EMC for power cables

Power cables and electronic systems in general,  act  simultaneously  as  an  Electromagnetic  Interference (EMI) source and receptor, and  both of these properties affect the coexistence  between  systems,  see  figure  1  [4,5].  System  electromagnetic  compatibility  (EMC)  can  be  defined  as  the  ability  of  a  system  to  function  satisfactorily  in  its  electromagnetic  environment without introducing intolerable  disturbance to that environment. EMC has for  object to take into account the disturbances  generated by the electric devices to insure a  correct  functioning  of  other  devices  at  the  same  time.  Standards  were  established  to  specify the maximal level which the device shall  emit  and  also  define  the  minimum  levels  that  the device shall be able to support without  being  disturbed  during  its  functioning.  These  standards concern a large category of devices.  For example, the maximum level of emission is  much lower for devices with medical use than  for  the  industrial  domain.  Up  to  date,  no  regulations  or  standards  concern  specifically  cabling. Indeed, cables are considered as a part  of  whole  electric  system. Thus,  power  cables  should  comply  with  the  electromagnetic  emission  standards  for  industrial  application.  According to the European standard EN   55022, the interference field strength is limited  to 30 dBμV/m for frequency ranging from 30  MHz  to  230  MHz  and  37  dBμV/m  for  high  frequencies up to 1 GHz [1- 3]. According to the definition of EMC, there are  two main identifiable electromagnetic issues: -  Emission:  the  electromagnetic  emission  is  inherent  to  the  functionality  of  the  electrical  systems. Indeed, whenever an electrical current  or  voltage  is  transmitted  in  a  cable,  an  electromagnetic  field  is  generated  in  the  surrounding space, see figure 2  [2]. This field  induces  currents  and  electromotive  forces  in  the neighboring electric circuits and causes  disturbances within the victim circuit. Radiated  emissions are measured as the electric field E,  or magnetic field H generated by the system.  The  radiated  emissions  are  specified  at  a  certain  distance  D  from  the  EMI  source. The  unit usually used for radiated emission  evaluation  is  the  electric  field  strength  unit  expressed by μV/M or dBμV/m. -  Immunity:  the  term  susceptibility  is  usually  used instead of immunity as a measure of the  system  vulnerability  to  electromagnetic  interference. It defines the ability of the system  to  meet  specified  performances  in  its  electromagnetic  environment.  When  electric,  magnetic  or  electromagnetic  fields  impinge  upon an electric device, it couples to the  conductor, travels along it, and induces an  electric  current  on  the  conductor.  The  electromagnetic interferences occur according  three  different  coupling  ways:  inductive,  capacitive and electromagnetic. II.  Variable frequency drive  (vfd) as a perturbation source A  frequency  converter  is  an  electronic  device  that  converts  alternating  voltage  waveform  (AC)  of  constant  frequency  (50  or  60  Hz)  to  variable  waveform  of  another  frequency  and  amplitude.  This  device  is  used  in  VFD  for  controlling  the  rotational  speed  of  an  alternating current electric motor by controlling  the frequency of the electrical power supplied  to  the  motor  in  order  to  reach  specific  operating  characteristics  such  as  variable  speed and torque. The  VFD  usually  consists  of  a  rectifier  stage  (producing direct current) which is then  inverted  to  produce  AC  of  the  desired  frequency.  The  inverter  may  use  thyristors,  IGCTs or IGBTs. If voltage conversion is desired,  a transformer will usually be included in either  the  AC  input  or  output  circuitry  and  this  transformer may also provide galvanic isolation  between the input and output AC circuits, see  figure 3 [6]. The  output  voltage  waveform  of  the  VFD  consists  in  a  train  of  pulses.  The  pulses  amplitude is equal to the DC rectified voltage  while  their  duration  is  modulated  in  order  to  create  an  alternating  voltage  of  variable  frequency  and  amplitude.  figure  4  shows  the  output voltage and current of the VFD applied  to  the  motor.  Due  to  the  rapid  rise  time  of  these  pulses  (for  the  latest  generation  of  IGBT’s, the switching time varies from 100 to  300  nanoseconds),  the  rate  of  change  of  voltage  with  respect  to  time  (dV/dT)  can  exceed  4000  volts  per  millisecond.  Furthermore, VFD generates harmonics of high  frequency up to several MHz. The analysis of  waves of Fourier of the output signal shown in  figure  5  [6],  gives  an  example  of  the  signal  spectrum produced by the VFD. III.  Voltage wave reflection   Often,  transmission-line  impedance  of  the  cable  and  motor  are  different.  As  a  consequence,  pulses  generated  by  the  VFD  tend  to  reflect  back  from  the  motor  terminal  into  the  power  cable.  The,  voltage  wave  reflection is a function of the voltage rise time (  ) and of the length of the motor cables. Indeed,  if the transmission line is long enough i.e. cable  length longer than the pulse wavelength, the  resulting voltages can produce up to twice the  rated line voltage and then increases the  electric  field  on  the  cable  insulation. This  can  lead to premature ageing of the insulation and  eventually  to  partial  discharges  and  dielectric  breakdown.  Consequently,  the  insulation  thickness of the cable is dimensioned to  withstand  the  electric  field  strength  resulting  from  the  reflected  voltage  pulses,  which  are  higher than the sinusoidal rated voltage. IV.  Capacitive leakage current Capacitive coupling represents the transfer of  electric energy between neighboring circuits  trough the shared electric field, see figure 6. A  parasitic  capacitance  exists  always  between  two  conductive  wires.  In  the  presence  of  variable  electric  potential  in  the  perturbing  wire,  the  electric  field  generates  a  leakage  current  within  the  victim  circuit  trough  the  parasitic  capacitances. The  capacitive  leakage  current  increases  significantly  as  a  consequence of pulses generated by the VFD.  Hence, careful consideration should be given to  the dimensioning of the shield to avoid  additional Joule heating on the insulation. V.  Inductive current Inductive  coupling  as  well  as  the  capacitive  coupling occurs where the distance between  the EMI source and receiver is shorter than the  electromagnetic  wavelength,  see  figure  7.  It  represents the transfer of energy from one  circuit to another by means of shared magnetic  field.  Indeed,  the  current  in  the  disturbing  circuit  generates  a  magnetic  field  around  the  conductor.  The  variation  of  magnetic  field  generates an EMF within the neighboring  circuits and induces disturbing current within  the victim circuits. VI.  Radio-frequency  interference Often, an EMI source emits at the same time  electric fields (due to the electric potential) and  magnetic fields (due to the currents). However,  even  if  an  EMI  source  emits  at  first  only  an  electric  field,  the  equations  of  Maxwell  show  that at a certain distance from this source, a  magnetic  field  will  also  appear,  to  form  an  electromagnetic plane wave, see figure 8. This  transformation  takes  place  at  a  distance  depending on the wavelength. The distance is  long for the low frequencies, but short for the  high  frequencies.  It  is  one  of  the  reasons  for  which the measures of EMC are not the same  for  the  low  frequencies  and  for  the  high  frequencies. When this electromagnetic plane  wave reaches a non-shielded wire, it generates  a displacement current within the victim circuit.  The current is then transmitted to the electric  device trough the conductor. VII.  Example of dimensioning  cable shield against rfi To  avoid  the  problems  linked  to  the  electromagnetic disturbances, the interference  sources should be shielded using a conductive  barrier. The electromagnetic shielding consists  in separating the free space into two different  areas using a conductive material, see figure 9.  The  first  area  contains  the  electromagnetic  interference source and the second represents  the shielded space. The aim of the shielding is  to  reduce  the  electromagnetic  radiations  generated by the cable (emission) and to  protect the electric power cable against  external disturbances (immunity). The shielding efficiency of the power cable is  evaluated  using  a  commercial  software  for  electromagnetic  modeling.  The  goal  is  to  determine  the  shielding  efficiency  of  a  given  cable at rated voltage and current, with regard  to  different  shielding  design  in  broadband  of  frequencies, typically from 1 Hz to several GHz.  The  electromagnetic  field  emitted  is  then  calculated in the free space at a given distance  from  the  cable.  Figure  10  shows  the  electromagnetic wave propagation emitted by  an unshielded cable. The electric field strength  radiated by the cable should comply with the  limits of the standards. Table 1 summarizes the  results obtained by simulation of shielded and  unshielded cables. VIII.    