Table des matières

• EN61558 (Sécurité des transformateurs, réacteurs, blocs d’alimentation et leurs combinaisons) et autres normes de sécurité
• Qu’est-ce que le dégagement ?
• Qu’est-ce que la ligne de fuite ?
• Représentation graphique de la ligne de fuite et du dégagement
• Chemins indirectes
• Quelques exemples courants dans les transformateurs
• Comment déterminer la ligne de fuite et le dégagement appropriés ?
  • Tension aux bornes et entre les enroulements
  • Types d’isolation
  • Catégories de surtension
  • Degré de pollution
  • CTI des matériaux isolants
  • Altitude
• Un transformateur typique

L’un des aspects souvent négligés au cours des premières phases de la conception électronique est la définition des distances de sécurité de la ligne de fuite et du dégagement exigées par les normes.

Dans de nombreux cas, cela conduit à la nécessité d’une réitération tardive de la conception qui implique le transformateur, le PCB, les tests CEM, etc., ce qui entraîne des retards et des coûts supplémentaires.

Lorsque cet aspect n’est pas abordé au début du processus de conception, il est généralement dû à une sous-estimation de son impact potentiel, ou simplement à un manque de connaissance du sujet.

Cet article sert d’orientation générale et non exhaustive sur les exigences de distance de sécurité de la ligne de fuite et du dégagement pour les transformateurs.

La majorité des concepts discutés ici peuvent également être appliqués aux alimentations électriques (blocs d’alimentation – PSU), ce qui signifie que plus de catégories de lecteurs peuvent bénéficier de ce guide.
Mais il est important de préciser que tous les exemples et la terminologie de ce guide se réfèrent aux transformateurs.

Le transformateur est généralement l’un des rares composants, entre autres comme les optocoupleurs, les condensateurs Y et les PCB, qui sont responsables de garantir une isolation adéquate.

Avant d’aborder les distances de sécurité dans les transformateurs, voici un bref aperçu du cadre réglementaire.

EN61558 (Sécurité des transformateurs, réacteurs, blocs d’alimentation et leurs combinaisons) et autres normes de sécurité

La norme EN 61558 est appliquée en l’absence d’exigences explicites dans la norme spécifique de chaque produit.
Elle définit toutes les exigences de sécurité des transformateurs, y compris la ligne de fuite et le dégagement (Cr & Cl).

Ces dernières années, de nombreux comités techniques ont aligné leurs normes sur la norme EN 60664 « Coordination de l’isolation des équipements dans les systèmes d’alimentation basse tension », dans la mesure où cela est raisonnable selon les produits et les secteurs de référence.
Les normes « horizontales » comme la norme EN 60664 ont en effet pour fonction de guider les comités techniques, afin de standardiser au maximum les exigences pour des sujets homogènes.
Pour cette raison, il est courant que les exigences des différentes normes soient essentiellement alignées les unes sur les autres.

En outre, les normes EN 60335, EN 62368, EN 60950, EN 61347, EN 60598, EN 62115 et de nombreuses autres normes contiennent des références explicites à la norme EN 61558 pour la conformité des transformateurs.

Bien que, dans certains cas, les normes spécifiques du produit (par exemple, la sécurité électromédicale, intrinsèque – Ex i, etc.) aient des exigences de sécurité électrique sensiblement différentes de celles de la norme EN 61558.

Cela dit, passons au sujet principal de cet article : Ligne de Fuite et Dégagement

Qu’est-ce que le dégagement ?

Le dégagement (Cl) est la distance la plus courte dans l’air entre deux parties conductrices.

L’évaluation du dégagement est faite en mesurant la longueur du chemin le plus court à travers l’air, en considérant que ce chemin ne passe pas à travers des corps isolants, comme des bandes isolantes, des manchons, des revêtements, des pièces en plastique, etc.

Notez également que deux parties de matériau isolant rapprochées, même collées, n’ont pas le même effet qu’une pièce monobloc.
En fait, les chemins de ligne de fuite et de dégagement peuvent passer par la jonction entre les deux parties.

