Dommages causés par les surtensions de foudre aux ports Ethernet et POTS connectés au câblage intérieur

Note de l'éditeur : L'article sur lequel cet article est basé a été initialement présenté au symposium 2014 de la société d'ingénierie de la sécurité des produits de l'IEEE, où il a été reconnu comme le meilleur article du symposium. Il est reproduit ici, avec autorisation, à partir des actes du symposium international 2014 de l'IEEE Product Safety Engineering Society sur l'ingénierie de la conformité des produits. Copyright 2014 IEEE.

La vision traditionnelle des risques de foudre pour les câbles de communication filaires s'est concentrée sur les câbles qui sont tendus à l'extérieur, comme sur les poteaux téléphoniques ou d'autres environnements exposés. En général, les câbles qui sont acheminés entièrement à l'intérieur d'un bâtiment ont été considérés comme intrinsèquement protégés contre les surtensions de foudre.

Les ingénieurs en protection contre la foudre ont toujours compris que ce point de vue n'est pas strictement correct. Il existe des mécanismes connus par lesquels un coup de foudre à proximité peut induire des surtensions sur les câbles intérieurs. Cependant, les mécanismes connus n'interviennent généralement que lorsque la foudre frappe un objet proche du bâtiment contenant les câbles intérieurs, ou frappe l'enveloppe extérieure du bâtiment lui-même. De tels événements sont relativement rares.

Ces dernières années, des taux de panne de surtension plus élevés que prévu ont été signalés pour les ports connectés à des câbles intérieurs. Il est possible que l'augmentation apparente soit simplement due au fait que davantage de ports de câblage intérieurs sont déployés, ce qui rend plus évidents les mécanismes de surtension conventionnels qui ont toujours été présents.

Cependant, certains observateurs de l'industrie soupçonnent que l'augmentation apparente est due à des changements dans la manière dont les systèmes de câblage intérieurs sont interconnectés. Ces changements peuvent avoir créé de nouveaux mécanismes de couplage de surtension. Un domaine d'intérêt particulier est la possibilité que les surtensions sur le secteur CA soient d'une manière ou d'une autre couplées aux câbles de communication.

L'une des premières applications à attirer l'attention sur les pannes de surtension sur les câbles intérieurs a été l'utilisation de terminaux de réseau optique (ONT). De nombreux opérateurs de télécommunications ont déployé des systèmes qui utilisent un câble à fibre optique pour apporter des services voix, données et vidéo à un domicile ou à une entreprise. Quelque part sur ou près de l'enveloppe du bâtiment, le câble à fibre se termine dans l'ONT. De là, les ports de câbles métalliques sur l'ONT se connectent aux câbles acheminés entièrement à l'intérieur du bâtiment. Les types de port typiques incluent Ethernet pour le service de données, les ports POTS (service téléphonique ordinaire) pour les téléphones analogiques traditionnels et le câble coaxial pour le service de télévision.

Dans un ONT, les circuits POTS sont des circuits d'alimentation appelés circuits d'interface de ligne d'abonné (ou SLIC). Ceux-ci permettent de connecter un téléphone conventionnel à l'ONT.

Bien que cet article utilise les ONT comme type d'équipement représentatif, le problème de surtension ne se limite pas aux ONT. Les fabricants de systèmes téléphoniques VOIP prenant en charge Ethernet et POTS ont signalé des problèmes similaires.

Comme indiqué ci-dessus, il n'est pas clair si l'augmentation apparente des pannes de surtension est simplement due au déploiement d'un plus grand nombre de lignes intérieures, ou peut-être à un autre facteur. Par exemple, un taux de défaillance annuel de 1 % peut ne pas attirer l'attention d'un fabricant avec seulement 1 000 systèmes déployés sur le terrain. Avoir dix systèmes par an subissant des dommages causés par la foudre peut ne pas sembler excessif.

La situation change si le fabricant dispose d'un million de systèmes déployés sur le terrain. Désormais, un taux de défaillance annuel de 1 % correspond à 10 000 systèmes défaillants par an, de sorte que les pannes de foudre peuvent attirer davantage l'attention.

Dans le cas des ONT, plusieurs opérateurs ont plus d'un million de systèmes sur le terrain. Et, comme une défaillance de l'ONT entraîne un appel de service pour remplacer l'unité défaillante, les défaillances de l'ONT coûtent cher à l'opérateur.

Pour la plupart des transporteurs, un taux d'échec de 1 % est inacceptable. En fait, certains transporteurs considèrent que 0,1 % est inacceptable. Ainsi, il est possible que les pannes de foudre qui attirent maintenant l'attention soient simplement dues au fait que davantage de systèmes sont victimes des mêmes mécanismes de couplage qui ont toujours été présents. D'autres observateurs pensent que les taux d'échec réels ont récemment augmenté en raison de nouveaux mécanismes de couplage de surtension inconnus. Dans les sections suivantes, nous examinerons les deux possibilités.

