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Mar 10, 2023

Les réglementations exigent une protection contre les surtensions pour les circuits de sécurité

Par Brent Purdy, PE, chef de produit, AutomationDirect Intégrer la sécurité est

Par Brent Purdy, PE, chef de produit, AutomationDirect

Intégrer la sécurité est une exigence fondamentale pour la conception de machines industrielles. Les pratiques et les systèmes sécuritaires sont le résultat d'une planification minutieuse, guidée par des codes et des spécifications détaillés qui sont continuellement mis à jour à mesure que la technologie s'améliore. Au cours des dernières années, la barre a été relevée à de nombreuses reprises, améliorant la sécurité de l'opérateur et la protection des machines. Un exemple récent concerne l'exigence supplémentaire de protection contre les surtensions pour les circuits de verrouillage de sécurité et les contrôleurs de pompe à incendie afin d'assurer la sécurité du personnel.

Les circuits d'arrêt d'urgence (e-stop) et de verrouillage de sécurité font depuis longtemps partie des codes applicables. Pour les machines industrielles et les systèmes associés, ces dispositifs de sécurité prennent la forme de boutons d'arrêt d'urgence, d'interrupteurs de fin de course de porte, d'interrupteurs de fin de course, de barrières immatérielles et d'autres composants, qui sont tous connectés directement à un relais ou à un contrôleur de sécurité pour interrompre l'alimentation. une machine en cas de problème. Par conséquent, les constructeurs de machines connaissent bien ces dispositions de sécurité et la nécessité d'intégrer ces fonctions de sécurité cruciales dans la conception des équipements.

Ces dernières années, l'accent a été mis sur la qualité de l'alimentation et la protection contre les surtensions dans l'ensemble de l'industrie, d'autant plus que les appareils électroniques sont plus couramment utilisés, même pour les applications critiques de processus et de sécurité. Si un circuit de verrouillage de sécurité de tout type tombe en panne en raison d'une surtension électrique, cela expose les opérateurs à un grand risque. Les nouveaux codes reconnaissent que les circuits de verrouillage de sécurité doivent bénéficier de la protection supplémentaire offerte par les dispositifs de suppression des surtensions. Cet article examine le contexte de l'exigence et comment se conformer aux codes mis à jour.

Plusieurs codes peuvent avoir un impact sur les constructeurs de machines. Aux États-Unis, les constructeurs de machines OEM (Original Equipment Manufacturer) connaissent mieux la norme NFPA (National Fire Protection Association) 70, également connue sous le nom de National Electrical Code (NEC). Les municipalités locales adoptent généralement les versions du NEC quelques années après leur publication, de sorte que les équipementiers doivent s'y conformer à ce moment-là. Il existe également la norme NFPA 79 avec des directives spécifiques pour les machines industrielles et d'autres normes de l'American National Standards Institute (ANSI), de la Commission électrotechnique internationale (IEC) et de l'Organisation internationale de normalisation (ISO).

Le principal élément d'intérêt ajouté à la révision 2017 du NEC 670.6 stipule que "les machines industrielles avec des circuits de verrouillage de sécurité doivent être équipées d'une protection contre les surtensions". NFPA 79 2018 a adopté les mêmes exigences en harmonie avec le NEC.

La raison en est que plus d'un quart des gestionnaires d'installations interrogés en 2013-2014 ont indiqué que leurs sites avaient subi des dommages aux circuits de verrouillage de sécurité attribuables à des surtensions électriques. Étant donné que la suppression des surtensions est une technologie bien comprise et rentable, il est logique de l'appliquer aux applications critiques.

Au-delà des exigences du code, il est recommandé et un investissement prudent d'incorporer une suppression de surtension pour toute application utilisant des composants électroniques à semi-conducteurs ou des microprocesseurs (Figure 1). Ceci est particulièrement important pour les systèmes installés dans n'importe quel type d'environnement industriel difficile, mais le fait est que n'importe quel endroit peut être soumis à une surtension électrique.

Figure 1 : Cette barrette d'alimentation commune montre les résultats d'un événement de surtension, mais tous les appareils utilisant de l'électronique à semi-conducteurs, même les appareils industriels robustes tels que les capteurs et les contrôleurs, sont susceptibles d'être endommagés par les surtensions électriques.

Tout appareil électrique est susceptible de tomber en panne s'il est soumis à une surtension électrique suffisamment importante, également appelée surtension transitoire ou pointe. Mais de nombreux composants électroniques et microprocesseurs à semi-conducteurs ont de petites connexions et des traces électriques, ce qui les rend plus délicats et sensibles aux surtensions que de simples dispositifs électromécaniques comme les interrupteurs de fin de course et les relais.