Les parties conductrices (ou corps conducteurs) du transformateur le plus simple sont l’enroulement primaire, l’enroulement secondaire et le noyau métallique ou ferrite.

Pour un tel transformateur, on parle dans la plupart des cas de distances de sécurité qui doivent être garanties entre l’enroulement primaire et l’enroulement secondaire.

Les parties conductrices possibles des autres enroulements ou composants électriquement connectés à l’enroulement primaire, doivent garantir les mêmes distances minimales vers l’enroulement secondaire qui sont nécessaires entre l’enroulement primaire et secondaire (et vice versa).

Qu’est-ce que la ligne de fuite ?

La ligne de fuite (Cr) est la distance la plus courte le long de la surface d’un matériau isolant entre deux parties conductrices.

Les mêmes considérations faites pour le dégagement s’appliquent également à la ligne de fuite, sauf que le chemin de la ligne de fuite ne passe pas par l’air, mais il est lié à la surface des corps isolants.

Représentation graphique de la ligne de fuite et du dégagement

La figure ci-dessous peut aider à mieux comprendre la ligne de fuite et le dégagement à travers un exemple simple, où les parties conductrices sont représentées par des cubes cuivrés, tandis que les parties isolantes sont celles colorées en vert (pour symboliser un PCB).

Quelques exemples courants dans les transformateurs

La ligne de fuite et le dégagement sont, par définition, les distances les plus courtes identifiées entre tous les chemins possibles entre les parties conductrices d’intérêt.

Les dessins suivants montrent quelques exemples de chemins qui sont souvent pris en compte lors de l’évaluation de la ligne de fuite et du dégagement entre l’enroulement primaire et l’enroulement secondaire des transformateurs.

Mais d’abord, une clarification sur le type de fil utilisé pour les enroulements :

l’émail d’un fil émaillé simple n’est pas pertinent au regard des distances de sécurité, de sorte que ce type de fil doit être considéré comme non isolé, et donc conducteur ;

au contraire, les fils avec une isolation solide et continue, comme ceux avec une isolation solide multicouche (TIW), ceux avec un émaillage sécurisé de haute épaisseur (FIW) ou des câbles électriques avec un indice thermique approprié, doivent être considérés comme isolés en ce qui concerne l’évaluation de la ligne de fuite et du dégagement.
Par conséquent, les seules parties d’un enroulement réalisé avec un fil isolé qui sont pertinentes pour l’évaluation de la ligne de fuite et du dégagement, sont celles dont l’isolation est retirée : généralement les extrémités soudées sur les broches et les broches elles-mêmes.

Par souci de simplicité, les exemples suivants ne mentionneront que le fil TIW pour illustrer tout type de fil à isolation solide.

Exemple 1

Le dessin montre un transformateur avec enroulement primaire (fil orange) et enroulement secondaire (fil jaune) séparés par une bande isolante jaune, représenté en coupe transversale.

Dans ce cas, un fil émaillé simple a été utilisé pour les deux enroulements, ce qui signifie que la bande isolante est le seul isolant séparant les spires des deux enroulements en ce qui concerne la ligne de fuite et le dégagement.

On considère donc les trajets les plus courts entre les spires des deux enroulements passant autour de la bande isolante, comme Cr1 et Cl1.

Exemples 2 et 3

Ce dessin montre une extrémité de l’enroulement primaire isolée par un tube et soudée à une broche.

Comme dans l’exemple 1, le fil utilisé pour l’enroulement secondaire n’est pas du TIW.
Quant à l’enroulement primaire, nous avons deux cas :

1. outre le tube, le fil est simplement émaillé ;
2. outre le tube, un fil TIW a été utilisé.

Dans le premier cas, les distances les plus courtes (Cr2 et Cl2) pourraient être celles entre l’extrémité du tube sur l’enroulement primaire et le point le plus proche sur les spires de l’enroulement secondaire.

Dans le second cas, l’extrémité de l’enroulement primaire est entièrement isolée jusqu’à la soudure sur la broche, de sorte que les distances les plus courtes (Cr3* e Cl3*) pourraient être celles entre la broche du côté primaire et le point le plus proche sur les spires de l’enroulement secondaire.