CONCLUSION  AND  RECOMMENDATIONS Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  VIII.    Conclusion and  recommendations Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  rules: •  High  frequency  current  pulses  generate  electromagnetic waves propagation in the free  space.  These  radio  frequencies  induce  disturbances  in  neighbor  circuits.  Thus,  an  electromagnetic  screen  is  necessary  to  attenuate the electromagnetic radiations. •  Capacitive leakage current arises in the cable  screen due to the voltage harmonics. The cable  screen  is  then  heated  by  joule  effect.  Careful  attention  to  the  dimension  of  the  screen  equivalent cross section is mandatory to avoid  cable overheating. • Rapid voltage rise time (            ) generates high  frequency  voltage  pulses  up  to  several  megahertz. If the cable length is longer than the  pulse  wavelength,  the  resulting  voltages  can  produce up to twice the rated line voltage. The  cable  insulation  is  then  subjected  to  rapid  ageing  and  appearance  of  partial  discharges  leading to dielectric breakdown. The insulation  thickness should be dimensioned to withstand  up to two times the rated voltage. IX.  References [1]  European  standard  EN  55022:  2006,  Information  technology  equipment.  Radio  disturbance  characteristics.  Limits  and  methods of measurement. [2]  IEC 61000-6-2: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  industrial  environments. [3]  IEC 61000-6-4: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  residential,  commercial and light-industrial environments. [4]  F.  Costa,  G.  Rojat,  “CEM  en  électronique  de  puissance,  Réduction  des  perturbations,  simulation”,  Technique  de  l’ingénieur, N° D3 (292), 2002. [5]   Degauque,  J.  Hamelin,  “Compatibilité  électromagnétique”, édition Dunod 1990. [6]  J.  Delaballe,  “La  CEM:  la  compatibilité  électromagnétique”,  Cahier  Technique  Schneider n° 149. X.  Author Lazhar  Kebbabi,  was  born  in  1975  in  Constantine,  Algeria.  He  received  his  Ph.D.  degree  in  electrical  engineering  in  2006  from  Ecole  Centrale  de  Lyon,  France.  He  presently  works  as  a  R&D  Project  manager  in  Nexans  Research  Center  in  Lyon  in  the  field  of  electromagnetic  modelling,  high  voltage  engineering and dielectric materials. for Power Cables Lazhar Kebabbi Ph.D NEXANS EMC

Power cables and electronic systems in general,  act  simultaneously  as  an  Electromagnetic  Interference (EMI) source and receptor, and  both of these properties affect the coexistence  between  systems,  see  figure  1  [4,5].  System  electromagnetic  compatibility  (EMC)  can  be  defined  as  the  ability  of  a  system  to  function  satisfactorily  in  its  electromagnetic  environment without introducing intolerable  disturbance to that environment. EMC has for  object to take into account the disturbances  generated by the electric devices to insure a  correct  functioning  of  other  devices  at  the  same  time.  Standards  were  established  to  specify the maximal level which the device shall  emit  and  also  define  the  minimum  levels  that  the device shall be able to support without  being  disturbed  during  its  functioning.  These  standards concern a large category of devices.  For example, the maximum level of emission is  much lower for devices with medical use than  for  the  industrial  domain.  Up  to  date,  no  regulations  or  standards  concern  specifically  cabling. Indeed, cables are considered as a part  of  whole  electric  system. Thus,  power  cables  should  comply  with  the  electromagnetic  emission  standards  for  industrial  application.  According to the European standard EN   55022, the interference field strength is limited  to 30 dBμV/m for frequency ranging from 30  MHz  to  230  MHz  and  37  dBμV/m  for  high  frequencies up to 1 GHz [1- 3]. 34 El uso de variadores de frecuencia con motores genera pulsos tensión/corriente  indeseados. La propagación de estos pulsos, así como las perturbaciones de radio  frecuencia dan origen a estrés térmico y eléctrico en el aislamiento del cable. Por lo  tanto, para prevenir el envejecimiento y falla del cable, se debe tener en cuenta la  compatibilidad electromagnética del sistema. El propósito de este artículo es dar  una visión general a los mecanismos de acoplamiento electromagnético de los  convertidores de frecuencia variable (VFD) que afectan los cables, así como el  dimensionamiento de parámetros que deberían ser tenidos en cuenta para reducir  las perturbaciones electromagnéticas. Abstract-- Generalization of frequency converters used for motor drives generate unwanted  high frequency voltage/current pulses. The propagation of these pulses gives rise to  supplementary thermal and electrical strain in the cable insulation, as well as radio frequency  disturbances. Hence, the electromagnetic compatibility of the system should be taken into  consideration to prevent from insulation ageing and cable failure. The purpose of this paper is to  give an overview of the electromagnetic coupling mechanisms whereby the variable frequency  converters (VFD) affects the cables as well as the dimensioning parameters that should be  taken into consideration to reduce the electromagnetic disturbances. Keywords: Words—variable frequency drive, electromagnetic interference,  electromagnetic compatibility Palabras Clave: variadores de frecuencia, interferencia electromagnética,  compatibilidad electromagnéticaETAP, ampacidad cable. According to the definition of EMC, there are  two main identifiable electromagnetic issues: -  Emission:  the  electromagnetic  emission  is  inherent  to  the  functionality  of  the  electrical  systems. Indeed, whenever an electrical current  or  voltage  is  transmitted  in  a  cable,  an  electromagnetic  field  is  generated  in  the  surrounding space, see figure 2  [2]. This field  induces  currents  and  electromotive  forces  in  the neighboring electric circuits and causes  disturbances within the victim circuit. Radiated  emissions are measured as the electric field E,  or magnetic field H generated by the system.  The  radiated  emissions  are  specified  at  a  certain  distance  D  from  the  EMI  source. The  unit usually used for radiated emission  evaluation  is  the  electric  field  strength  unit  expressed by μV/M or dBμV/m. -  Immunity:  the  term  susceptibility  is  usually  used instead of immunity as a measure of the  system  vulnerability  to  electromagnetic  interference. It defines the ability of the system  to  meet  specified  performances  in  its  electromagnetic  environment.  When  electric,  magnetic  or  electromagnetic  fields  impinge  upon an electric device, it couples to the  conductor, travels along it, and induces an  electric  current  on  the  conductor.  The  electromagnetic interferences occur according  three  different  coupling  ways:  inductive,  capacitive and electromagnetic. II.  Variable frequency drive  (vfd) as a perturbation source A  frequency  converter  is  an  electronic  device  that  converts  alternating  voltage  waveform  (AC)  of  constant  frequency  (50  or  60  Hz)  to  variable  waveform  of  another  frequency  and  amplitude.  This  device  is  used  in  VFD  for  controlling  the  rotational  speed  of  an  alternating current electric motor by controlling  the frequency of the electrical power supplied  to  the  motor  in  order  to  reach  specific  operating  characteristics  such  as  variable  speed and torque. The  VFD  usually  consists  of  a  rectifier  stage  (producing direct current) which is then  inverted  to  produce  AC  of  the  desired  frequency.  The  inverter  may  use  thyristors,  IGCTs or IGBTs. If voltage conversion is desired,  a transformer will usually be included in either  the  AC  input  or  output  circuitry  and  this  transformer may also provide galvanic isolation  between the input and output AC circuits, see  figure 3 [6]. The  output  voltage  waveform  of  the  VFD  consists  in  a  train  of  pulses.  The  pulses  amplitude is equal to the DC rectified voltage  while  their  duration  is  modulated  in  order  to  create  an  alternating  voltage  of  variable  frequency  and  amplitude.  figure  4  shows  the  output voltage and current of the VFD applied  to  the  motor.  Due  to  the  rapid  rise  time  of  these  pulses  (for  the  latest  generation  of  IGBT’s, the switching time varies from 100 to  300  nanoseconds),  the  rate  of  change  of  voltage  with  respect  to  time  (dV/dT)  can  exceed  4000  volts  per  millisecond.  Furthermore, VFD generates harmonics of high  frequency up to several MHz. The analysis of  waves of Fourier of the output signal shown in  figure  5  [6],  gives  an  example  of  the  signal  spectrum produced by the VFD. III.  Voltage wave reflection   Often,  transmission-line  impedance  of  the  cable  and  motor  are  different.  As  a  consequence,  pulses  generated  by  the  VFD  tend  to  reflect  back  from  the  motor  terminal  into  the  power  cable.  