Théorie conventionnelle

La référence [1] décrit les trois mécanismes de couplage communément acceptés par lesquels les surtensions de foudre apparaissent sur les câbles de communication :

En principe, les câbles intérieurs sont sensibles aux trois mécanismes ci-dessus, mais les conditions pour induire de fortes surtensions sur le câblage intérieur sont limitées. Le mécanisme 1 (couplage en champ lointain) reste une menace pour les câbles intérieurs car la plupart des structures de bâtiment offrent relativement peu de protection contre les rayonnements électromagnétiques. Les structures en bois ne fournissent pratiquement aucun blindage et de nombreux types de structures à ossature d'acier ne fournissent qu'un blindage limité. Ainsi, un câble de 300 mètres tendu à l'intérieur d'un bâtiment a presque la même exposition au mécanisme 1 que s'il était tendu à l'extérieur du bâtiment.

Pour le mécanisme 1, la principale limite pour le câblage intérieur est simplement la longueur du câble. Diverses études sur l'induction de la foudre sur les câbles extérieurs [2, 3] ont montré qu'un câble de 5000 mètres connaîtra généralement des surtensions maximales d'environ 5 kV en réponse au mécanisme 1. Cela implique que la surtension maximale sur un câble de 300 mètres serait proportionnellement plus petit, correspondant à seulement 300 volts.

Le mécanisme 2 (couplage du conducteur de descente) reste une menace distincte pour les câbles intérieurs, mais uniquement dans des conditions limitées. Ce mécanisme nécessite que la foudre frappe directement le bâtiment ou le système de protection contre la foudre du bâtiment, et il nécessite également que le câble intérieur soit acheminé sur une certaine distance à proximité d'un conducteur de descente qui transporte le courant de foudre. Le conducteur de descente peut être soit une partie explicite du système de protection contre la foudre du bâtiment, soit faire partie de la charpente en acier du bâtiment. Le mécanisme 2 peut effectivement se produire, mais les conditions requises sont suffisamment rares pour qu'il ne semble pas expliquer les défaillances de surtension observées sur le terrain.

Le mécanisme 3 (GPR) exige que le courant de foudre pénètre dans le sol près du bâtiment qui contient les câbles intérieurs. La proximité requise varie en fonction de divers facteurs tels que le courant de frappe et la conductivité du sol [4, 5]. Dans des conditions typiques, la proximité requise pour qu'un coup de foudre génère un grand GPR sous un bâtiment est que le courant de foudre pénètre dans le sol à moins de 100 mètres du bâtiment. En outre, le mécanisme 3 exige également qu'un câble affecté à l'intérieur du bâtiment ait ses deux extrémités connectées à différentes références de masse physiquement séparées.

En principe, le réseau de distribution d'énergie électrique d'un bâtiment ne doit avoir qu'une seule référence de masse, établie par un piquet de terre situé à proximité de l'entrée de service de l'alimentation secteur en courant alternatif, comme l'exige le Code national de l'électricité [6]. Si le bâtiment n'a qu'une seule référence de masse, les câbles intérieurs ne peuvent pas être affectés par le GPR. En pratique, certaines installations d'équipements ont plus d'une référence au sol, ce qui crée les conditions qui permettraient à un coup de foudre à proximité d'induire des surtensions via GPR.

Pour résumer, les trois mécanismes conventionnels sont en effet des menaces pour les câbles acheminés entièrement à l'intérieur d'un bâtiment, mais la menace combinée ne semble pas convaincante. Le mécanisme 1 devrait générer des surtensions maximales de quelques centaines de volts seulement, tandis que les mécanismes 2 et 3 nécessitent des conditions très spécifiques qui limitent la probabilité statistique que ces mécanismes génèrent des surtensions dommageables.

Caractéristiques inhabituelles des défaillances observées

L'examen des ports ONT endommagés [8, 9] a révélé deux résultats plutôt surprenants :

Ainsi, sur les câbles intérieurs, il existe des preuves de surtensions supérieures à 2 kV et des preuves de surtensions supérieures à 100 ampères de crête pour une forme d'onde de 2/10 de microseconde. Étant donné que la configuration de câblage d'Ethernet diffère de la configuration de câblage pour POTS, on ne peut pas supposer que le même type de surtension affecte les deux types de ports. En d'autres termes, on ne peut pas supposer que les deux types de ports sont exposés à des surtensions de foudre avec des tensions en circuit ouvert supérieures à 2 kV et des courants de court-circuit supérieurs à 100 ampères.

Par exemple, étant donné que les ports Ethernet contiennent une barrière d'isolation qui empêche généralement le courant de surtension de circuler vers la terre, très peu de courant circulera à moins que la barrière d'isolation ne tombe en panne. Une fois que la barrière tombe en panne, seule une petite quantité de courant est nécessaire pour endommager la puce de l'émetteur-récepteur Ethernet. Ainsi, en théorie, une forme d'onde de surtension avec une tension de circuit ouvert de 3 kV et un courant de court-circuit de seulement 5 ampères pourrait endommager un port Ethernet typique.

La situation inverse s'applique pour un port POTS. Ces ports sont généralement référencés à la terre et sont conçus pour générer et absorber du courant. Les protecteurs de surintensité généralement utilisés dans les ONT survivront à des courants de surtension de foudre de 100 ampères pour une forme d'onde de 2/10 microseconde, tout en maintenant la tension à moins de 100 volts. Ainsi, en théorie, une forme d'onde de surtension avec une tension en circuit ouvert de seulement 300 volts et un courant de court-circuit de 200 ampères pourrait endommager un port POTS typique.