Cl3* est représenté par deux flèches différentes, indiquant que les chemins de la ligne de fuite et du dégagement qui doivent être vérifiés peuvent être nombreux.

Exemple 4

C’est un exemple de chemins indirects.

Dans certains cas, les distances les plus courtes peuvent être celles entre les bornes de l’enroulement primaire et les bornes de l’enroulement secondaire, traversant le noyau.

Dans cet exemple

• les distances Cr4-A et Cl4-A sont celles entre une borne de l’enroulement primaire et le point le plus proche sur le noyau, respectivement à travers l’air et le long de la surface de la bobine ;
• les distances Cr4-A et Cl4-A sont celles entre une borne de l’enroulement secondaire et le point le plus proche sur le noyau, respectivement à travers l’air et le long de la surface de la bobine ;
• les longueurs des chemins sont calculées comme suit : Cr4 = Cr4-A + Cr4-B et Cl4 = Cl4-A + Cl4- B.

Exemple 5

Cet autre exemple de chemins indirects s’applique dans le cas d’enroulements réalisés avec du fil émaillé simple.

Dans ce cas, les chemins les plus courts pourraient être entre les spires de l’enroulement primaire et les spires de l’enroulement secondaire, en passant par le noyau.

Les longueurs des chemins sont calculées comme suit : Cr5 = Cr5-A + Cr5-B et Cl5 = Cl5-A + Cl5-B.

Exemple 6

D’autres chemins possibles à considérer sont ceux entre les spires de l’enroulement primaire et les broches de l’enroulement secondaire.

Le dessin montre deux chemins de ce genre, entre une broche d’enroulement secondaire et le point le plus proche de l’enroulement primaire (qui se trouve être sous la bande isolante) réalisé avec un fil émaillé simple.

Dans cet exemple, l’enroulement secondaire est réalisé avec du fil TIW, alors que s’il n’avait été qu’émaillé, le chemin le plus court aurait été entre les spires primaires et les spires secondaires, en contournant la bande isolante comme dans l’exemple 1.

Les chemins de dégagement et de ligne de fuite se chevauchent parce qu’il n’y a pas de distances dans l’air plus courtes que celles le long de la surface de la bobine.

Exemple 7

Le positionnement d’autres composants à côté du transformateur peut affecter la conformité de la ligne de fuite et du dégagement.
Lors de l’évaluation de la ligne de fuite et du dégagement, il est également nécessaire de prendre en compte les parties conductrices des composants possibles connectés électriquement aux enroulements du transformateur.

Dans cet exemple

• l’enroulement primaire est réalisé avec un fil émaillé simple ;
• l’enroulement secondaire est réalisé avec du fil TIW ;
• un condensateur est connecté électriquement à l’enroulement secondaire.

Un chemin possible à considérer pour évaluer le dégagement est entre les spires de l’enroulement primaire (sous la bande) vers le sommet non isolé du condensateur, en passant par le noyau.

Comment déterminer la ligne de fuite et le dégagement appropriés ?

Maintenant que nous savons ce qu’est la ligne de fuite et le dégagement, il reste à comprendre comment déterminer les distances de sécurité adéquates pour notre application.

Ce guide ne fournit aucune indication spécifique pour définir les distances nécessaires à votre application.
Pour ce faire, il est nécessaire de se référer aux exigences des normes pertinentes.

Néanmoins, voici une description des éléments à considérer et de la façon dont ils affectent la ligne de fuite et le dégagement requis.

Ces facteurs sont les suivants :

• Tension aux bornes des enroulements, entre les enroulements adjacents et entre les groupes d’enroulements primaire et secondaire ;
• Type d’isolation requise (fonctionnelle, de base, complémentaire, double/renforcée) ;
• Catégorie de surtension (I, II, III, IV) ;
• Degré de pollution (P1, P2, P3) ;
• CTI des matériaux isolants ;
• Altitude maximale, quand à plus de 2 000 m ;
• Fréquence de fonctionnement :
• Champ électrique homogène/inhomogène.