The,  voltage  wave  reflection is a function of the voltage rise time (  ) and of the length of the motor cables. Indeed,  if the transmission line is long enough i.e. cable  length longer than the pulse wavelength, the  resulting voltages can produce up to twice the  rated line voltage and then increases the  electric  field  on  the  cable  insulation. This  can  lead to premature ageing of the insulation and  eventually  to  partial  discharges  and  dielectric  breakdown.  Consequently,  the  insulation  thickness of the cable is dimensioned to  withstand  the  electric  field  strength  resulting  from  the  reflected  voltage  pulses,  which  are  higher than the sinusoidal rated voltage. IV.  Capacitive leakage current Capacitive coupling represents the transfer of  electric energy between neighboring circuits  trough the shared electric field, see figure 6. A  parasitic  capacitance  exists  always  between  two  conductive  wires.  In  the  presence  of  variable  electric  potential  in  the  perturbing  wire,  the  electric  field  generates  a  leakage  current  within  the  victim  circuit  trough  the  parasitic  capacitances. The  capacitive  leakage  current  increases  significantly  as  a  consequence of pulses generated by the VFD.  Hence, careful consideration should be given to  the dimensioning of the shield to avoid  additional Joule heating on the insulation. V.  Inductive current Inductive  coupling  as  well  as  the  capacitive  coupling occurs where the distance between  the EMI source and receiver is shorter than the  electromagnetic  wavelength,  see  figure  7.  It  represents the transfer of energy from one  circuit to another by means of shared magnetic  field.  Indeed,  the  current  in  the  disturbing  circuit  generates  a  magnetic  field  around  the  conductor.  The  variation  of  magnetic  field  generates an EMF within the neighboring  circuits and induces disturbing current within  the victim circuits. VI.  Radio-frequency  interference Often, an EMI source emits at the same time  electric fields (due to the electric potential) and  magnetic fields (due to the currents). However,  even  if  an  EMI  source  emits  at  first  only  an  electric  field,  the  equations  of  Maxwell  show  that at a certain distance from this source, a  magnetic  field  will  also  appear,  to  form  an  electromagnetic plane wave, see figure 8. This  transformation  takes  place  at  a  distance  depending on the wavelength. The distance is  long for the low frequencies, but short for the  high  frequencies.  It  is  one  of  the  reasons  for  which the measures of EMC are not the same  for  the  low  frequencies  and  for  the  high  frequencies. When this electromagnetic plane  wave reaches a non-shielded wire, it generates  a displacement current within the victim circuit.  The current is then transmitted to the electric  device trough the conductor. VII.  Example of dimensioning  cable shield against rfi To  avoid  the  problems  linked  to  the  electromagnetic disturbances, the interference  sources should be shielded using a conductive  barrier. The electromagnetic shielding consists  in separating the free space into two different  areas using a conductive material, see figure 9.  The  first  area  contains  the  electromagnetic  interference source and the second represents  the shielded space. The aim of the shielding is  to  reduce  the  electromagnetic  radiations  generated by the cable (emission) and to  protect the electric power cable against  external disturbances (immunity). The shielding efficiency of the power cable is  evaluated  using  a  commercial  software  for  electromagnetic  modeling.  The  goal  is  to  determine  the  shielding  efficiency  of  a  given  cable at rated voltage and current, with regard  to  different  shielding  design  in  broadband  of  frequencies, typically from 1 Hz to several GHz.  The  electromagnetic  field  emitted  is  then  calculated in the free space at a given distance  from  the  cable.  Figure  10  shows  the  electromagnetic wave propagation emitted by  an unshielded cable. The electric field strength  radiated by the cable should comply with the  limits of the standards. Table 1 summarizes the  results obtained by simulation of shielded and  unshielded cables. VIII.    CONCLUSION  AND  RECOMMENDATIONS Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  VIII.    Conclusion and  recommendations Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  rules: •  High  frequency  current  pulses  generate  electromagnetic waves propagation in the free  space.  These  radio  frequencies  induce  disturbances  in  neighbor  circuits.  Thus,  an  electromagnetic  screen  is  necessary  to  attenuate the electromagnetic radiations. •  Capacitive leakage current arises in the cable  screen due to the voltage harmonics. The cable  screen  is  then  heated  by  joule  effect.  Careful  attention  to  the  dimension  of  the  screen  equivalent cross section is mandatory to avoid  cable overheating. • Rapid voltage rise time (            ) generates high  frequency  voltage  pulses  up  to  several  megahertz. If the cable length is longer than the  pulse  wavelength,  the  resulting  voltages  can  produce up to twice the rated line voltage. The  cable  insulation  is  then  subjected  to  rapid  ageing  and  appearance  of  partial  discharges  leading to dielectric breakdown. The insulation  thickness should be dimensioned to withstand  up to two times the rated voltage. IX.  References [1]  European  standard  EN  55022:  2006,  Information  technology  equipment.  Radio  disturbance  characteristics.  Limits  and  methods of measurement. [2]  IEC 61000-6-2: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  industrial  environments. [3]  IEC 61000-6-4: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  residential,  commercial and light-industrial environments. [4]  F.  Costa,  G.  Rojat,  “CEM  en  électronique  de  puissance,  Réduction  des  perturbations,  simulation”,  Technique  de  l’ingénieur, N° D3 (292), 2002. [5]   Degauque,  J.  Hamelin,  “Compatibilité  électromagnétique”, édition Dunod 1990. [6]  J.  Delaballe,  “La  CEM:  la  compatibilité  électromagnétique”,  Cahier  Technique  Schneider n° 149. X.  Author Lazhar  Kebbabi,  was  born  in  1975  in  Constantine,  Algeria.  He  received  his  Ph.D.  degree  in  electrical  engineering  in  2006  from  Ecole  Centrale  de  Lyon,  France.  He  presently  works  as  a  R&D  Project  manager  in  Nexans  Research  Center  in  Lyon  in  the  field  of  electromagnetic  modelling,  high  voltage  engineering and dielectric materials. EMC for Power Cables

REVISTA   CIDET  Noviembre 2014 Power cables and electronic systems in general,  act  simultaneously  as  an  Electromagnetic  Interference (EMI) source and receptor, and  both of these properties affect the coexistence  between  systems,  see  figure  1  [4,5].  System  electromagnetic  compatibility  (EMC)  can  be  defined  as  the  ability  of  a  system  to  function  satisfactorily  in  its  electromagnetic  environment without introducing intolerable  disturbance to that environment. EMC has for  object to take into account the disturbances  generated by the electric devices to insure a  correct  functioning  of  other  devices  at  the  same  time.  Standards  were  established  to  specify the maximal level which the device shall  emit  and  also  define  the  minimum  levels  that  the device shall be able to support without  being  disturbed  during  its  functioning.  These  standards concern a large category of devices.  For example, the maximum level of emission is  much lower for devices with medical use than  for  the  industrial  domain.  Up  to  date,  no  regulations  or  standards  concern  specifically  cabling. Indeed, cables are considered as a part  of  whole  electric  system. Thus,  power  cables  should  comply  with  the  electromagnetic  emission  standards  for  industrial  application.  According to the European standard EN   55022, the interference field strength is limited  to 30 dBμV/m for frequency ranging from 30  MHz  to  230  MHz  and  37  dBμV/m  for  high  frequencies up to 1 GHz [1- 3]. Figure 1.  EMC  Phenomena:  conducted  and  radiated  emission and susceptibility [4, 5]. Figure 2.  Electromagnetic  wave  propagation  in  the  free  space [5]. I. Introducción 35 According to the definition of EMC, there are  two main identifiable electromagnetic issues: -  Emission:  the  electromagnetic  emission  is  inherent  to  the  functionality  of  the  electrical  systems. Indeed, whenever an electrical current  or  voltage  is  transmitted  in  a  cable,  an  electromagnetic  field  is  generated  in  the  surrounding space, see figure 2  [2]. This field  induces  currents  and  electromotive  forces  in  the neighboring electric circuits and causes  disturbances within the victim circuit. Radiated  emissions are measured as the electric field E,  or magnetic field H generated by the system.  The  radiated  emissions  are  specified  at  a  certain  distance  D  from  the  EMI  source. The  unit usually used for radiated emission  evaluation  is  the  electric  field  strength  unit  expressed by μV/M or dBμV/m. -  Immunity:  the  term  susceptibility  is  usually  used instead of immunity as a measure of the  system  vulnerability  to  electromagnetic  interference. It defines the ability of the system  to  meet  specified  performances  in  its  electromagnetic  environment.  