Effets indirects des champs électrique et magnétique à 50 Hz

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1 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 1

2 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) 2

3 symboles. µ pour micro (x 1/ ), ex : µt m pour milli (x 1/1000), ex : mv, ma k pour kilo (x 1000), ex : kv M pour Mega (x ), ex : MHz G pour Giga (x ), ex : GHz 3

4 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) 4

5 Notion de champs E et B 5

6 Fréquence (Hz) Ce cours : uniquement ELF (50 Hz) 6

7 7

8 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 8

9 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) 9

10 Champs naturels Humains : champs endogènes (électrocardiogramme, encéphalogramme) Onde gamma (30 à 100 Hz) Onde alpha, beta, theta, delta (3 à 45 Hz) Champ E endogène : 0.1 V/m 10

11 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 11

12 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. 12

13 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. 13

14 Allure du champ d induction magnétique B en microteslas (cas Tihange-Avernas, 150 kv, 1300 A, deux ternes, SOUTERRAIN) Horizontal disposal A A: 150 kv, 1100 A B :70 kv, 450 A B-field (µt) B Distance to the axis of the cables (m) 14

15 Allure du champ d induction magnétique B en microteslas (AERIEN) µt Magnetic fields in the 70 kv network Distance to the axis of the line (m) yearly mean 95% rated (0.9 ka) 12 Magnetic fields in the 150 kv network 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 détournement de flux d énergie suite à une perte d installation ailleurs dans le réseau. Magnetic fields in the 380 kv network µt Distance to the axis of the line (m) yearly mean 95% rated (1.1 ka) µt Distance to the axis of the line (m) yearly mean 95% rated (2.2 ka) 15 max (calculated)

16 Allure du champ d induction magnétique B en microteslas (résidentiel) Residential Magnetic field Relative number of Residences 0,001 0,01 0, Magnetic field (µt) 16

17 le risque électrocution COURBES de SECURITE effets du courant alternatif 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) 17

18 Courbe de sécurité 30 ma 18

19 Tensions limites Ces différentes considérations ont permis d établir les tensions limites 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. Tension limite conventionnelle absolue U L (V) Etat du corps humain Courant alternatif Courant continu non lisse Courant continu lisse BB1 Peau sèche ou humide par sueur BB2 Peau mouillée BB3 Peau immergée dans l eau

20 La perception du passage du courant dans le corps (mesures selon Leitgeb) 0.5 ma 30 µa 3 ma 20

21 Comparaison avec une loi normale 21

22 Tension de toucher 22

23 La tension de toucher et le courant de contact 23

24 Courant de contact 24

25 Résistance du corps humain La 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 : R = U où k = 87500, U en Volts et R en Ohm (Ω) k 25

26 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) 26

27 Le risque résidentiel I A I R = R U + f R 27

28 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, R f (isolement) = 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. 28

29 Prise de terre résidentielle ordre de grandeur : Ohms (terrain gras) 29

30 Réseau de terre Piquet vertical de diamètre d et enfoncé à une profondeur L dans un sol de résistivité ρ ( Ω.m) : ρ R= 2πL Ln d 3L [Ω] Plaque circulaire enterrée mais proche du sol (diamètre D) R = ρ/(4d) [Ω] (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] ) 30

31 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) 31

32 La question d aujourd hui Au-delà de la sécurité contre l électrocution, y-a-t-il un danger plus insidieux? 32

33 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 33

34 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 34

35 Allure du champ électrique sous une ligne 35

36 Mesure du champ électrique (uniforme et dans une direction donnée) 10 Hz-3 khz 10 à V/m Précision 5% Champ E uniforme Échantillonage 15 khz Valeur efficace Une seule composante à la fois 36

37 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). 37

38 Allure du champ magnétique sous une ligne 38

39 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 39

40 Les limites de la littérature L IRPA/INIRC choisit comme seuil la densité de courant induit de 10 ma/m 2. NIEHS (1998) : «convincing evidence for causing effects available for internal electric field strengths greater than approximately 1 mv/m (50/60 Hz)» (= densité de courant de 0.1 ma/m 2) 40

41 NIEHS writes : «Biological effects relevant to cancer have been reported in numerous well programmed studies. Effects cites are increased cell proliferation, disruption of signal transduction patways and inhibition of differenciation.» Conclusion retenue dans le rapport final EMF RAPID (1999). 41

42 Champ électrique dans la moëlle induite par un courant de contact ou un champ externe Champ électrique (mv/m) dans la moëlle épinière 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 42

43 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 : R T = 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) 43

44 Protection contre le 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 44

45 Blindage 45

46 Blindage aluminium sur liaison triphasée (1300 A, 150 kv) 46

47 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. 47

48 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 48