Les paragraphes suivants couvrent chacun de ces facteurs, à l’exception des deux derniers, qui ont un impact limité ou négligeable pour les fréquences de commutation les plus courantes.

Tension aux bornes et entre les enroulements

Tout d’abord, les Cr et Cl nécessaires dépendent des tensions aux bornes des enroulements et des isolations entre les enroulements.

Plus ces tensions sont élevées, plus les Cr & Cl requis sont élevés.

En particulier, les tensions ayant un impact sur la ligne de fuite et le dégagement sont :

• Tension efficace maximale et tension de crête répétitive mesurées aux bornes des enroulements ou des séries d’enroulements ;
• Tension efficace maximale et tension de crête répétitive mesurées à travers l’isolation d’entrée/de sortie, c’est-à-dire entre toute broche latérale primaire et toute broche latérale secondaire, que ce soit à la tension maximale nominale principale (par exemple pour une large plage de 90 à 264 V, elle est généralement de 230 V ou 240 V, pas de 264 V), à vide et à charge maximale. Pendant les essais, le pôle de sortie sur lequel la tension la plus élevée est mesurée doit être mis à la terre.
• Tension efficace maximale et tension de crête répétitive mesurées entre chaque couple d’enroulements physiquement adjacents (séparés uniquement par un matériau isolant) et non interconnectés, à la tension maximale nominale principale, à vide ou à charge maximale.

La tension de crête répétitive a un impact sur la ligne de fuite et le dégagement si elle dépasse 750 Vpk et si une double isolation (voir le paragraphe « Types d’isolation » est obtenue par des fils isolés.
Dans ce cas, des essais de type à décharge partielle sont également requis.
Les tensions transitoires aléatoires doivent être ignorées.

Types d’isolation

Il existe cinq types d’isolation avec quatre niveaux de sécurité différents.
Plus le niveau d’isolation est élevé, plus la ligne de fuite et le dégagement requis sont élevés.

L’isolation entre les enroulements connectés côté secteur et les enroulements de sortie, ou entre n’importe quel enroulement et un autre, peut être des types suivants :

• Fonctionnelle : ne nécessite pas d’épaisseur d’isolation, de ligne de fuite ou de dégagement minimaux.
  L’émail de fil d’enroulement commun est un exemple d’isolation fonctionnelle.
  Ce type d’isolation peut être appliqué entre des enroulements destinés à être reliés entre eux ou dans des composants n’ayant pas de fonction de sécurité.
• De base : exigence standard de base ; il n’y a pas d’épaisseur minimale requise pour l’isolation.
• Complémentaire : isolation supplémentaire avec l’épaisseur minimale requise, pour maintenir un certain degré de sécurité en cas de défaillance de l’isolation de base.
• Double : de base + complémentaire.
• Renforcé : un seul système d’isolation avec une épaisseur minimale requise plus élevée, garantissant le même niveau de sécurité que l’isolation double.

Les transformateurs de sécurité, qui sont de loin les plus couramment utilisés dans les équipements électroniques de puissance, doivent être conformes aux normes EN 61558-1 et EN 61558-2-6, ainsi qu’à la norme EN 61558-2-16 s’ils sont des transformateurs de commutation.
Une isolation double ou renforcée est requise pour tous les transformateurs de sécurité.

À titre d’exemple typique, une isolation double ou renforcée est requise pour les transformateurs alimentés par secteur avec une sortie à très basse tension (ELV – Extra Low Voltage) qui peut entrer en contact avec les personnes.

Une isolation double ou renforcée est également requise lorsqu’aucun contact direct n’est possible mais certaines isolations, ligne de fuite, dégagement etc. ne sont pas garanties contre les conducteurs de sortie.