De nombreuses options de dispositifs de verrouillage de sécurité sont désormais disponibles, telles que des interrupteurs sans contact codés et des barrières immatérielles, qui intègrent des éléments électroniques. Ces composants avancés peuvent offrir une sécurité accrue en étant difficiles à contourner et en détectant la présence de l'opérateur avant qu'une personne ne s'approche d'une zone dangereuse.

La clé de voûte de tout système de sécurité, qu'il s'agisse d'une machine ou d'un processus plus important, est le relais, le contrôleur de sécurité ou l'automate programmable (PLC) fonctionnant pour interrompre l'alimentation lorsque le circuit de sécurité est interrompu. Ces dispositifs surveillent en permanence les signaux de sécurité et exécutent les fonctions de verrouillage critiques, et bien qu'ils soient conçus et testés pour le service de sécurité, il est possible qu'ils soient endommagés par des surtensions électriques. Par conséquent, ils fonctionneront de manière encore plus fiable lorsqu'ils sont protégés par des dispositifs de suppression des surtensions. Le câblage de signal associé aux circuits de sécurité est souvent acheminé dans la majeure partie d'une machine ou d'une installation plus grande, ce qui rend le système de sécurité encore plus exposé et vulnérable aux surtensions transitoires.

Les circuits de verrouillage de sécurité ne sont pas les seuls systèmes touchés par les modifications du Code. Dans la révision 2014 du NEC, les systèmes d'urgence pour les tableaux de distribution et les panneaux de distribution d'énergie avaient une exigence de protection contre les surtensions ajoutée.

Maintenant, pour 2017, NEC 695.15 étend cette protection requise aux contrôleurs de pompe à incendie. Le NEC se concentre sur la protection des personnes et des biens contre les risques électriques, principalement les incendies. Par conséquent, les pompes à incendie utilisées pour lutter contre les incendies font l'objet d'une attention particulière.

L'électronique à semi-conducteurs et les microprocesseurs jouent un rôle de premier plan dans l'automatisation des sous-systèmes d'infrastructure critiques tels que les appareillages de commutation et les pompes à incendie. Comme dans d'autres domaines du domaine de la sécurité et du contrôle industriels, le contrôle des infrastructures critiques peut bénéficier des performances et des capacités du contrôle à base de microprocesseur, mais par nature, ces contrôleurs sont sensibles aux surtensions.

Sur la base des résultats de l'enquête NFPA, plus de 10 % des participants en 2013-2014 ont signalé une certaine forme de dommages au contrôleur de pompe à incendie en raison de problèmes de surtension électrique. Cela soulève une préoccupation suffisamment importante pour rendre obligatoire l'inclusion d'une suppression des surtensions pour ces systèmes afin de réduire les risques de dommages.

La principale méthode de protection des équipements contre les surtensions électriques consiste à connecter des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) correctement dimensionnés et évalués dans les lignes électriques alimentant les circuits cibles. Les dispositifs de protection contre les surtensions doivent être conformes à la norme Underwriter's Laboratories (UL) 1449 pour les dispositifs de protection contre les surtensions, en particulier s'ils doivent être installés dans des panneaux de commande industriels répertoriés UL 508A.

Les SPD industriels fonctionnent généralement en incorporant des varistances à oxyde métallique (MOV) dimensionnées et configurées pour dériver une pointe de surtension transitoire vers un autre conducteur ou la terre afin que le courant électrique soit redirigé loin des composants protégés, les protégeant ainsi. Généralement, les SPD sont connectés en parallèle avec le circuit. Les parafoudres sont des dispositifs passifs jusqu'à ce qu'un transitoire se produise, puis le parafoudre "prend" une action en détournant l'énergie en toute sécurité via le mode de protection approprié, tel que ligne-terre et ligne-neutre. D'autres technologies sont possibles, mais elles fonctionnent toutes en conduisant et en redirigeant le courant une fois qu'une tension de seuil est dépassée. Cette tension de seuil est également appelée tension de passage ou tension de blocage.

La norme UL 1449 classe les SPD par type, les deux types les plus courants pour les applications de panneaux de commande industriels étant le type 1 et le type 2. Les deux sont connectés en permanence pour protéger l'équipement, mais le type 1 peut être connecté en amont du dispositif de surintensité de l'équipement de service. ou en aval. Le type 2 ne peut être connecté qu'en aval côté charge. Les spécifications de l'appareil indiqueront cette cote, ainsi que la capacité de surtension en milliers d'ampères par phase. Étant donné que ces appareils sont destinés à être utilisés dans les panneaux de commande UL508A, ils doivent également offrir des courants nominaux de court-circuit afin que les concepteurs puissent effectuer les calculs nécessaires du système de court-circuit.

