Du balisage aéronautique

A l’occasion du renouvellement du balisage de piste d’un aérodrome, je me suis intéressé d’un peu plus près aux techniques utilisées dans ce cadre. Les premières informations dont j’ai au connaissance semblaient indiquer que les balises étaient connectées en série, ce qui m’a beaucoup surpris et ne fut pas sans éveiller en moi une certaine curiosité. Je partage donc avec vous dans ce billet les informations que j’ai donc glanées ça et la à ce sujet, histoire de ne pas perdre et d’archiver ces informations précieusement collectées.

Les informations dont je disposais initialement étaient bien faibles, mais on pourrait les résumer ainsi :

• les balises sont apparemment montées en série
• le montage des balises en série impose la création d’une double boucle d’alimentation
• les plaques signalétiques des régulateurs indiquent 1500V/6.6A
• il faut placer une balise toutes les 50 m, de chaque côté de la piste (soit 40 balises pour une piste de 1 km) + un certain nombre de balises en bout de piste et sur les pourtours du parking (cette distance de 50 m est la distance retenue pour le projet de réhabilitation. La réglementent de l’OACI prévoit dans l’annexe 14 une distance maximale entre 2 balises de 100 m pour une piste exploitée en VFR et 60 m pour une piste exploitée en IFR : « The lights shall be uniformly spaced in rows at intervals of not more than 60 m for an instrument runway, and at intervals of not more than 100 m for a non-instrument runway » (chapitre 5.3.9 : Runway edge lights)
• Un régulateur peut apparemment être utilisé quelque soit le nombre de balises sur le terrain. Considérant le nombre de balises variables d’un terrain à l’autre, comment peut-on être certain que les balises ne seront pas alimentées en surtension (dans un circuit série, la tension se partage entre les différents équipements connectés : à tension de sortie constante, si on a moins d’équipements branchés, chaque équipement sera alimenté à une tension supérieure) ou en sous-tension (réciproquement).

Ce billet vise à partager avec vous les conclusions auxquelles je suis parvenu suite à mes recherches pour répondre à mes interrogations. Ces conclusions sont issues des documents sur lesquels j’ai pu mettre la main (la documentation publique sur le net concernant ce sujet ne court pas les rues, il faut parfois se contenter de faisceaux d’indices), aussi, il ne faudra pas prendre pour argent comptant tout ce que j’écrirai ici, même si j’ai désormais la certitude d’être tout à fait dans le vrai.

Montage en série des balises

Ma première surprise fut donc d’apprendre que les balises de piste (appelées aeronautical ground lighting, AGL)  sont montées selon un schéma série. On sait tous que le principal défaut de ce type de montage électrique est qu’une défaillance sur un seul des composants du circuit (défaut qui provoquerait l’ouverture du circuit) provoque l’extinction de l’ensemble des appareils présents sur la boucle. La mise en défaut par court-circuit n’est pas beaucoup mieux car dans un tel cas, ce sont les autres récepteurs branchés sur la boucle qui sont en surtension (ce qui devrait aboutir à leur destruction plus ou moins rapide). Dans les cas de balisage de piste, l’extinction inopinée du balisage pour une raison aussi probable que le grillage d’une ampoule ferait assez tâche… et le travail nécessité ensuite pour identifier l’ampoule fautive serait énorme, puisqu’il faudrait ouvrir une à une les balises pour contrôler les ampoules (on a tous vécu ça avec des guirlandes de Noël… essayez de faire pareil avec une guirlande de 60 ampoules réparties sur 6 km…).

J’ai donc continué à creuser un peu, et j’ai fini par comprendre que les balises sont en réalité équipées de transformateurs d’isolation : les primaires des transformateurs sont connectés à la boucle série, et les ampoules (le composant le plus fragile du circuit), sont placées sur le secondaire de chacun des transformateurs. Ces transformateurs sont appelés aeronautical ground lighting series transformers  (AGLST). Ainsi, le claquage d’une ampoule ne provoque pas l’ouverture du circuit (mais seulement une variation de l’impédance de la boucle primaire). J’ai eu au départ quelque doutes sur cette hypothèse des transformateurs d’isolation, car pour moi, la boucle était alimentée en courant continu, hors, un transfo ne peut pas fonctionner en courant continu. La suite de mes recherches m’a permis de découvrir les normes qui régissent ces installations, et notamment la norme IEC 61823 (Electrical installations for lighting and beaconing of aerodromes – AGL series transformers), qui a fini de dissiper mes derniers doutes à ce sujet :  « All testing shall be with a sinusoidal waveform of the rated frequency of the device, (50 Hz ± 1) Hz or (60 Hz ± 1) Hz. » Je pense que cette quasi certitude que du courant continu était utilisé est venu du fait que l’alimentation de la boucle se fait avec un transformateur appelé Régulateur à Courant Constant, abrévié RCC, CC qui signifiait forcément pour moi Courant Continu.