When  electric,  magnetic  or  electromagnetic  fields  impinge  upon an electric device, it couples to the  conductor, travels along it, and induces an  electric  current  on  the  conductor.  The  electromagnetic interferences occur according  three  different  coupling  ways:  inductive,  capacitive and electromagnetic. II.  Variable frequency drive  (vfd) as a perturbation source A  frequency  converter  is  an  electronic  device  that  converts  alternating  voltage  waveform  (AC)  of  constant  frequency  (50  or  60  Hz)  to  variable  waveform  of  another  frequency  and  amplitude.  This  device  is  used  in  VFD  for  controlling  the  rotational  speed  of  an  alternating current electric motor by controlling  the frequency of the electrical power supplied  to  the  motor  in  order  to  reach  specific  operating  characteristics  such  as  variable  speed and torque. The  VFD  usually  consists  of  a  rectifier  stage  (producing direct current) which is then  inverted  to  produce  AC  of  the  desired  frequency.  The  inverter  may  use  thyristors,  IGCTs or IGBTs. If voltage conversion is desired,  a transformer will usually be included in either  the  AC  input  or  output  circuitry  and  this  transformer may also provide galvanic isolation  between the input and output AC circuits, see  figure 3 [6]. The  output  voltage  waveform  of  the  VFD  consists  in  a  train  of  pulses.  The  pulses  amplitude is equal to the DC rectified voltage  while  their  duration  is  modulated  in  order  to  create  an  alternating  voltage  of  variable  frequency  and  amplitude.  figure  4  shows  the  output voltage and current of the VFD applied  to  the  motor.  Due  to  the  rapid  rise  time  of  these  pulses  (for  the  latest  generation  of  IGBT’s, the switching time varies from 100 to  300  nanoseconds),  the  rate  of  change  of  voltage  with  respect  to  time  (dV/dT)  can  exceed  4000  volts  per  millisecond.  Furthermore, VFD generates harmonics of high  frequency up to several MHz. The analysis of  waves of Fourier of the output signal shown in  figure  5  [6],  gives  an  example  of  the  signal  spectrum produced by the VFD. III.  Voltage wave reflection   Often,  transmission-line  impedance  of  the  cable  and  motor  are  different.  As  a  consequence,  pulses  generated  by  the  VFD  tend  to  reflect  back  from  the  motor  terminal  into  the  power  cable.  The,  voltage  wave  reflection is a function of the voltage rise time (  ) and of the length of the motor cables. Indeed,  if the transmission line is long enough i.e. cable  length longer than the pulse wavelength, the  resulting voltages can produce up to twice the  rated line voltage and then increases the  electric  field  on  the  cable  insulation. This  can  lead to premature ageing of the insulation and  eventually  to  partial  discharges  and  dielectric  breakdown.  Consequently,  the  insulation  thickness of the cable is dimensioned to  withstand  the  electric  field  strength  resulting  from  the  reflected  voltage  pulses,  which  are  higher than the sinusoidal rated voltage. IV.  Capacitive leakage current Capacitive coupling represents the transfer of  electric energy between neighboring circuits  trough the shared electric field, see figure 6. A  parasitic  capacitance  exists  always  between  two  conductive  wires.  In  the  presence  of  variable  electric  potential  in  the  perturbing  wire,  the  electric  field  generates  a  leakage  current  within  the  victim  circuit  trough  the  parasitic  capacitances. The  capacitive  leakage  current  increases  significantly  as  a  consequence of pulses generated by the VFD.  Hence, careful consideration should be given to  the dimensioning of the shield to avoid  additional Joule heating on the insulation. V.  Inductive current Inductive  coupling  as  well  as  the  capacitive  coupling occurs where the distance between  the EMI source and receiver is shorter than the  electromagnetic  wavelength,  see  figure  7.  It  represents the transfer of energy from one  circuit to another by means of shared magnetic  field.  Indeed,  the  current  in  the  disturbing  circuit  generates  a  magnetic  field  around  the  conductor.  The  variation  of  magnetic  field  generates an EMF within the neighboring  circuits and induces disturbing current within  the victim circuits. VI.  Radio-frequency  interference Often, an EMI source emits at the same time  electric fields (due to the electric potential) and  magnetic fields (due to the currents). However,  even  if  an  EMI  source  emits  at  first  only  an  electric  field,  the  equations  of  Maxwell  show  that at a certain distance from this source, a  magnetic  field  will  also  appear,  to  form  an  electromagnetic plane wave, see figure 8. This  transformation  takes  place  at  a  distance  depending on the wavelength. The distance is  long for the low frequencies, but short for the  high  frequencies.  It  is  one  of  the  reasons  for  which the measures of EMC are not the same  for  the  low  frequencies  and  for  the  high  frequencies. When this electromagnetic plane  wave reaches a non-shielded wire, it generates  a displacement current within the victim circuit.  The current is then transmitted to the electric  device trough the conductor. VII.  Example of dimensioning  cable shield against rfi To  avoid  the  problems  linked  to  the  electromagnetic disturbances, the interference  sources should be shielded using a conductive  barrier. The electromagnetic shielding consists  in separating the free space into two different  areas using a conductive material, see figure 9.  The  first  area  contains  the  electromagnetic  interference source and the second represents  the shielded space. The aim of the shielding is  to  reduce  the  electromagnetic  radiations  generated by the cable (emission) and to  protect the electric power cable against  external disturbances (immunity). The shielding efficiency of the power cable is  evaluated  using  a  commercial  software  for  electromagnetic  modeling.  The  goal  is  to  determine  the  shielding  efficiency  of  a  given  cable at rated voltage and current, with regard  to  different  shielding  design  in  broadband  of  frequencies, typically from 1 Hz to several GHz.  The  electromagnetic  field  emitted  is  then  calculated in the free space at a given distance  from  the  cable.  Figure  10  shows  the  electromagnetic wave propagation emitted by  an unshielded cable. The electric field strength  radiated by the cable should comply with the  limits of the standards. Table 1 summarizes the  results obtained by simulation of shielded and  unshielded cables. VIII.    CONCLUSION  AND  RECOMMENDATIONS Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  VIII.    Conclusion and  recommendations Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  rules: •  High  frequency  current  pulses  generate  electromagnetic waves propagation in the free  space.  These  radio  frequencies  induce  disturbances  in  neighbor  circuits.  Thus,  an  electromagnetic  screen  is  necessary  to  attenuate the electromagnetic radiations. •  Capacitive leakage current arises in the cable  screen due to the voltage harmonics. The cable  screen  is  then  heated  by  joule  effect.  Careful  attention  to  the  dimension  of  the  screen  equivalent cross section is mandatory to avoid  cable overheating. • Rapid voltage rise time (            ) generates high  frequency  voltage  pulses  up  to  several  megahertz. If the cable length is longer than the  pulse  wavelength,  the  resulting  voltages  can  produce up to twice the rated line voltage. The  cable  insulation  is  then  subjected  to  rapid  ageing  and  appearance  of  partial  discharges  leading to dielectric breakdown. The insulation  thickness should be dimensioned to withstand  up to two times the rated voltage. IX.  References [1]  European  standard  EN  55022:  2006,  Information  technology  equipment.  Radio  disturbance  characteristics.  Limits  and  methods of measurement. [2]  IEC 61000-6-2: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  industrial  environments. [3]  IEC 61000-6-4: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  residential,  commercial and light-industrial environments. [4]  F.  Costa,  G.  Rojat,  “CEM  en  électronique  de  puissance,  Réduction  des  perturbations,  simulation”,  Technique  de  l’ingénieur, N° D3 (292), 2002. [5]   Degauque,  J.  Hamelin,  “Compatibilité  électromagnétique”, édition Dunod 1990. [6]  J.  Delaballe,  “La  CEM:  la  compatibilité  électromagnétique”,  Cahier  Technique  Schneider n° 149. X.  Author Lazhar  Kebbabi,  was  born  in  1975  in  Constantine,  Algeria.  He  received  his  Ph.D.  degree  in  electrical  engineering  in  2006  from  Ecole  Centrale  de  Lyon,  France.  He  presently  works  as  a  R&D  Project  manager  in  Nexans  Research  Center  in  Lyon  in  the  field  of  electromagnetic  modelling,  high  voltage  engineering and dielectric materials.