Un inconvénient de ces dispositifs est une durée de vie opérationnelle limitée, avec une dégradation de la fonction de protection après un certain nombre d'événements de surtension. La seule façon pour un utilisateur de savoir que la protection est active est si le SPD fournit un contact de panne ou un voyant lumineux. Le voyant lumineux est généralement comme celui d'un disjoncteur de fuite à la terre, allumé et vert si la protection fonctionne, éteint ou rouge sinon.

Les parafoudres sont proposés dans quelques facteurs de forme. Un style est configuré comme un bornier de rail DIN traversant. Cependant, un style pratique et couramment utilisé regroupe la suppression des surtensions dans un petit boîtier avec des câbles étendus. Ce style polyvalent convient à une utilisation dans et autour des appareillages de commutation, des panneaux de commande et du câblage des machines (Figure 2). Voici les fonctionnalités à rechercher :

Figure 2:Les dispositifs de protection contre les surtensions, comme ce modèle Mersen offrant une protection contre les surtensions UL Type 1, sont compacts, flexibles à installer et fournissent un voyant d'état à LED.

Une fois le dispositif correctement dimensionné sélectionné, les concepteurs doivent s'assurer que toutes les tensions de commande des circuits de verrouillage de sécurité sont protégées par une suppression de surtension afin de maintenir la conformité avec NEC 670.6. De plus, comme indiqué précédemment dans cet article, tous les circuits d'alimentation alimentant les commandes de pompe à incendie doivent avoir le même type de protection. En fait, la protection offerte par les SPD est une assurance bon marché contre les pannes d'équipement ou les pannes dues aux surtensions électriques, et devrait idéalement être appliquée à tous les circuits d'alimentation alimentant des contrôleurs ou des instruments industriels.

Une conception prudente de la protection contre les surtensions nécessite une stratégie de défense en couches au sein de l'installation ou de l'équipement. Cela permet des niveaux de protection en cascade pour dissiper les grandes quantités d'énergie qui pourraient être rencontrées à partir d'un coup de foudre ou d'un événement de commutation externe important. De plus, des surtensions créées en interne, comme le démarrage d'un gros moteur ou la commutation d'un condensateur, peuvent se produire à plusieurs niveaux d'un système de distribution électrique. La défense en couches est une méthode efficace pour atténuer les risques dans de multiples applications.

Généralement, dans une installation, on peut spécifier un parafoudre de type 1 à l'entrée de service principale comme première ligne de protection. De plus, des parafoudres de type 1 ou 2 seraient installés sur des panneaux de distribution à plusieurs niveaux de l'installation. Enfin, comme nous l'avons évoqué ici, l'alimentation électrique des machines contenant des circuits de sécurité nécessite une protection. Les ingénieurs prudents doivent spécifier et installer une protection contre les surtensions sur des équipements tels que :

Les concepteurs de machines industrielles et d'équipements automatisés seront tenus de se conformer à la norme 2017 NEC 670.6 à l'avenir. Cela signifie l'installation d'une suppression de surtension pour les circuits de verrouillage de sécurité sur toutes les nouvelles machines et tous les nouveaux systèmes. Parce que cela est spécifié dans le NEC, les inspecteurs électriques des nouvelles installations examineront attentivement pour assurer la conformité.

Heureusement, la catégorie est bien définie et il existe des produits facilement disponibles, économiques et faciles à installer pour ce service. La conformité présente des avantages supplémentaires car la suppression des surtensions est réalisée pour protéger l'électronique et les contrôleurs. Les concepteurs doivent donc envisager d'ajouter ces dispositifs dans toutes les formes d'équipements industriels.

Ces nouvelles exigences ne sont que le début de la vague réglementaire d'intérêt pour la protection contre les surtensions. À l'instar de la protection contre les fuites à la terre et la protection contre les défauts d'arc dans les maisons résidentielles, il est probable que les futures réglementations porteront sur la protection contre les surtensions dans d'autres domaines. Les concepteurs doivent envisager une protection contre les surtensions pour les lignes de données industrielles et les signaux de contrôle, les services résidentiels ou toute application où l'alimentation électrique des équipements sensibles. C'est prudent et peut s'imposer un jour.

A propos de l'auteur

Brent Purdy, PE est le chef de produit pour la protection de l'alimentation et des circuits chez AutomationDirect.com. Avant son poste actuel, Brent était ingénieur produit, et avant de rejoindre AutomationDirect en 2013, il a travaillé comme responsable électrique et ingénieur senior chez Polytron, et comme ingénieur système chez Westinghouse Anniston. Brent est titulaire d'un diplôme BSEE du Georgia Institute of Technology et est un ingénieur professionnel certifié dans l'État de Géorgie.

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