Courant constant et courant alternatif

Cet amalgame a probablement été renforcé par le fait que la quasi totalité de la littérature que l’on trouve sur Internet en tapant « courant constant » dans un moteur de recherche renvoi sur des articles qui traitent du courant continu (exemples : ici, ici, ici ou encore ici). Bref, un bel exemple où Google nous envoi droit dans le mur 😉 .
Dans le cas qui nous intéresse ici, on est donc bien en présence d’un courant alternatif. Le courant est dit constant dans le sens où l’intensité produite par le régulateur vaut une valeur fixée, et ceci quelque soit la charge résistive présente sur le circuit série. Dans le cas des équipements d’aérodromes, la norme (IEC 61821) spécifie que l’intensité de sortie nominale doit être égale à 6.6 A (avec jusqu’à 5 niveaux séléctables afin de permettre le préchauffage des équipements ainsi que plusieurs niveaux d’éclairage, afin que les terrains qui sont équipés en balisage haute-intensité puisse faire fonctionner leurs balises en basse intensité quand les conditions météo ne nécessitent pas la pleine brillance) : « En alimentant toute charge résistive entre l’état à vide (court-circuit) et à pleine charge, le RCC doit fournir un courant de sortie dans la tolérance spécifiée pour chaque réglage d’échelon de courant dans la plage du courant de sortie nominal. »

Régulateur à courant constant

Le régulateur à courant constant à la lourde tâche de délivrer une courant alternatif qui aura une intensité de sortie constante quelque soit la charge résistive connectée. Si on branche une seule ampoule à la sortie du régulateur, cette dernière sera parcourue d’une intensité de 6.6 A, si on en branche 50 en série, elle seront toutes également traversée par cette même valeur d’intensité. Le RCC fait donc varier la tension afin de respecter cette contrainte (loi d’ohm : U=RI)

Les balises utilisées pour le VFR nuit ont une puissance de l’ordre de 30 W (ampoules P28S). Chacune des ampoules a donc une résistance de l’ordre de 0,69 Ω :

Cela tombe bien car c’est l’impédance fixée dans la norme pour la charge connectée au secondaire pour des transformateurs de 30W (la norme prévoit différentes puissances de transformateurs comprise entre 30W et 300W).

On note ω la résistance du fil électrique (considérée non négligeable quand on fait le tour d’une piste, soit plusieurs km. La résistance du câble équivaut à la résistance de plusieurs dizaines d’ampoules selon la longueur de la piste), Φ la résistance unitaire d’une ampoule et ρ le rendement des transformateurs d’isolation (rendement fixé à minimum 80% par la norme pour des transformateurs de 30W au secondaire), le régulateur devra donc, pour imposer une intensité de 6,6 A au circuit, délivrer une tension de :

Le régulateur délivre donc une tension qui est fonction du nombre de balises et de la longueur de câble. Si une des balises rend l’âme, la résistance au passage du courant du transformateur d’isolation diminue, ce qui provoque une augmentation de l’intensité dans la boucle. Le rôle du régulateur est de réagir à ce changement d’impédance, et de réduire la tension délivrée afin que l’intensité reste à la valeur fixée : 6,6 A.