Power cables and electronic systems in general,  act  simultaneously  as  an  Electromagnetic  Interference (EMI) source and receptor, and  both of these properties affect the coexistence  between  systems,  see  figure  1  [4,5].  System  electromagnetic  compatibility  (EMC)  can  be  defined  as  the  ability  of  a  system  to  function  satisfactorily  in  its  electromagnetic  environment without introducing intolerable  disturbance to that environment. EMC has for  object to take into account the disturbances  generated by the electric devices to insure a  correct  functioning  of  other  devices  at  the  same  time.  Standards  were  established  to  specify the maximal level which the device shall  emit  and  also  define  the  minimum  levels  that  the device shall be able to support without  being  disturbed  during  its  functioning.  These  standards concern a large category of devices.  For example, the maximum level of emission is  much lower for devices with medical use than  for  the  industrial  domain.  Up  to  date,  no  regulations  or  standards  concern  specifically  cabling. Indeed, cables are considered as a part  of  whole  electric  system. Thus,  power  cables  should  comply  with  the  electromagnetic  emission  standards  for  industrial  application.  According to the European standard EN   55022, the interference field strength is limited  to 30 dBμV/m for frequency ranging from 30  MHz  to  230  MHz  and  37  dBμV/m  for  high  frequencies up to 1 GHz [1- 3]. Figure 3.  Diagram of variable frequency drive (VFD) [4]. Figure 4.   VFD output voltage and current waveform [6]. 36 According to the definition of EMC, there are  two main identifiable electromagnetic issues: -  Emission:  the  electromagnetic  emission  is  inherent  to  the  functionality  of  the  electrical  systems. Indeed, whenever an electrical current  or  voltage  is  transmitted  in  a  cable,  an  electromagnetic  field  is  generated  in  the  surrounding space, see figure 2  [2]. This field  induces  currents  and  electromotive  forces  in  the neighboring electric circuits and causes  disturbances within the victim circuit. Radiated  emissions are measured as the electric field E,  or magnetic field H generated by the system.  The  radiated  emissions  are  specified  at  a  certain  distance  D  from  the  EMI  source. The  unit usually used for radiated emission  evaluation  is  the  electric  field  strength  unit  expressed by μV/M or dBμV/m. -  Immunity:  the  term  susceptibility  is  usually  used instead of immunity as a measure of the  system  vulnerability  to  electromagnetic  interference. It defines the ability of the system  to  meet  specified  performances  in  its  electromagnetic  environment.  When  electric,  magnetic  or  electromagnetic  fields  impinge  upon an electric device, it couples to the  conductor, travels along it, and induces an  electric  current  on  the  conductor.  The  electromagnetic interferences occur according  three  different  coupling  ways:  inductive,  capacitive and electromagnetic. II.  Variable frequency drive  (vfd) as a perturbation source A  frequency  converter  is  an  electronic  device  that  converts  alternating  voltage  waveform  (AC)  of  constant  frequency  (50  or  60  Hz)  to  variable  waveform  of  another  frequency  and  amplitude.  This  device  is  used  in  VFD  for  controlling  the  rotational  speed  of  an  alternating current electric motor by controlling  the frequency of the electrical power supplied  to  the  motor  in  order  to  reach  specific  operating  characteristics  such  as  variable  speed and torque. The  VFD  usually  consists  of  a  rectifier  stage  (producing direct current) which is then  inverted  to  produce  AC  of  the  desired  frequency.  The  inverter  may  use  thyristors,  IGCTs or IGBTs. If voltage conversion is desired,  a transformer will usually be included in either  the  AC  input  or  output  circuitry  and  this  transformer may also provide galvanic isolation  between the input and output AC circuits, see  figure 3 [6]. The  output  voltage  waveform  of  the  VFD  consists  in  a  train  of  pulses.  The  pulses  amplitude is equal to the DC rectified voltage  while  their  duration  is  modulated  in  order  to  create  an  alternating  voltage  of  variable  frequency  and  amplitude.  figure  4  shows  the  output voltage and current of the VFD applied  to  the  motor.  Due  to  the  rapid  rise  time  of  these  pulses  (for  the  latest  generation  of  IGBT’s, the switching time varies from 100 to  300  nanoseconds),  the  rate  of  change  of  voltage  with  respect  to  time  (dV/dT)  can  exceed  4000  volts  per  millisecond.  Furthermore, VFD generates harmonics of high  frequency up to several MHz. The analysis of  waves of Fourier of the output signal shown in  figure  5  [6],  gives  an  example  of  the  signal  spectrum produced by the VFD. III.  Voltage wave reflection   Often,  transmission-line  impedance  of  the  cable  and  motor  are  different.  As  a  consequence,  pulses  generated  by  the  VFD  tend  to  reflect  back  from  the  motor  terminal  into  the  power  cable.  The,  voltage  wave  reflection is a function of the voltage rise time (  ) and of the length of the motor cables. Indeed,  if the transmission line is long enough i.e. cable  length longer than the pulse wavelength, the  resulting voltages can produce up to twice the  rated line voltage and then increases the  electric  field  on  the  cable  insulation. This  can  lead to premature ageing of the insulation and  eventually  to  partial  discharges  and  dielectric  breakdown.  Consequently,  the  insulation  thickness of the cable is dimensioned to  withstand  the  electric  field  strength  resulting  from  the  reflected  voltage  pulses,  which  are  higher than the sinusoidal rated voltage. IV.  Capacitive leakage current Capacitive coupling represents the transfer of  electric energy between neighboring circuits  trough the shared electric field, see figure 6. A  parasitic  capacitance  exists  always  between  two  conductive  wires.  In  the  presence  of  variable  electric  potential  in  the  perturbing  wire,  the  electric  field  generates  a  leakage  current  within  the  victim  circuit  trough  the  parasitic  capacitances. The  capacitive  leakage  current  increases  significantly  as  a  consequence of pulses generated by the VFD.  Hence, careful consideration should be given to  the dimensioning of the shield to avoid  additional Joule heating on the insulation. V.  Inductive current Inductive  coupling  as  well  as  the  capacitive  coupling occurs where the distance between  the EMI source and receiver is shorter than the  electromagnetic  wavelength,  see  figure  7.  It  represents the transfer of energy from one  circuit to another by means of shared magnetic  field.  Indeed,  the  current  in  the  disturbing  circuit  generates  a  magnetic  field  around  the  conductor.  The  variation  of  magnetic  field  generates an EMF within the neighboring  circuits and induces disturbing current within  the victim circuits. VI.  Radio-frequency  interference Often, an EMI source emits at the same time  electric fields (due to the electric potential) and  magnetic fields (due to the currents). However,  even  if  an  EMI  source  emits  at  first  only  an  electric  field,  the  equations  of  Maxwell  show  that at a certain distance from this source, a  magnetic  field  will  also  appear,  to  form  an  electromagnetic plane wave, see figure 8. This  transformation  takes  place  at  a  distance  depending on the wavelength. The distance is  long for the low frequencies, but short for the  high  frequencies.  It  is  one  of  the  reasons  for  which the measures of EMC are not the same  for  the  low  frequencies  and  for  the  high  frequencies. When this electromagnetic plane  wave reaches a non-shielded wire, it generates  a displacement current within the victim circuit.  The current is then transmitted to the electric  device trough the conductor. VII.  Example of dimensioning  cable shield against rfi To  avoid  the  problems  linked  to  the  electromagnetic disturbances, the interference  sources should be shielded using a conductive  barrier. The electromagnetic shielding consists  in separating the free space into two different  areas using a conductive material, see figure 9.  The  first  area  contains  the  electromagnetic  interference source and the second represents  the shielded space. The aim of the shielding is  to  reduce  the  electromagnetic  radiations  generated by the cable (emission) and to  protect the electric power cable against  external disturbances (immunity). The shielding efficiency of the power cable is  evaluated  using  a  commercial  software  for  electromagnetic  modeling.  The  goal  is  to  determine  the  shielding  efficiency  of  a  given  cable at rated voltage and current, with regard  to  different  shielding  design  in  broadband  of  frequencies, typically from 1 Hz to several GHz.  The  electromagnetic  field  emitted  is  then  calculated in the free space at a given distance  from  the  cable.  Figure  10  shows  the  electromagnetic wave propagation emitted by  an unshielded cable. The electric field strength  radiated by the cable should comply with the  limits of the standards. Table 1 summarizes the  results obtained by simulation of shielded and  unshielded cables. VIII.    CONCLUSION  AND  RECOMMENDATIONS Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  VIII.    Conclusion and  recommendations Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  rules: •  High  frequency  current  pulses  generate  electromagnetic waves propagation in the free  space.  