Un éclair d'arc électrique au data center de Google souligne le besoin de protection : voici par où commencer

Un éclair d'arc électrique dans un data center, une installation industrielle ou un grand site d'énergie renouvelable (comme un parc éolien ou solaire) peut être dangereux. Trois personnes ont été blessées récemment par un éclair d'arc électrique dans un data center de Google à Council Bluffs, dans l'Iowa¹. Un éclair d'arc électrique crée une explosion électrique et génère de la chaleur, à des températures pouvant atteindre 19 000 degrés Celsius (°C). Pour vous donner une idée, c'est plus chaud que la surface du soleil.

Bien que les éclairs d'arc électrique constituent une préoccupation sérieuse depuis longtemps, ce n'est qu'en janvier 2020 que le National Electric Code (NEC) a été mis à jour pour y inclure la protection contre ces éclairs. Une exigence de réduction de l'énergie d'arc pour les disjoncteurs répertoriés à 1200 ampères (A) et plus y a été ajoutée. Le code NEC mis à jour prévoit notamment l'obligation d'utiliser un équipement de protection contre les éclairs d'arc électrique lorsque le temps de coupure du fusible sur le circuit est inférieur à 0,07 seconde (s). Même si les fusibles sont correctement répertoriés, une couche de protection supplémentaire (comme un relais de protection contre les arcs électriques) est souvent utilisée en raison du risque de blessure majeure.

En gardant cela à l'esprit, intéressons-nous à la dynamique d'un éclair d'arc électrique et aux exigences de l'OSHA (Occupational Safety and Health Administration) du ministère américain du Travail, comparons les défauts francs aux défauts avec arc, présentons brièvement les calculs de risque d'éclair d'arc électrique de l'IEEE, et examinons plusieurs scénarios de protection contre les éclairs d'arc électrique et les relais de protection associés de Littelfuse.

L'OSHA exige que les équipements fonctionnant à 50 volts (V) ou plus fassent l'objet d'une évaluation pour la protection contre les éclairs d'arc électrique. L'évaluation détermine les limites de sécurité (accès interdit, limité et restreint) et identifie les équipements de protection individuelle (EPI) qui doivent être portés. Lors de l'évaluation du risque d'éclair d'arc électrique et des mesures de sécurité associées, il est nécessaire de faire la différence entre les défauts francs et les défauts avec arc.

Courant de défaut franc ou de défaut avec arc

Dans les systèmes répertoriés pour moins de 1000 V, un défaut franc est défini comme un défaut avec impédance nulle. Un courant de défaut avec arc est défini par rapport à l'impédance de l'arc. Les dispositifs de protection de ces systèmes doivent être définis de manière à se déclencher pour le courant de défaut franc, plus élevé et plus grave.

Le temps de coupure des dispositifs de protection est également important. Des compromis doivent être faits entre coupures plus rapides, sécurité et fonctionnement du système. Un déclenchement plus rapide peut améliorer la sécurité du personnel. Toutefois, si le système inclut plusieurs dispositifs de protection, un déclenchement plus rapide peut empêcher le fonctionnement coordonné des dispositifs et avoir un impact négatif plus important sur l'ensemble de l'installation. Les relais de protection contre les défauts avec arc basés sur un microprocesseur offrent des temps de réaction intrinsèquement rapides et peuvent être utilisés pour déclencher des disjoncteurs afin d'accélérer la protection contre les éclairs d'arc électrique tout en prenant en charge un fonctionnement coordonné pour réduire les perturbations dans l'ensemble de l'installation (Figure 1).

Figure 1 : Pour accélérer les temps de réaction en cas de défaut, un relais de protection contre les défauts avec arc peut être utilisé pour déclencher un disjoncteur. (Source de l'image : Littelfuse)

Calculs des risques d'éclair d'arc électrique IEEE

Les calculs des risques d'éclair d'arc électrique basés sur la norme IEEE 1584-2018 sont fréquemment utilisés dans les environnements industriels pour respecter les réglementations de l'OSHA. La norme IEEE 1584 permet de prédire les courants d'arc et les niveaux d'énergie qui en découlent, ce qui aide à identifier les EPI nécessaires et à définir des distances de travail sûres. Elle utilise un modèle dérivé empiriquement, basé sur les paramètres suivants :

• De 208 à 15 000 VCA, trois phases, avec des fréquences de 50 à 60 Hertz (Hz)
• Courant de défaut franc de 700 à 106 000 A
• Formats de boîtiers d'équipement courants et configurations de conducteurs reliés ou non à la terre
• Écarts entre les conducteurs et défauts impliquant les trois phases

Protection des dispositifs de commutation

La série PGR-8800 de Littelfuse peut être utilisée par les concepteurs d'installations pour assurer la protection des dispositifs de commutation. Le relais PGR-8800-00 (Figure 2) est un relais basé sur un microprocesseur qui peut surveiller les armoires de commande à l'aide d'un capteur ponctuel de ligne de vue PGA-LS10, fournissant une protection contre les éclairs d'arc électrique et une identification de l'emplacement du défaut. De plus, la barre omnibus arrière peut être surveillée par un capteur fibre optique PGA-LS20 ou PGA-LS30. Le PGR-8800-00 détecte la lumière d'un éclair d'arc électrique en moins d'une milliseconde (ms). Il inclut un seuil de déclenchement réglable pour compenser les conditions de lumière ambiante et réduire les déclenchements intempestifs.

Figure 2 : Le relais PGR-8800-00 peut utiliser une variété de capteurs pour identifier l'apparition d'un éclair d'arc électrique en moins de 1 ms. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Protection des générateurs

Le relais de protection contre les éclairs d'arc électrique AF0100 de Littelfuse peut être utilisé pour la protection des générateurs. Il est conçu pour être utilisé avec les capteurs optiques PGA-LS20/PGA-LS30 et les capteurs ponctuels PGA-LS10. Il peut arrêter le générateur et déclencher son disjoncteur, déconnectant ainsi le dispositif défectueux du réseau. Il est conçu pour fonctionner en environnements exposés à de fortes vibrations et à des contraintes d'espace.

Protection multizone

Les concepteurs d'installation peuvent combiner plusieurs relais AF0500 pour couvrir plusieurs zones avec une évolutivité illimitée. Par ailleurs, les relais AF0500 peuvent être connectés à des relais AF0100 moins coûteux pour optimiser le compromis coût/performances dans les systèmes de protection contre les éclairs d'arc électrique multizones (Figure 3).

Figure 3 : Les relais AF0500 peuvent être utilisés seuls, en combinaison avec d'autres relais AF0500, et avec des relais AF0100 pour optimiser les performances des installations multizones. (Source de l'image : Littelfuse)

Conclusion

Le NEC et l'OSHA reconnaissent les dangers associés à l'apparition d'un éclair d'arc électrique et ont mis en place des exigences qui doivent être respectées dans les environnements industriels. La norme IEEE 1584 est communément utilisée pour évaluer les risques des niveaux de courant d'éclair d'arc et de défaut franc, et pour déterminer la protection nécessaire. Comme illustré, il existe des relais de protection contre les éclairs d'arc électrique qui peuvent être utilisés pour améliorer la protection dans divers scénarios d'application.

Référence :

1. Incident at Google Data Center Highlights Risks of Arc Flash