Il est utile de noter que les fournisseurs qui ont augmenté la tolérance aux surtensions de leurs ports Ethernet et POTS ont constaté des réductions significatives des taux de défaillance sur le terrain. L'augmentation de la barrière d'isolation Ethernet pour résister aux surtensions de mode commun de 6 kV semble être très utile. De même, l'augmentation de la tolérance de surtension du port POTS à 500 ampères pour une forme d'onde de courant 2/10 s'est avérée très utile. On ne sait pas actuellement si ces niveaux de tolérance sont réellement nécessaires pour contrôler les défaillances sur le terrain, mais ils semblent suffisants.

En résumé, tout ce que l'on peut affirmer avec certitude, c'est que les ports Ethernet voient des surtensions en circuit ouvert entre 2 kV et 6 kV, et que les ports POTS voient des courants de surtension en court-circuit entre 100 ampères et 500 ampères (en supposant un 2/10 forme d'onde de courant en microsecondes). La répartition précise des surtensions dans ces plages n'est pas connue à l'heure actuelle.

Ces deux plages dépassent ce à quoi on pourrait normalement s'attendre pour toutes les occurrences sauf très rares créées par les mécanismes conventionnels décrits dans la section précédente.

Mécanismes possibles des défaillances observées

Compte tenu des tensions élevées en circuit ouvert et des courants de court-circuit, combinés à une fréquence d'occurrence apparemment élevée, certains observateurs ont suggéré qu'il pourrait y avoir d'autres mécanismes de couplage à l'œuvre. De tels mécanismes pourraient fonctionner en plus des trois mécanismes conventionnels décrits ci-dessus.

Une source proche de tension et de courant suffisants est l'alimentation secteur. Les surtensions de foudre apparaissant sur une prise murale secteur typique peuvent être assez importantes, avec des tensions en circuit ouvert de 6 kV et des courants de court-circuit de 3 kA [7]. De plus, le système d'alimentation secteur fournit un chemin pour que les surtensions de foudre soient transportées de manière conductrice à l'intérieur d'un bâtiment. Il peut y avoir des mécanismes non évidents qui permettent aux surtensions sur le secteur de se coupler aux câbles de communication intérieurs.

Les surtensions sur le secteur CA sont considérées comme une source possible car elles ont l'énergie de surtension requise et elles sont présentes à proximité du câblage de communication intérieur. Compte tenu de cela, diverses théories ont été proposées pour expliquer comment les surtensions sur le secteur CA pourraient être couplées de manière conductrice au câblage intérieur pour Ethernet et POTS :

La première théorie est facile à comprendre, du moins en tant que théorie de travail. La plupart des types d'équipements clients connectés aux ports Ethernet et POTS ont également leurs propres ports secteur CA. Les exemples incluent les ordinateurs et les routeurs connectés aux ports Ethernet et les stations de base de téléphone sans fil connectées aux ports POTS. Pour cette théorie, la principale question à aborder est la probabilité de subir une rupture d'isolation entre le port secteur CA et les ports Ethernet ou POTS.

La deuxième théorie (couplage capacitif) ne nécessite pas de rupture d'isolation dans l'alimentation en courant alternatif, mais cette théorie ne s'applique qu'aux pannes Ethernet. Presque toutes les alimentations CA ont une capacité petite mais finie entre le secteur CA et la sortie isolée de l'alimentation. Les surtensions avec des temps de montée rapides sur le secteur AC peuvent coupler une certaine quantité d'énergie à travers cette capacité. Étant donné que les ports Ethernet contiennent généralement leur propre barrière d'isolation, la barrière d'isolation Ethernet est placée en série avec la capacité finie dans l'alimentation CA. Cela crée un diviseur de tension où une partie de la surtension sur le secteur CA apparaît directement à travers la barrière d'isolation Ethernet.

Cette théorie ne peut pas être utilisée pour expliquer les échecs du POTS. Les ports POTS sont référencés à la terre et disposent généralement d'une protection contre les surtensions du câble à la terre, il n'est donc généralement pas possible de développer des surtensions élevées sur ces ports. Pour endommager un port POTS, il est nécessaire de forcer un courant excessif à travers le port. La petite quantité de capacité à travers la barrière d'isolement dans une alimentation en courant alternatif n'est pas suffisante pour coupler un courant suffisant pour endommager un port POTS typique.

La troisième théorie (interactions avec les parafoudres installés par le client) est la plus complexe à analyser, mais cette théorie présente des possibilités intéressantes. Les sections suivantes discuteront chacune des trois théories plus en détail.

Théorie 1 : Rupture de l'isolation

La figure 1 montre une configuration représentative d'un ONT avec un port Ethernet connecté à un routeur et un port POTS connecté à une station de base de téléphone sans fil. Les alimentations du routeur et de la station de base du téléphone sont des alimentations murales avec une prise secteur à deux lames, de sorte que ces deux appareils n'ont pas de connexion explicite à la terre. Cependant, l'alimentation ONT et ses circuits internes sont généralement mis à la terre. Une surtension suffisamment importante sur les entrées secteur CA du routeur ou du téléphone pourrait provoquer une panne catastrophique des barrières d'isolation qui se trouvent entre ces entrées secteur CA et la terre à l'ONT.