These  radio  frequencies  induce  disturbances  in  neighbor  circuits.  Thus,  an  electromagnetic  screen  is  necessary  to  attenuate the electromagnetic radiations. •  Capacitive leakage current arises in the cable  screen due to the voltage harmonics. The cable  screen  is  then  heated  by  joule  effect.  Careful  attention  to  the  dimension  of  the  screen  equivalent cross section is mandatory to avoid  cable overheating. • Rapid voltage rise time (            ) generates high  frequency  voltage  pulses  up  to  several  megahertz. If the cable length is longer than the  pulse  wavelength,  the  resulting  voltages  can  produce up to twice the rated line voltage. The  cable  insulation  is  then  subjected  to  rapid  ageing  and  appearance  of  partial  discharges  leading to dielectric breakdown. The insulation  thickness should be dimensioned to withstand  up to two times the rated voltage. IX.  References [1]  European  standard  EN  55022:  2006,  Information  technology  equipment.  Radio  disturbance  characteristics.  Limits  and  methods of measurement. [2]  IEC 61000-6-2: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  industrial  environments. [3]  IEC 61000-6-4: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  residential,  commercial and light-industrial environments. [4]  F.  Costa,  G.  Rojat,  “CEM  en  électronique  de  puissance,  Réduction  des  perturbations,  simulation”,  Technique  de  l’ingénieur, N° D3 (292), 2002. [5]   Degauque,  J.  Hamelin,  “Compatibilité  électromagnétique”, édition Dunod 1990. [6]  J.  Delaballe,  “La  CEM:  la  compatibilité  électromagnétique”,  Cahier  Technique  Schneider n° 149. X.  Author Lazhar  Kebbabi,  was  born  in  1975  in  Constantine,  Algeria.  He  received  his  Ph.D.  degree  in  electrical  engineering  in  2006  from  Ecole  Centrale  de  Lyon,  France.  He  presently  works  as  a  R&D  Project  manager  in  Nexans  Research  Center  in  Lyon  in  the  field  of  electromagnetic  modelling,  high  voltage  engineering and dielectric materials. EMC for Power Cables

Power cables and electronic systems in general,  act  simultaneously  as  an  Electromagnetic  Interference (EMI) source and receptor, and  both of these properties affect the coexistence  between  systems,  see  figure  1  [4,5].  System  electromagnetic  compatibility  (EMC)  can  be  defined  as  the  ability  of  a  system  to  function  satisfactorily  in  its  electromagnetic  environment without introducing intolerable  disturbance to that environment. EMC has for  object to take into account the disturbances  generated by the electric devices to insure a  correct  functioning  of  other  devices  at  the  same  time.  Standards  were  established  to  specify the maximal level which the device shall  emit  and  also  define  the  minimum  levels  that  the device shall be able to support without  being  disturbed  during  its  functioning.  These  standards concern a large category of devices.  For example, the maximum level of emission is  much lower for devices with medical use than  for  the  industrial  domain.  Up  to  date,  no  regulations  or  standards  concern  specifically  cabling. Indeed, cables are considered as a part  of  whole  electric  system. Thus,  power  cables  should  comply  with  the  electromagnetic  emission  standards  for  industrial  application.  According to the European standard EN   55022, the interference field strength is limited  to 30 dBμV/m for frequency ranging from 30  MHz  to  230  MHz  and  37  dBμV/m  for  high  frequencies up to 1 GHz [1- 3]. Figure 6.  Capacitive coupling and leakage current Figure 7.  Inductive coupling Figure 5.  Current spectrum [6] 37 According to the definition of EMC, there are  two main identifiable electromagnetic issues: -  Emission:  the  electromagnetic  emission  is  inherent  to  the  functionality  of  the  electrical  systems. Indeed, whenever an electrical current  or  voltage  is  transmitted  in  a  cable,  an  electromagnetic  field  is  generated  in  the  surrounding space, see figure 2  [2]. This field  induces  currents  and  electromotive  forces  in  the neighboring electric circuits and causes  disturbances within the victim circuit. Radiated  emissions are measured as the electric field E,  or magnetic field H generated by the system.  The  radiated  emissions  are  specified  at  a  certain  distance  D  from  the  EMI  source. The  unit usually used for radiated emission  evaluation  is  the  electric  field  strength  unit  expressed by μV/M or dBμV/m. -  Immunity:  the  term  susceptibility  is  usually  used instead of immunity as a measure of the  system  vulnerability  to  electromagnetic  interference. It defines the ability of the system  to  meet  specified  performances  in  its  electromagnetic  environment.  When  electric,  magnetic  or  electromagnetic  fields  impinge  upon an electric device, it couples to the  conductor, travels along it, and induces an  electric  current  on  the  conductor.  The  electromagnetic interferences occur according  three  different  coupling  ways:  inductive,  capacitive and electromagnetic. II.  Variable frequency drive  (vfd) as a perturbation source A  frequency  converter  is  an  electronic  device  that  converts  alternating  voltage  waveform  (AC)  of  constant  frequency  (50  or  60  Hz)  to  variable  waveform  of  another  frequency  and  amplitude.  This  device  is  used  in  VFD  for  controlling  the  rotational  speed  of  an  alternating current electric motor by controlling  the frequency of the electrical power supplied  to  the  motor  in  order  to  reach  specific  operating  characteristics  such  as  variable  speed and torque. The  VFD  usually  consists  of  a  rectifier  stage  (producing direct current) which is then  inverted  to  produce  AC  of  the  desired  frequency.  The  inverter  may  use  thyristors,  IGCTs or IGBTs. If voltage conversion is desired,  a transformer will usually be included in either  the  AC  input  or  output  circuitry  and  this  transformer may also provide galvanic isolation  between the input and output AC circuits, see  figure 3 [6]. The  output  voltage  waveform  of  the  VFD  consists  in  a  train  of  pulses.  The  pulses  amplitude is equal to the DC rectified voltage  while  their  duration  is  modulated  in  order  to  create  an  alternating  voltage  of  variable  frequency  and  amplitude.  figure  4  shows  the  output voltage and current of the VFD applied  to  the  motor.  Due  to  the  rapid  rise  time  of  these  pulses  (for  the  latest  generation  of  IGBT’s, the switching time varies from 100 to  300  nanoseconds),  the  rate  of  change  of  voltage  with  respect  to  time  (dV/dT)  can  exceed  4000  volts  per  millisecond.  Furthermore, VFD generates harmonics of high  frequency up to several MHz. The analysis of  waves of Fourier of the output signal shown in  figure  5  [6],  gives  an  example  of  the  signal  spectrum produced by the VFD. III.  Voltage wave reflection   Often,  transmission-line  impedance  of  the  cable  and  motor  are  different.  As  a  consequence,  pulses  generated  by  the  VFD  tend  to  reflect  back  from  the  motor  terminal  into  the  power  cable.  The,  voltage  wave  reflection is a function of the voltage rise time (  ) and of the length of the motor cables. Indeed,  if the transmission line is long enough i.e. cable  length longer than the pulse wavelength, the  resulting voltages can produce up to twice the  rated line voltage and then increases the  electric  field  on  the  cable  insulation. This  can  lead to premature ageing of the insulation and  eventually  to  partial  discharges  and  dielectric  breakdown.  Consequently,  the  insulation  thickness of the cable is dimensioned to  withstand  the  electric  field  strength  resulting  from  the  reflected  voltage  pulses,  which  are  higher than the sinusoidal rated voltage. IV.  Capacitive leakage current Capacitive coupling represents the transfer of  electric energy between neighboring circuits  trough the shared electric field, see figure 6. A  parasitic  capacitance  exists  always  between  two  conductive  wires.  In  the  presence  of  variable  electric  potential  in  the  perturbing  wire,  the  electric  field  generates  a  leakage  current  within  the  victim  circuit  trough  the  parasitic  capacitances. The  capacitive  leakage  current  increases  significantly  as  a  consequence of pulses generated by the VFD.  Hence, careful consideration should be given to  the dimensioning of the shield to avoid  additional Joule heating on the insulation. V.  Inductive current Inductive  coupling  as  well  as  the  capacitive  coupling occurs where the distance between  the EMI source and receiver is shorter than the  electromagnetic  wavelength,  see  figure  7.  It  represents the transfer of energy from one  circuit to another by means of shared magnetic  field.  Indeed,  the  current  in  the  disturbing  circuit  generates  a  magnetic  field  around  the  conductor.  The  variation  of  magnetic  field  generates an EMF within the neighboring  circuits and induces disturbing current within  the victim circuits. VI.  Radio-frequency  interference Often, an EMI source emits at the same time  electric fields (due to the electric potential) and  magnetic fields (due to the currents). However,  even  if  an  EMI  source  emits  at  first  only  an  electric  field,  the  equations  of  Maxwell  show  that at a certain distance from this source, a  magnetic  field  will  also  appear,  to  form  an  electromagnetic plane wave, see figure 8. This  transformation  takes  place  at  a  distance  depending on the wavelength. The distance is  long for the low frequencies, but short for the  high  frequencies.  