, GSM (MHz, GHz)

• Non-intentionnel : ligne HT(50 Hz) , écran, appareillage ménager, caténaire chemin de fer.

• Exemple : Champ magnétique de 10 µT sous une ligne 400 kV, champ électrique de 5 kV/m au même endroit (50 Hz)

• Pour ces deux derniers : capteurs humains inconnus



50 Hz = ELF

• 0 to 300 Hz : extremely low frequency(ELF).

• Les champs électromagnétiques à très basses fréquences n’ont pas assez d’énergie pour endommager l’ADN située dans le noyau des cellules.



Les sources des champs à 50 Hz

• Transport et distribution de l’électricité :• En Belgique, réseau de transport à 400

kV and 150 kV, de distribution à 70 kV, 15 kV and 400 V.

• Réseau aérien et souterrain • Les installations domestiques,

industrielles et l’utilisation de celles-ci.



Allure du champ d’induction magnétique B en microteslas (cas Tihange-Avernas, 150 kV,

1300 A, deux ternes, SOUTERRAIN)

0

2

4

6

8

10

12

14

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

B-f

ield

(µT

)

Distance to the axis of the cables (m)

A

B

Horizontal disposal

A: 150 kV, 1100 AB :70 kV, 450 A



Allure du champ d’induction magnétique B en microteslas (AERIEN)

Magnetic fields in the 70 kV network

012345678

-30 -20 -10 0 10 20 30

Distance to the axis of the line (m)

µT

yearly mean 95% rated (0.9 kA)


0

2

4

6

8

10

12

-50 -25 0 25 50


µT

yearly mean 95% rated (1.1 kA)


05

10152025303540

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80


µTyearly mean 95%

rated (2.2 kA) max (calculated)

Yearly mean = moyenne annuelle (sur base statistique)95% = valeur pouvant s’observer 5% du temps

Rated = valeur nominale (dimensionnement)Max = valeur exceptionnelle en cas de détour-

nement de flux d’énergie suite à une per-te d’installation ailleurs dans le réseau.



Allure du champ d’induction magnétique B en microteslas (résidentiel)

Residential Magnetic field

0,001 0,01 0,1 1 10

Magnetic f ield (µT)

Rel

ativ

e nu

mbe

r of

Res

iden

ces



le risque électrocution COURBES de SECURITE

• effets du courant alternatif 15-100 Hz sur les adultes • (CEI 479-1)• Zone 1 : habituellement aucune réaction (moins de environ 0.5

mA)• Zone 2 : aucun effet physiopathologique dangereux (moins de

environ 6 mA)• Zone 3 : habituellement aucun dommage organique, possibilité

de contraction musculaire et difficulté de respiration, réversible (moins de environ 30 mA)

• Zone 4 : fibrillation ventriculaire probable (5% courbe C2, jusqu'à 50% (courbe C3) et au delà de 50% après C3. possibilité d’arrêt cardiaque, arrêt de la respiration, etc…(plus de 60 mA pendant plus de 200 ms ou plus de 400 mA en dessous de 200 ms)



Courbe de sécurité

30 mA



Tensions limites

• Ces différentes considérations ont permis d’établir les tensionslimites conventionnelles absolues UL et la tension limite conventionnelle relative UL(t) en fonction de l’état du corps humain (RGIE art. 31).

• La tension limite conventionnelle absolue UL est la valeur limite de la tension qui est considérée comme inoffensive, même lors d’un contact prolongé.

Etat du corps humain Tension limite conventionnelle absolue UL (V)

Courant alternatif Courant continu non lisse

Courant continu lisse

BB1 Peau sèche ou humide par sueur 50 75 120 BB2 Peau mouillée 25 36 60 BB3 Peau immergée dans l’eau 12 18 30



La perception du passage du courant dans le corps (mesures selon Leitgeb)

30 µA 3 mA

0.5 mA



Comparaison avec une loi normale



Tension de toucher



La tension de toucher et le courant de contact



Courant de contact



Résistance du corps humainLa résistance globale au passage du courant varie selon :

• - l'humidité au point de contact• - isolation électrique : représentée par vêtements, chaussures,

sols à moquette qui isole.• - la résistance du corps: le corps humain se comporte comme

un noyau conducteur (nerfs, vaisseaux, muscles), enveloppé d'une écorce isolante, la peau. La peau n'est isolante que si elle est sèche. Au-delà de 1000 volts il y a rupture électrique de la peau et donc baisse de la protection.

• La résistance du corps humain (ohm) est donnée par :

• où k = 87500, U en Volts et R en Ohm (Ω)UkR += 650



Résistance du corps humain

• elle décroît rapidement avec la tension appliquée, c’est la raison pour laquelle on tend à limiter cette valeur.

• Par exemple :• à 25 Volts, 4150 Ω soit environ 6 mA ; • à 250 Volts, 1000 Ω soit 250 mA• Donc danger de l'électrocution en salle de

bain où le sujet est en situation de résistance minimale.( sujet nu et mouillé)



Le risque résidentiel

RRUII

fRA +=−



Exemple dans une salle de bain

• bati = lessiveuse mise à a terre, puissance 3.5 kW, branché mono 230 V

• R1 = 15 ohms, R(terre) = 10 ohms, Rf(isolement) = 100000 ohms (fuite), R(homme) =1000 ohms(grosso modo en parallèle sur R(terre)

• I nominal = 15 A; I fuite (terre) = 2.3 mA• Voc = 23 mV; I contact = 23 microamp.