Figure 1 : Routeur Ethernet et station de base du téléphone sans fil connectés à l'ONT

En se référant à la connexion Ethernet illustrée à la Figure 1, notez que le chemin de surtension à travers le câble Ethernet devrait surmonter trois barrières d'isolement en série (Barrière 1, Barrière 2 et Barrière 3). Des tests de surtension jusqu'à défaillance sur un échantillon aléatoire d'équipements grand public suggèrent que la barrière 1 a généralement une résistance aux surtensions d'au moins 9 kV, tandis que les barrières 2 et 3 ont généralement une résistance aux surtensions d'au moins 2 kV. Ainsi, il semblerait qu'une panne catastrophique des trois barrières en série nécessiterait une surtension supérieure à (9 kV + 2 kV + 2 kV) = 13 kV. De telles surtensions peuvent apparaître sur les ports du secteur, mais elles sont statistiquement rares.

En se référant à la connexion POTS de la figure 1, on peut voir qu'il n'y a qu'une seule barrière d'isolement (barrière 4) entre le port secteur CA et la référence de masse dans l'ONT.

Étant donné que la barrière 4 a généralement une résistance aux surtensions d'au moins 9 kV, toute surtension supérieure à 9 kV présente un risque de panne catastrophique via le port POTS sur l'ONT à la terre. Ce niveau se situe dans la plage de ce qui pourrait se produire sur un port secteur AC, mais il serait statistiquement très peu fréquent.

L'analyse ci-dessus est basée sur l'hypothèse que les barrières 1 et 4 de l'alimentation secteur CA ont des niveaux de panne qui « dépassent généralement 9 kV », comme déterminé par des tests sur un échantillonnage aléatoire d'équipements grand public. Cette constatation est étayée par le fait que les barrières d'alimentation secteur AC sont soumises au respect des réglementations de sécurité telles que UL 60950-1 [10] qui spécifient rigoureusement la barrière d'isolement.

Les exigences de construction imposées à la barrière d'isolation du secteur CA incluent la ligne de fuite, la distance de dégagement et la distance à travers l'isolation solide. Certaines des exigences sont plus faibles pour une alimentation secteur de 120 VRMS que pour une alimentation de 240 VRMS, mais la plupart des alimentations actuellement vendues aux États-Unis sont conçues pour les deux tensions d'entrée.

Pour une alimentation conforme à [10] et conçue pour une entrée de 120 à 240 VRMS, la ligne de fuite et la distance de dégagement de la barrière d'isolement seront de l'ordre de 4 mm, la distance à travers l'isolation solide dépassera 0,4 mm et le hipot de production test sera de 3000 VRMS (crête de 4242 volts). Dans la pratique, les alimentations conçues pour répondre aux exigences de construction de [10] ont généralement des seuils de claquage réels supérieurs à 9 kV.

Fait intéressant, certaines alimentations électriques de remplacement génériques achetées sur Internet ont montré des niveaux de panne aussi bas que 3 kV. Une inspection interne a révélé que les barrières d'isolement de ces alimentations n'étaient pas conformes à [10]. Ces fournitures non conformes n'avaient pas de marquage de sécurité provenant de laboratoires indépendants, bien qu'elles aient eu le marquage CE pour l'auto-déclaration du fabricant en Europe.

À l'heure actuelle, rien ne prouve que des blocs d'alimentation non conformes soient utilisés par des fabricants de routeurs et de téléphones sans fil de marque. Ainsi, pour les besoins de la présente analyse, un seuil minimal de claquage de 9 kV a été attribué aux alimentations murales. Cependant, il convient de noter que certaines alimentations disponibles sur le marché ont des seuils de claquage inférieurs.

Pour les barrières d'isolation Ethernet dont on a constaté qu'elles avaient une tolérance aux surtensions « généralement supérieure à 2 kV », ce résultat semble raisonnable étant donné que la norme Ethernet IEEE 802.3 [11] exige une barrière d'isolation évaluée à 1 500 VRMS, ce qui correspond à une tension de crête de 2 121 volts. . Notez que [11] est simplement une norme de l'industrie plutôt qu'une norme réglementaire, il n'y a donc pas d'application formelle de cette exigence. Cependant, pratiquement tous les transformateurs Ethernet disponibles dans le commerce sont évalués par leurs fabricants pour avoir une isolation de 1500 VRMS.

La plupart des interfaces Ethernet contiennent également un condensateur qui relie la barrière d'isolation. Ce condensateur fait l'objet de la section suivante et y sera discuté plus en détail.

En résumé, une défaillance catastrophique des barrières d'isolement de la figure 1 semble être un candidat peu probable pour expliquer les défaillances de surtension inhabituelles discutées ici. Cela est particulièrement vrai pour les ports Ethernet, car une panne catastrophique nécessiterait probablement des surtensions supérieures à 13 kV. Même pour les ports POTS, le niveau de surtension requis dépasserait probablement 9 kV.