L’autre avantage de ce montage en série, c’est que toutes les balises sont alimentées avec la même intensité (l’intensité dans un circuit série est identique en tout point du circuit), ce qui permet à toutes les balises de briller du même feu. Sur un montage en parallèle, les balises les plus éloignées du point d’alimentation risque de briller moins fort à cause des pertes en ligne. Ce phénomène serait d’autant plus accentué que sur un montage en parallèle, on est nécessairement limité à des basses tensions puisqu’il n’est pas simple de faire fonctionner des ampoules avec des hautes  tensions. Hors, plus la tension est faible, plus l’intensité est élevée (à puissance constante), et donc plus les pertes par effet Joule dans les câbles sont importantes (pour rappel, la puissance dissipée par effet Joule est égale à RI²). Avec un montage série, on se prémunit de ce problème puisque l’intensité sera constante dans le circuit : les pertes pas effet Joule n’augmentent pas (en termes de W/m de câble) si on augmente le nombre de balises. Par ailleurs, comme l’intensité reste relativement faible, on peut tout à fait se contenter d’une section de câble réduite. Avec un circuit parallèle, les pertes pas effet Joule quadruplent à chaque fois que l’on double le nombre de balises (et donc l’intensité dans le circuit) ! Par ailleurs, le régulateur compense automatique les pertes dans le câble pour maintenir l’intensité à la valeur consignée.

Par ailleurs, ce montage présente aussi l’avantage de permettre l’exploitation des mêmes balises en basse et en haute intensité : il suffit de disposer d’un régulateur qui peut imposer différent niveaux d’intensité au circuit.

Enfin, double effet kiss-cool de la boucle série : on économise du câble : un seul câble fait le tour de la piste, contre 2 pour un circuit parallèle… la différence est notable, du simple au double !

Double boucle

La double boucle ne sert donc qu’à se prémunir de la défaillance de l’un des régulateurs, d’un des transformateurs d’isolation ou du câblage. La défaillance du câblage est assez peu probable, s’agissant d’un composant purement passif et relativement bien protégé des agressions extérieures.
La défaillance de l’un des transformateurs de balise est plus probable, mais la norme permet de se prémunir de ce genre de désagrément, en fixant des règles qui imposent de concevoir des transformateurs très costauds. Par exemple, la nome (IEC 61823) impose que le régulateur ne soit pas endommagé par l’ouverture (absence de charge résistive) comme par la mise en court circuit du secondaire, et ceci pour une durée illimitée (« An AGL series transformer is be able to withstand a permanent short or open-circuit secondary series circuit« ), ou encore résister à l’immersion complète sous tension pendant au moins 12 heures, 20 fois de suite.

Pour résumer, l’installation typique d’un aérodrome correspond donc à ce schéma :

En conclusion, ce type de montage me parait tout à fait adapté aux contraintes posées, et contrairement à mon premier a priori, un montage en série dans un tel cas me parait tout à fait adapté une fois que l’on a fait le tour des contraintes qui pèsent sur ce type d’installations.

Références et normes

• IEC 61822 : Electrical installations for lighting and beaconing of aerodromes – Constant current regulators, transcrite en France sous la norme NF EN 61822 (Installations électriques pour l’éclairage et le balisage des aérodromes – Régulateurs de courant constant)
• IEC 61821 : Electrical installations for lighting and beaconing of aerodromes – Maintenance of aeronautical ground lighting constant current series circuits, transcrite en France sous la norme NF EN 61821 (Installations électriques pour l’éclairage et le balisage des aérodromes – Maintenance des circuits série à courant constant pour le balisage aéronautique au sol)
• IEC 61823 : Electrical installations for lighting and beaconing of aerodromes – AGL series transformers, transcrite en France sous la norme NF EN 61823 (Installations électriques pour le balisage et l’éclairage des aérodromes – Transformateurs séries AGL)
• L’annexe 14, Volume I de l’OACI : Aerodrome Design and Operations – PDF (sauvegarde en local sur le blog)
• Un diaporama de formation assez complet sur le sujet – PDF (sauvegarde en local sur le blog)
• Page sur les régulateurs a courant constant d’un distributeur
• Guide technique du balisage des aérodromes, STAC, Mars 2013 – PDF (sauvegarde en local sur le blog)
• Fiche technique d’un régulateur de courant constant (Thorn CCR30) – PDF (sauvegarde en local sur le blog)
• Ampoules utilisées dans les balises aéronautiques – PDF (sauvegarde en local sur le blog)
• Un système d’éclairage mobile – PDF (sauvegarde en local sur le blog)

Je ne peux malheureusement pas produire ici des fac-similés des normées IEC, car leur accès n’est pas libre (j’ai personnellement eu la chance de pouvoir les consulter via mon entreprise, mais je n’ai bien entendu pas le droit de les diffuser).