It  is  one  of  the  reasons  for  which the measures of EMC are not the same  for  the  low  frequencies  and  for  the  high  frequencies. When this electromagnetic plane  wave reaches a non-shielded wire, it generates  a displacement current within the victim circuit.  The current is then transmitted to the electric  device trough the conductor. VII.  Example of dimensioning  cable shield against rfi To  avoid  the  problems  linked  to  the  electromagnetic disturbances, the interference  sources should be shielded using a conductive  barrier. The electromagnetic shielding consists  in separating the free space into two different  areas using a conductive material, see figure 9.  The  first  area  contains  the  electromagnetic  interference source and the second represents  the shielded space. The aim of the shielding is  to  reduce  the  electromagnetic  radiations  generated by the cable (emission) and to  protect the electric power cable against  external disturbances (immunity). The shielding efficiency of the power cable is  evaluated  using  a  commercial  software  for  electromagnetic  modeling.  The  goal  is  to  determine  the  shielding  efficiency  of  a  given  cable at rated voltage and current, with regard  to  different  shielding  design  in  broadband  of  frequencies, typically from 1 Hz to several GHz.  The  electromagnetic  field  emitted  is  then  calculated in the free space at a given distance  from  the  cable.  Figure  10  shows  the  electromagnetic wave propagation emitted by  an unshielded cable. The electric field strength  radiated by the cable should comply with the  limits of the standards. Table 1 summarizes the  results obtained by simulation of shielded and  unshielded cables. VIII.    CONCLUSION  AND  RECOMMENDATIONS Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  VIII.    Conclusion and  recommendations Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  rules: •  High  frequency  current  pulses  generate  electromagnetic waves propagation in the free  space.  These  radio  frequencies  induce  disturbances  in  neighbor  circuits.  Thus,  an  electromagnetic  screen  is  necessary  to  attenuate the electromagnetic radiations. •  Capacitive leakage current arises in the cable  screen due to the voltage harmonics. The cable  screen  is  then  heated  by  joule  effect.  Careful  attention  to  the  dimension  of  the  screen  equivalent cross section is mandatory to avoid  cable overheating. • Rapid voltage rise time (            ) generates high  frequency  voltage  pulses  up  to  several  megahertz. If the cable length is longer than the  pulse  wavelength,  the  resulting  voltages  can  produce up to twice the rated line voltage. The  cable  insulation  is  then  subjected  to  rapid  ageing  and  appearance  of  partial  discharges  leading to dielectric breakdown. The insulation  thickness should be dimensioned to withstand  up to two times the rated voltage. IX.  References [1]  European  standard  EN  55022:  2006,  Information  technology  equipment.  Radio  disturbance  characteristics.  Limits  and  methods of measurement. [2]  IEC 61000-6-2: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  industrial  environments. [3]  IEC 61000-6-4: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  residential,  commercial and light-industrial environments. [4]  F.  Costa,  G.  Rojat,  “CEM  en  électronique  de  puissance,  Réduction  des  perturbations,  simulation”,  Technique  de  l’ingénieur, N° D3 (292), 2002. [5]   Degauque,  J.  Hamelin,  “Compatibilité  électromagnétique”, édition Dunod 1990. [6]  J.  Delaballe,  “La  CEM:  la  compatibilité  électromagnétique”,  Cahier  Technique  Schneider n° 149. X.  Author Lazhar  Kebbabi,  was  born  in  1975  in  Constantine,  Algeria.  He  received  his  Ph.D.  degree  in  electrical  engineering  in  2006  from  Ecole  Centrale  de  Lyon,  France.  He  presently  works  as  a  R&D  Project  manager  in  Nexans  Research  Center  in  Lyon  in  the  field  of  electromagnetic  modelling,  high  voltage  engineering and dielectric materials. REVISTA   CIDET  Noviembre 2014

Power cables and electronic systems in general,  act  simultaneously  as  an  Electromagnetic  Interference (EMI) source and receptor, and  both of these properties affect the coexistence  between  systems,  see  figure  1  [4,5].  System  electromagnetic  compatibility  (EMC)  can  be  defined  as  the  ability  of  a  system  to  function  satisfactorily  in  its  electromagnetic  environment without introducing intolerable  disturbance to that environment. EMC has for  object to take into account the disturbances  generated by the electric devices to insure a  correct  functioning  of  other  devices  at  the  same  time.  Standards  were  established  to  specify the maximal level which the device shall  emit  and  also  define  the  minimum  levels  that  the device shall be able to support without  being  disturbed  during  its  functioning.  These  standards concern a large category of devices.  For example, the maximum level of emission is  much lower for devices with medical use than  for  the  industrial  domain.  Up  to  date,  no  regulations  or  standards  concern  specifically  cabling. Indeed, cables are considered as a part  of  whole  electric  system. Thus,  power  cables  should  comply  with  the  electromagnetic  emission  standards  for  industrial  application.  According to the European standard EN   55022, the interference field strength is limited  to 30 dBμV/m for frequency ranging from 30  MHz  to  230  MHz  and  37  dBμV/m  for  high  frequencies up to 1 GHz [1- 3]. Figure 8.  Electromagnetic coupling Figure 9.  EMI Copper shield.   Figure 10.  Example of electromagnetic wave radiated by an  unshielded cable. Results are obtained using finite element  method simulation. 38 According to the definition of EMC, there are  two main identifiable electromagnetic issues: -  Emission:  the  electromagnetic  emission  is  inherent  to  the  functionality  of  the  electrical  systems. Indeed, whenever an electrical current  or  voltage  is  transmitted  in  a  cable,  an  electromagnetic  field  is  generated  in  the  surrounding space, see figure 2  [2]. This field  induces  currents  and  electromotive  forces  in  the neighboring electric circuits and causes  disturbances within the victim circuit. Radiated  emissions are measured as the electric field E,  or magnetic field H generated by the system.  The  radiated  emissions  are  specified  at  a  certain  distance  D  from  the  EMI  source. The  unit usually used for radiated emission  evaluation  is  the  electric  field  strength  unit  expressed by μV/M or dBμV/m. -  Immunity:  the  term  susceptibility  is  usually  used instead of immunity as a measure of the  system  vulnerability  to  electromagnetic  interference. It defines the ability of the system  to  meet  specified  performances  in  its  electromagnetic  environment.  When  electric,  magnetic  or  electromagnetic  fields  impinge  upon an electric device, it couples to the  conductor, travels along it, and induces an  electric  current  on  the  conductor.  The  electromagnetic interferences occur according  three  different  coupling  ways:  inductive,  capacitive and electromagnetic. II.  Variable frequency drive  (vfd) as a perturbation source A  frequency  converter  is  an  electronic  device  that  converts  alternating  voltage  waveform  (AC)  of  constant  frequency  (50  or  60  Hz)  to  variable  waveform  of  another  frequency  and  amplitude.  This  device  is  used  in  VFD  for  controlling  the  rotational  speed  of  an  alternating current electric motor by controlling  the frequency of the electrical power supplied  to  the  motor  in  order  to  reach  specific  operating  characteristics  such  as  variable  speed and torque. The  VFD  usually  consists  of  a  rectifier  stage  (producing direct current) which is then  inverted  to  produce  AC  of  the  desired  frequency.  The  inverter  may  use  thyristors,  IGCTs or IGBTs. If voltage conversion is desired,  a transformer will usually be included in either  the  AC  input  or  output  circuitry  and  this  transformer may also provide galvanic isolation  between the input and output AC circuits, see  figure 3 [6]. The  output  voltage  waveform  of  the  VFD  consists  in  a  train  of  pulses.  The  pulses  amplitude is equal to the DC rectified voltage  while  their  duration  is  modulated  in  order  to  create  an  alternating  voltage  of  variable  frequency  and  amplitude.  figure  4  shows  the  output voltage and current of the VFD applied  to  the  motor.  Due  to  the  rapid  rise  time  of  these  pulses  (for  the  latest  generation  of  IGBT’s, the switching time varies from 100 to  300  nanoseconds),  the  rate  of  change  of  voltage  with  respect  to  time  (dV/dT)  can  exceed  4000  volts  per  millisecond.  Furthermore, VFD generates harmonics of high  frequency up to several MHz. The analysis of  waves of Fourier of the output signal shown in  figure  5  [6],  gives  an  example  of  the  signal  spectrum produced by the VFD. III.  Voltage wave reflection   Often,  transmission-line  impedance  of  the  cable  and  motor  are  different.  As  a  consequence,  pulses  generated  by  the  VFD  tend  to  reflect  back  from  the  motor  terminal  into  the  power  cable.  