Théorie 2 : Couplage capacitif via l'alimentation CA

La figure 2 montre une configuration représentative d'un ONT avec un port Ethernet connecté à un routeur. Dans ce cas, la capacité aux bornes de chacune des trois barrières d'isolement successives est explicitement représentée par les condensateurs C1, C2 et C3.

Figure 2 : Chemin de couplage capacitif via un routeur Ethernet

Il est important de comprendre qu'il ne s'agit pas seulement de capacités parasites provenant de paramètres tels que la capacité entre les enroulements dans les transformateurs. Au lieu de cela, chaque condensateur est un condensateur physique à haute tension placé intentionnellement à travers la barrière d'isolement par le concepteur du circuit.

Le condensateur C1 apparaît dans presque toutes les alimentations à découpage et a une valeur typique de 2200 pF. Son but est de contrôler les émissions conduites sur le réseau alternatif. La valeur maximale de C1 est limitée par les exigences de sécurité concernant le courant de contact sur la sortie isolée de l'alimentation [10]. Dans certains cas, C1 peut être supérieur à 2200 pF.

Notez que le condensateur C1 n'est pas nécessaire dans une alimentation linéaire qui combine un transformateur abaisseur de 60 Hz avec un régulateur linéaire, car il n'y a pas de bruit de commutation à atténuer. Dans une alimentation linéaire, la capacité représentée par C1 n'est que la capacité parasite entre les enroulements du transformateur de 60 Hz. Les valeurs typiques de cette capacité parasite sont de l'ordre de 100 pF.

Jusqu'à il y a quelques années, la plupart des petits routeurs Ethernet utilisaient une alimentation linéaire murale pour l'alimentation. En raison des exigences réglementaires croissantes en matière d'efficacité énergétique, les alimentations linéaires murales ont été pour la plupart supprimées au profit des alimentations à découpage murales. Ainsi, la présence d'un condensateur explicite C1 dans l'alimentation des petits routeurs Ethernet est un changement récent. Comme on le verra, la valeur de C1 a un effet sur les surtensions qui sont couplées du secteur AC aux ports Ethernet du routeur et de l'ONT.

Les condensateurs C2 et C3 sont utilisés dans la plupart des ports Ethernet pour réduire les émissions en mode commun et pour réduire la sensibilité aux RF conduites. Une valeur typique est de 1000 pF.

En utilisant des valeurs typiques de 2 200 pF pour C1 et de 1 000 pF pour C2 et C3, nous constatons que pour une surtension entre l'entrée secteur du routeur et la terre de l'ONT, environ 18 % de la surtension apparaît sur C1, 41 % sur C2 et 41 % sur C3. Notez que la réduction de la capacité de C2 et C3 augmentera le pourcentage de la surtension qui apparaît entre eux. L'augmentation de la capacité de C1 augmentera également la tension entre C2 et C3.

En règle générale, le condensateur C1 est un condensateur haute tension robuste car il franchit une barrière d'isolation de sécurité et fait l'objet d'un examen minutieux lors de l'évaluation de la sécurité de l'alimentation en courant alternatif. Il s'agira d'un condensateur dit "Y1" en raison de sa classification dans [12] en tant que composant autorisé à ponter une barrière d'isolement de sécurité. Les condensateurs Y1 pour secteur 240 VRMS sont conçus pour résister à plusieurs surtensions de 8 kV. Leur seuil de défaillance réel est généralement beaucoup plus élevé.

D'autre part, les condensateurs C2 et C3 ne sont généralement pas des condensateurs de sécurité car la barrière d'isolement dans un port Ethernet n'est généralement pas considérée comme une barrière d'isolement de sécurité. Pour la plupart des applications, les câbles Ethernet intérieurs sont classés comme circuits SELV selon [10]. Cela les place dans la même classe que les circuits internes auxquels ils se connectent dans la plupart des ordinateurs et des routeurs, donc aucune forme d'isolation de sécurité n'est requise par [10].

Cependant, dans un port Ethernet correctement conçu et conforme à la norme IEEE 802.3, ces condensateurs et le transformateur Ethernet associé seront conçus pour survivre à un test hipot de 1 500 VRMS CA ou 2 250 V CC, car ce niveau d'isolation est défini dans la norme IEEE 802.3. On pense généralement que l'exigence d'isolation dans IEEE 802.3 a pour origine une exigence fonctionnelle destinée à fournir une immunité robuste aux interférences de mode commun, mais les origines réelles de cette exigence ne sont pas claires.

Pour la présente analyse, la chose importante à comprendre est que C2 et C3 ne sont généralement pas traités comme des condensateurs de sécurité et ne sont pas examinés par les agences de sécurité. De plus, l'exigence d'isolation dans IEEE 802.3 n'est qu'une exigence fonctionnelle qui apparaît dans une norme industrielle volontaire. Ainsi, il n'y a pas d'organismes de réglementation qui examinent ces condensateurs, et les ingénieurs concepteurs sont peu incités à accorder beaucoup d'attention à ces condensateurs. La plupart des fabricants n'effectuent même jamais le test hipot IEEE 802.3 pour confirmer que leur conception répond aux exigences d'isolation 802.3.