Prise de terre résidentielleordre de grandeur : 10-30 Ohms (terrain gras)



Réseau de terre

• Piquet vertical de diamètre d et enfoncé à une profondeur L dans un sol de résistivité ρ ( Ω.m) :

• Plaque circulaire enterrée mais proche du sol (diamètre D)

•

• (par exemple, un pied sur le sol peut être assimilé à une telle plaque de diamètre de 0.08 m et donc présente une résistance de 3 ρ [Ω] )

R= Lπρ

2 Ln ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

dL3 [Ω]

R = ρ/(4D) [Ω]



La protection résidentielle

– contre une surintensité trop longue : fusible (coupe-circuit)/disjoncteur

– contre un court-circuit : fusible/disjoncteur

– contre un défaut d’isolement : (disjoncteur) différentiel (30 mA pour salle eau)



La question d’aujourd’hui

• Au-delà de la sécurité contre l’électrocution, y-a-t-il un danger plus insidieux ?



L’être humain plongé dans un champ E (ELF)

• Déforme le champ électrique E créé par une source externe (qq kV/m).

• Ce faisant, il est parcouru par un courant de même fréquence (50 Hz), orienté dans le sens du champ E

• Le champ E est quasi-nul à l’intérieur du corps, de l’ordre du mV/m

E=10kV/m

E=1mV/m



Protection contre le champ électrique 50 Hz

• La protection contre un champ E externe : placer l’ »objet » à protéger dans une « cage de Faraday » (cage conductrice entourant l’ »objet »,

• Ex : un câble souterrain n’émet pas de E au dessus du sol. A l’intérieur d’un véhicule, d’un hangard métallique, on est protégé des champs E (ELF) externes



Allure du champ électrique sous une ligne



Mesure du champ électrique (uniforme et dans une direction donnée)

10 Hz-3 kHz

10 à 13000 V/m

Précision 5%

Échantillonage 15 kHz

Valeur efficace

Une seule composante à la fois

Champ E uniforme



L’être humain plongé dans un champ B(ELF)

• L’homme ne déforme pas(peu) le champ magnétique B créé par une source externe

• Est parcouru par un courant formant des boucles (à la même fréquence que B).



Allure du champ magnétique sous une ligne



Mesure du champ d’induction magnétique (3-D)

10 Hz-3 kHz

0,05 à 1500 µT

Précision 2%

Échantillonage 15 kHz

3 composantes (X,Y,Z)

polarisation

valeurs efficaces

harmoniques



Les limites de la littérature

• L’IRPA/INIRC choisit comme seuil la densité de courant induit de 10 mA/m2.

• NIEHS (1998) :« convincing evidence for causingeffects available for internal electric fieldstrengths greater than approximately

1 mV/m (50/60 Hz) » (= densité de courant de 0.1 mA/m2)



NIEHS writes :

• « Biological effects relevant to cancer have been reported in numerous wellprogrammed studies. Effects cites are increased cell proliferation, disruption ofsignal transduction patways andinhibition of differenciation. »

• Conclusion retenue dans le rapport final EMF RAPID (1999).



Champ électrique dans la moëlle induite par un courant de contact ou un champ externe

• Champ électrique (mV/m) dans la moëlleépinière d’un enfant (5 ans) parcouru par un courant de 10 micro-ampères (60 Hz) :

• Entrée du courant /valeur du champ E(mV/m)• Lower arm 51 • Lower leg 12• Whole body 5

Alors que un champ B externe de 1 microtesla donnerait une valeur < 0.01 mV/m



Mesuré à Liège (appartement récent)

• Tension mesurée entre prise de terre et robinet (multimètre Fluke, 10 MΩ) : 14,7 V (RMS 50 Hz)

• La mesure avec résistance de charge (1 kΩ à 100 kΩ) permet de trouver : RT= 52 MΩ

• Tension à vide réelle : 91 V• Courant de contact (1 kΩ) : 1,8 µA (50 fois

plus que celui induit par un champ B externe de 1 microtesla, selon Kavet)



Protection contrele champ magnétique à 50 Hz

• Très difficile, uniquement possible si on considère une liaison complète (somme des courants nulle). D’abord « compacter », « torsader » si possible.

• Atténuation par blindage cuivre ou aluminium (les courants induits s’opposent au champ initial)

• Atténuation par blindage ferromagnétique



Blindage



Blindage aluminium sur liaison triphasée(1300 A, 150 kV)



Conclusions

• Nous vivons dans une « soupe » électromagnétique (couvrant un spectre depuis le continu jusqu’à des MHz)

• L’électricité de puissance (50 Hz) est dans le bas de la gamme des fréquences(ELF)

• Les champs alternatifs induisent des courants dans toute structure conductrice (dont le corps humain)

• Vous êtes parcourus par du courant à toute fréquence dans votre vie quotidienne, notamment quand vous touchez une structure métallique mais pas seulement.



Conclusions (suite)

• Le courant induit augmente avec la fréquence et la valeur des champs

• Notre corps génère ses propres champs endogènes et réagit aux « agressions »

• En plus de l’électrocution, ne faut-il pas considérer d’autres risques à des niveaux de courant beaucoup plus faible (imperceptible) ?

• Soignons d’abord nos installations électriques!• Plus d’info sur www.bbemg.ulg.ac.be

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