• OVC-I : catégorie de surtension de l’équipement de connexion aux circuits dans laquelle des mesures sont prises pour limiter les surtensions transitoires à un niveau suffisamment bas (alimenté par transformateur d’isolement).
  Des exemples de tels équipements sont ceux contenant des circuits électroniques protégés à ce niveau.
  Toutefois, à moins que les circuits ne soient conçus pour prendre en compte les surtensions temporaires, les équipements de catégorie de surtension I ne peuvent pas être directement raccordés au secteur.
• OVC-II : catégorie de surtension de l’équipement à fournir à partir de l’installation fixe, mais non connecté en permanence à celle-ci.
  Typiquement, équipement mobile connecté au secteur via une prise.
  Des exemples de cet équipement sont les transformateurs pour appareils électroménagers, les télécommunications, les jouets et les charges similaires.
• OVC-III : catégorie de surtension de l’équipement utilisé dans les installations fixes et pour les cas où la fiabilité et la disponibilité de l’équipement sont soumises à des exigences particulières.
  Des exemples de tels équipements sont des transformateurs dans des installations fixes et des transformateurs à usage industriel avec connexion permanente à l’installation fixe.
  Généralement, l’équipement fixe connecté en aval d’un compteur d’énergie secteur basse tension (<500 Vac).
• OVC-IV : catégorie de surtension des équipements utilisés à l’origine de l’installation.
  A titre d’exemple, on peut citer les transformateurs d’installations fixes de centrales électriques ou proches de telles installations.

La norme EN 61558 exige une OVC-III pour les transformateurs à usage général.

Degré de pollution

Le transformateur est-il installé dans un endroit sec et propre, ou il peut y avoir de la poussière conductrice et de l’humidité ?
Ces éléments affectent la ligne de fuite requise.

Plus l’environnement est pollué, plus la ligne de fuite requise est élevée, alors qu’il n’y a aucun effet sur le dégagement.

Les normes définissent trois degrés de pollution :

• P1 : il n’y a pas de pollution ou seulement une pollution sèche, non conductrice.
  P1 est appliqué à des transformateurs encapsulés et analogues.
  Les exigences de ligne de fuite pour ce degré de pollution ne sont évidemment pas trop restrictives, mais des essais de type longs sont nécessaires pour pouvoir appliquer ces distances.
• P2 : seule une pollution non conductrice se produit, sauf qu’il faut s’attendre occasionnellement à une conductivité temporaire causée par la condensation.
  Le degré P2, qui est la condition la plus courante, est attribué aux transformateurs ayant une enceinte raisonnablement hermétique, mais pas complètement étanche.
• P3: une pollution conductrice se produit, ou une pollution non conductrice sèche se produit qui devient conductrice en raison de la condensation, ce qui est à prévoir.

Se référer à l’ensemble du transformateur, cependant, n’est pas tout à fait correct.
Il serait plus approprié de mentionner les parties du transformateur pour lesquelles les exigences de ligne de fuite et de dégagement sont réellement pertinentes.

A titre d’exemple, pour un transformateur encapsulé en résine (et correctement testé), une ligne de fuite P1 peut être appliquée même dans un environnement P3.
En effet, les enroulements et le noyau n’entreront pas en contact avec la pollution de l’environnement, puisqu’ ils sont incorporés dans la résine.

CTI des matériaux isolants

Certains matériaux isolants sont sujets à un contournement de surface à des tensions plus élevées que d’autres.
Le Comparative Tracking Index (CTI – indice de suivi comparatif) définit la propriété de résister à la tension sans déclencher de décharges de surface.
Le CTI est corrélé à cette tension.

Selon le CTI, les matériaux sont classés par groupes :

Un CTI plus élevé permet une ligne de fuite plus courte, tandis que le dégagement n’est pas affecté.

Altitude

Un transformateur typique

Dans ce cas, une ligne de fuite et un dégagement d’un peu moins de 6 mm sont généralement suffisants, selon la plupart des normes.

Cette situation concerne la grande majorité des cas de l’électronique de puissance.

Néanmoins, il est important de comprendre qu’il est toujours nécessaire de faire des évaluations spécifiques, car il peut y avoir des caractéristiques particulières qui doivent être prises en considération, en plus des exigences standard mineures non abordées dans cet article.