Par conséquent, C2 et C3 sont généralement sélectionnés par des concepteurs individuels qui ne pensent peut-être pas aux tests hipot et à la tolérance aux surtensions. Dans la plupart des conceptions de produits, les condensateurs utilisés pour C2 et C3 sont de petits composants à montage en surface avec des tensions nominales qui leur permettent de passer à peine les tests d'isolement de la norme IEEE 802.3.

Cela fait de C2 et C3 des candidats probables pour une panne d'isolement si des niveaux de surtension plus élevés que prévu sont rencontrés. L'énergie de surtension peut être couplée de manière capacitive via C1, qui ne subit généralement aucun dommage, en raison de sa construction robuste en tant que condensateur de sécurité. C2 et C3 sont plus vulnérables parce qu'ils sont moins robustes et parce qu'ils ont souvent des valeurs de capacité inférieures à C1. Ces valeurs de capacité inférieures font que C1 et C2 subissent une plus grande proportion de la surtension totale.

L'examen des ports Ethernet qui ont subi une panne d'isolement sur le terrain montre souvent un condensateur endommagé et aucun dommage au transformateur associé.

Théorie 3 : Interactions involontaires avec les parasurtenseurs installés par le client

Les parasurtenseurs peuvent créer involontairement des surtensions sur les ports Ethernet et POTS de plusieurs manières. En raison de la gamme de configurations d'installation client possibles, la variété des mécanismes possibles est assez grande et tous ne peuvent pas être discutés ici. La discussion suivante se concentrera sur seulement deux mécanismes possibles :

La figure 3 est une photo de plusieurs "parasurtenseurs combinés" représentatifs. Chacun de ces appareils combine des circuits de protection contre les surtensions pour quatre types de ports : secteur AC, Ethernet, POTS et coaxial. Les variantes courantes du parasurtenseur combiné omettent un ou plusieurs des quatre types de ports, mais les schémas de protection individuels utilisés sur chacun des types de ports restants seront similaires aux circuits décrits ici.

Figure 3 : Protecteurs de surtension combinés

La figure 4 montre un schéma très simplifié du circuit interne dans un parasurtenseur combiné. Il est important de comprendre que bien que plusieurs composants de protection contre les surtensions soient utilisés sur des ports multiconducteurs tels qu'Ethernet et POTS, le schéma de la Figure 4 les représente comme un seul dispositif sur chaque type de port. Cette simplification a été faite afin que la discussion puisse se concentrer sur les surtensions en mode commun.

Figure 4 : Schéma de câblage domestique avec parasurtenseur combiné installé

Les composants de protection contre les surtensions couramment utilisés pour la protection d'une prise secteur CA sont des varistances à oxyde métallique (MOV) avec des tensions de seuil d'environ 400 volts. De même, les MOV sont le type le plus couramment utilisé sur les ports POTS, bien que les tensions de seuil soient généralement de l'ordre de 300 volts. Les composants les plus couramment utilisés pour la protection Ethernet sont les diodes TVS avec des seuils d'environ 70 volts, généralement en combinaison avec un ensemble de diodes de direction qui permettent à une seule diode TVS de protéger les quatre paires du câble Ethernet. Pour la protection coaxiale, la plupart des parasurtenseurs utilisent des tubes à décharge gazeuse (GDT) avec des tensions de seuil d'environ 100 volts.

Le circuit du parasurtenseur combiné de la figure 4 crée des opportunités pour qu'une surtension sur le secteur CA soit transmise de manière conductrice à chacun des autres types de port que le parasurtenseur est conçu pour protéger. Tout parasurtenseur qui combine un port secteur protégé avec tout autre type de port présentera ce risque.

Le risque de couplage le plus simple se produit si, pour une raison quelconque, la connexion à la terre utilisée par le parasurtenseur est laissée ouverte. Étant donné que le parasurtenseur de la figure 4 relie intentionnellement tous les ports ensemble via des composants de protection à tension relativement basse, la seule chose qui empêche les surtensions sur un port d'apparaître sur tous les autres ports est une connexion fiable à la terre.

Ceci est facile à visualiser en imaginant que la connexion à la terre au point A de la figure 4 est ouverte. Avec le point A ouvert, les surtensions qui apparaissent sur le port secteur CA ne sont pas mises à la terre via le point A. Le meilleur chemin suivant vers la terre passe par un ou plusieurs des ports protégés connectés à l'ONT.

Le point clé ici est que les surtensions de foudre chercheront toujours le chemin d'impédance le plus bas vers la terre. Le bon fonctionnement des parasurtenseurs comme celui de la figure 4 dépend entièrement de la présence d'un chemin à faible impédance vers la terre via leur connexion à la terre au niveau de la prise murale CA. Si, pour une raison quelconque, cette terre devient instable, les courants de surtension chercheront le meilleur chemin vers la terre. Ce chemin pourrait passer par un équipement que le parasurtenseur était destiné à protéger. L'aspect ironique de cela est qu'avoir un protecteur de surtension combiné avec une terre peu fiable peut être pire que de ne pas avoir de protecteur du tout.

Bien qu'il soit facile de voir comment une mise à la terre manquante sur un parasurtenseur combiné couplerait facilement les surtensions du secteur CA directement sur tous les autres ports, il semble peu probable que ce mécanisme puisse expliquer le nombre de pannes de surtension rencontrées sur le terrain. Après tout, la plupart des parasurtenseurs sont correctement branchés sur une prise murale AC qui accepte une fiche avec une broche de terre, et la plupart des prises murales ont cette terre connectée de manière fiable à la tige de terre à l'entrée de service pour le secteur AC. Des exceptions se produisent certainement, mais elles ne sont probablement pas très répandues.

Cependant, le type de dommage qui peut survenir avec une connexion de terre manquante sur le parasurtenseur peut également se produire même si la terre est correctement câblée à la tige de terre à l'entrée de service. La raison pour laquelle cela peut se produire est liée à l'inductance du fil de terre.

Un seul fil a une inductance petite mais finie, généralement de l'ordre de 2 microhenrys par mètre. Ainsi, un fil de terre de 50 mètres qui relie un parasurtenseur à la tige de terre aura environ 100 microhenrys d'inductance.

Dans le cas du fil de terre associé à une prise de courant alternatif, une longueur de 50 mètres ne serait pas inhabituelle. Les fils de terre associés aux prises de courant CA dans un bâtiment sont généralement câblés dans une configuration en étoile qui provient du panneau électrique à l'entrée de service du secteur CA. Le nœud de terre central du panneau électrique est, à son tour, relié à une tige de terre par un fil généralement assez court.

Ainsi, alors que le nœud de masse central dans le panneau électrique peut être considéré comme une masse à faible impédance, on ne peut pas en dire autant de la masse présentée à une prise électrique donnée.

Aux fréquences de courant alternatif de 50/60 Hz, une inductance de 100 microhenry crée une impédance négligeable. Cependant, pour une forme d'onde de surtension à montée rapide, cette même inductance peut créer une impédance très élevée. Pour comprendre comment cela se produit, rappelez-vous que la tension V aux bornes d'une inductance L est représentée par l'expression suivante, où di/dt représente le taux de variation du courant dans l'inductance :

V = L(di/dt)

Une surtension représentative de la foudre sur le secteur CA peut avoir une forme d'onde de courant de court-circuit de 500 ampères crête avec un temps de montée de 8 microsecondes [7]. En appliquant ces valeurs à une inductance de 100 microhenry, la tension calculée ressort à 6,25 kV.

Ce calcul simplifie excessivement la situation pour une forme d'onde de surtension qui a un temps de montée exponentiel, mais le principe de base reste valable. De grands courants de surtension avec des temps de montée rapides peuvent générer des chutes de tension de plusieurs milliers de volts sur un long fil de terre.

En revenant à la figure 4, considérez ce qui se passe lorsqu'une surtension de foudre apparaît sur la prise secteur. Les composants de protection P1 et/ou P2 s'allument à une tension nominale de 400 volts et le courant de surtension tente de circuler à travers le fil de terre de la prise secteur vers le panneau électrique. Si une chute de tension de 6 kV se développe sur la longueur du fil de terre (représentée par L-GND sur la Fig. 4), l'ensemble du nœud de référence de terre dans le parafoudre monte à un potentiel instantané de 6 kV au-dessus de la terre.

Cela a pour effet de soulever l'extrémité du parasurtenseur de chaque câble connecté (secteur CA, Ethernet, POTS et coaxial) à une valeur instantanée de 6 kV au-dessus de la terre. À ce stade, les courants de surtension qui devraient normalement sortir par la connexion à la terre peuvent trouver d'autres chemins plus attrayants vers la terre à travers les câbles connectés.

Le point clé ici est qu'une surtension de courant élevé et à temps de montée rapide sur le secteur CA peut interagir avec l'inductance du fil de terre pour créer une surtension de mode commun haute tension sur chaque câble connecté au parasurtenseur. Dans un certain sens, le parasurtenseur prend une surtension sur le secteur et la "diffuse" sur chaque câble connecté au parasurtenseur. Cela se produit malgré le fait que le parasurtenseur a été installé correctement et que le fil de terre de la prise secteur est correctement connecté.

Un aspect intéressant de ce mécanisme de surtension est que l'équipement co-localisé avec le parasurtenseur n'est généralement pas endommagé par la surtension, puisque le parasurtenseur et tous les équipements co-localisés ont approximativement la même élévation de potentiel de tension par rapport à la terre. Les dommages se produisent dans l'équipement connecté à l'extrémité du câble sur lequel le courant de surtension a réussi à circuler. Ainsi, si le courant de surtension a trouvé un chemin vers la terre via un port Ethernet ou un port POTS sur un ONT, la seule chose endommagée en conséquence est le port sur l'ONT. Pour le client, il semble que l'ONT ait eu une sorte de problème isolé qui n'était lié à aucune autre partie de l'installation du client.

La référence [13] contient une excellente description des risques créés par une mauvaise utilisation des parasurtenseurs. En principe, ces risques peuvent être atténués par une analyse minutieuse des équipements interconnectés et de la mise à la terre à l'intérieur du bâtiment. Sur la base des résultats de cette analyse, des parasurtenseurs sont placés à des points stratégiques du bâtiment.

Malheureusement, la plupart des utilisateurs ne sont pas techniquement qualifiés pour effectuer l'analyse requise. La plupart des utilisateurs achèteront simplement un parasurtenseur et l'installeront à proximité de l'équipement qu'ils souhaitent protéger. Ils peuvent ne pas se rendre compte que cela a pour effet de diriger les courants de surtension vers d'autres équipements situés ailleurs dans le bâtiment.

Résumé

Ces dernières années, de nombreux fournisseurs d'équipements de télécommunications ont connu des taux plus élevés que prévu de dommages causés par la foudre sur les ports Ethernet et POTS qui se connectent uniquement au câblage intérieur. Les dommages physiques qui en résultent indiquent que des surtensions supérieures à 2 kV se produisent sur les ports Ethernet et que des courants de surtension supérieurs à 100 ampères (pour une forme d'onde de courant supposée de 2/10 microseconde) se produisent sur les ports POTS. Ces niveaux ne s'expliquent pas facilement par les hypothèses conventionnelles sur la manière dont les surtensions de foudre se couplent aux câbles acheminés entièrement à l'intérieur d'un bâtiment.

Alors qu'au moins un des mécanismes conventionnels connus (GPR) est capable de créer des surtensions aussi importantes, les conditions requises sont relativement rares. Il semble que d'autres mécanismes puissent être à l'œuvre.

Diverses théories de mécanismes alternatifs ont été avancées par des experts de l'industrie. Trois de ces théories ont été discutées en détail. Ces trois théories sont basées sur la notion que les surtensions sur le secteur sont en quelque sorte couplées à l'intérieur des câbles Ethernet et POTS.

L'analyse suggère que la première de ces théories semble improbable, et la seconde théorie, bien que tout à fait plausible, ne peut être utilisée que pour expliquer les pannes impliquant une rupture d'isolement dans un port Ethernet. Cette théorie n'explique pas les échecs du POTS.

Une troisième théorie est centrée sur les effets secondaires imprévus des parasurtenseurs installés par le client. Ces dispositifs sont devenus plus courants ces dernières années. La troisième théorie peut produire des dommages qui correspondent aux défaillances observées sur les ports Ethernet et POTS.

Une prochaine étape utile pour tester ces théories serait de recueillir des données sur les défaillances réelles sur le terrain pour essayer de faire correspondre leurs caractéristiques à l'une des théories candidates.

Par exemple, la théorie 1 entraînera des dommages à l'équipement connecté au port associé. La théorie 2, qui s'applique uniquement aux ports Ethernet, n'endommage pas l'équipement connecté et, plus important encore, implique des courants de surtension relativement faibles. Les dommages résultant de la théorie 2 montreraient très peu de preuves physiques telles que des traces de circuits imprimés fondus ou des matériaux carbonisés. Cependant, une inspection minutieuse peut révéler des traces d'arc dans certaines zones du port ou des dommages internes aux circuits intégrés. La théorie 3 peut coupler des surtensions très élevées sur les ports POTS ou Ethernet, sans endommager l'équipement connecté. Cependant, la théorie 3 ne s'applique qu'aux cas où le client a installé un parasurtenseur multiport.

Malheureusement, les fabricants d'équipements dotés de ports Ethernet et POTS ont peu de contrôle sur les caractéristiques de l'environnement d'alimentation et de mise à la terre dans lequel leur équipement sera installé. Cela signifie que même si les évaluations sur le terrain confirment que les mécanismes de l'une de ces théories sont à l'origine des défaillances observées, les fabricants ne peuvent pas faire grand-chose pour empêcher les surtensions de se produire.

Alors que les mécanismes théoriques présentés ici devraient faire l'objet d'études plus approfondies, les fabricants qui souhaitent réduire immédiatement leurs taux de défaillance sur le terrain peuvent prendre certaines mesures sans nécessairement en comprendre les causes sous-jacentes.

Il semble que l'augmentation de la tolérance de surtension en mode commun Ethernet à 6 kV soit suffisante pour éliminer la plupart des défaillances de la barrière d'isolation Ethernet. L'augmentation de la tolérance de courant de surtension POTS à 500 ampères pour une forme d'onde de courant de 2 × 10 microsecondes semble être suffisante pour éliminer la plupart des défaillances de surtension sur les ports POTS.

Les références

Joseph Randolph est un consultant indépendant avec plus de trente ans d'expérience dans la conception d'équipements de télécommunications. Il a obtenu son diplôme BSEE du Virginia Polytechnic Institute et son diplôme MSEE de l'Université Purdue. Son expérience comprend la conception d'équipements traditionnels de télécommunications voix et données, DSL et une grande variété de produits émergents de téléphonie VOIP et IP, y compris des terminaux de réseau optique. Ses principaux domaines de spécialité sont la conception de circuits, la protection contre la foudre, la conformité aux réglementations internationales et la conformité aux normes de l'industrie telles que Telcordia NEBS GR-1089 pour les équipements de télécommunications de classe opérateur aux États-Unis. Il est membre senior de l'IEEE et siège au Telecom Advisory Comité de l'IEEE Product Safety Engineering Society. Randolph peut être joint à [email protected].

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