The,  voltage  wave  reflection is a function of the voltage rise time (  ) and of the length of the motor cables. Indeed,  if the transmission line is long enough i.e. cable  length longer than the pulse wavelength, the  resulting voltages can produce up to twice the  rated line voltage and then increases the  electric  field  on  the  cable  insulation. This  can  lead to premature ageing of the insulation and  eventually  to  partial  discharges  and  dielectric  breakdown.  Consequently,  the  insulation  thickness of the cable is dimensioned to  withstand  the  electric  field  strength  resulting  from  the  reflected  voltage  pulses,  which  are  higher than the sinusoidal rated voltage. IV.  Capacitive leakage current Capacitive coupling represents the transfer of  electric energy between neighboring circuits  trough the shared electric field, see figure 6. A  parasitic  capacitance  exists  always  between  two  conductive  wires.  In  the  presence  of  variable  electric  potential  in  the  perturbing  wire,  the  electric  field  generates  a  leakage  current  within  the  victim  circuit  trough  the  parasitic  capacitances. The  capacitive  leakage  current  increases  significantly  as  a  consequence of pulses generated by the VFD.  Hence, careful consideration should be given to  the dimensioning of the shield to avoid  additional Joule heating on the insulation. V.  Inductive current Inductive  coupling  as  well  as  the  capacitive  coupling occurs where the distance between  the EMI source and receiver is shorter than the  electromagnetic  wavelength,  see  figure  7.  It  represents the transfer of energy from one  circuit to another by means of shared magnetic  field.  Indeed,  the  current  in  the  disturbing  circuit  generates  a  magnetic  field  around  the  conductor.  The  variation  of  magnetic  field  generates an EMF within the neighboring  circuits and induces disturbing current within  the victim circuits. VI.  Radio-frequency  interference Often, an EMI source emits at the same time  electric fields (due to the electric potential) and  magnetic fields (due to the currents). However,  even  if  an  EMI  source  emits  at  first  only  an  electric  field,  the  equations  of  Maxwell  show  that at a certain distance from this source, a  magnetic  field  will  also  appear,  to  form  an  electromagnetic plane wave, see figure 8. This  transformation  takes  place  at  a  distance  depending on the wavelength. The distance is  long for the low frequencies, but short for the  high  frequencies.  It  is  one  of  the  reasons  for  which the measures of EMC are not the same  for  the  low  frequencies  and  for  the  high  frequencies. When this electromagnetic plane  wave reaches a non-shielded wire, it generates  a displacement current within the victim circuit.  The current is then transmitted to the electric  device trough the conductor. VII.  Example of dimensioning  cable shield against rfi To  avoid  the  problems  linked  to  the  electromagnetic disturbances, the interference  sources should be shielded using a conductive  barrier. The electromagnetic shielding consists  in separating the free space into two different  areas using a conductive material, see figure 9.  The  first  area  contains  the  electromagnetic  interference source and the second represents  the shielded space. The aim of the shielding is  to  reduce  the  electromagnetic  radiations  generated by the cable (emission) and to  protect the electric power cable against  external disturbances (immunity). The shielding efficiency of the power cable is  evaluated  using  a  commercial  software  for  electromagnetic  modeling.  The  goal  is  to  determine  the  shielding  efficiency  of  a  given  cable at rated voltage and current, with regard  to  different  shielding  design  in  broadband  of  frequencies, typically from 1 Hz to several GHz.  The  electromagnetic  field  emitted  is  then  calculated in the free space at a given distance  from  the  cable.  Figure  10  shows  the  electromagnetic wave propagation emitted by  an unshielded cable. The electric field strength  radiated by the cable should comply with the  limits of the standards. Table 1 summarizes the  results obtained by simulation of shielded and  unshielded cables. VIII.    CONCLUSION  AND  RECOMMENDATIONS Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  VIII.    Conclusion and  recommendations Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  rules: •  High  frequency  current  pulses  generate  electromagnetic waves propagation in the free  space.  These  radio  frequencies  induce  disturbances  in  neighbor  circuits.  Thus,  an  electromagnetic  screen  is  necessary  to  attenuate the electromagnetic radiations. •  Capacitive leakage current arises in the cable  screen due to the voltage harmonics. The cable  screen  is  then  heated  by  joule  effect.  Careful  attention  to  the  dimension  of  the  screen  equivalent cross section is mandatory to avoid  cable overheating. • Rapid voltage rise time (            ) generates high  frequency  voltage  pulses  up  to  several  megahertz. If the cable length is longer than the  pulse  wavelength,  the  resulting  voltages  can  produce up to twice the rated line voltage. The  cable  insulation  is  then  subjected  to  rapid  ageing  and  appearance  of  partial  discharges  leading to dielectric breakdown. The insulation  thickness should be dimensioned to withstand  up to two times the rated voltage. IX.  References [1]  European  standard  EN  55022:  2006,  Information  technology  equipment.  Radio  disturbance  characteristics.  Limits  and  methods of measurement. [2]  IEC 61000-6-2: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  industrial  environments. [3]  IEC 61000-6-4: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  residential,  commercial and light-industrial environments. [4]  F.  Costa,  G.  Rojat,  “CEM  en  électronique  de  puissance,  Réduction  des  perturbations,  simulation”,  Technique  de  l’ingénieur, N° D3 (292), 2002. [5]   Degauque,  J.  Hamelin,  “Compatibilité  électromagnétique”, édition Dunod 1990. [6]  J.  Delaballe,  “La  CEM:  la  compatibilité  électromagnétique”,  Cahier  Technique  Schneider n° 149. X.  Author Lazhar  Kebbabi,  was  born  in  1975  in  Constantine,  Algeria.  He  received  his  Ph.D.  degree  in  electrical  engineering  in  2006  from  Ecole  Centrale  de  Lyon,  France.  He  presently  works  as  a  R&D  Project  manager  in  Nexans  Research  Center  in  Lyon  in  the  field  of  electromagnetic  modelling,  high  voltage  engineering and dielectric materials. EMC for Power Cables

Table 1.    Comparison  of  electric  field  strength  obtained  by  simulation between shielded and unshielded cables. Power cables and electronic systems in general,  act  simultaneously  as  an  Electromagnetic  Interference (EMI) source and receptor, and  both of these properties affect the coexistence  between  systems,  see  figure  1  [4,5].  System  electromagnetic  compatibility  (EMC)  can  be  defined  as  the  ability  of  a  system  to  function  satisfactorily  in  its  electromagnetic  environment without introducing intolerable  disturbance to that environment. EMC has for  object to take into account the disturbances  generated by the electric devices to insure a  correct  functioning  of  other  devices  at  the  same  time.  Standards  were  established  to  specify the maximal level which the device shall  emit  and  also  define  the  minimum  levels  that  the device shall be able to support without  being  disturbed  during  its  functioning.  These  standards concern a large category of devices.  For example, the maximum level of emission is  much lower for devices with medical use than  for  the  industrial  domain.  Up  to  date,  no  regulations  or  standards  concern  specifically  cabling. Indeed, cables are considered as a part  of  whole  electric  system. Thus,  power  cables  should  comply  with  the  electromagnetic  emission  standards  for  industrial  application.  According to the European standard EN   55022, the interference field strength is limited  to 30 dBμV/m for frequency ranging from 30  MHz  to  230  MHz  and  37  dBμV/m  for  high  frequencies up to 1 GHz [1- 3]. 39 According to the definition of EMC, there are  two main identifiable electromagnetic issues: -  Emission:  the  electromagnetic  emission  is  inherent  to  the  functionality  of  the  electrical  systems. Indeed, whenever an electrical current  or  voltage  is  transmitted  in  a  cable,  an  electromagnetic  field  is  generated  in  the  surrounding space, see figure 2  [2]. This field  induces  currents  and  electromotive  forces  in  the neighboring electric circuits and causes  disturbances within the victim circuit. Radiated  emissions are measured as the electric field E,  or magnetic field H generated by the system.  The  radiated  emissions  are  specified  at  a  certain  distance  D  from  the  EMI  source. The  unit usually used for radiated emission  evaluation  is  the  electric  field  strength  unit  expressed by μV/M or dBμV/m. -  Immunity:  the  term  susceptibility  is  usually  used instead of immunity as a measure of the  system  vulnerability  to  electromagnetic  interference. It defines the ability of the system  to  meet  specified  performances  in  its  electromagnetic  environment.  When  electric,  magnetic  or  electromagnetic  fields  impinge  upon an electric device, it couples to the  conductor, travels along it, and induces an  electric  current  on  the  conductor.  The  electromagnetic interferences occur according  three  different  coupling  ways:  inductive,  capacitive and electromagnetic. II.  Variable frequency drive  (vfd) as a perturbation source A  frequency  converter  is  an  electronic  device  that  converts  alternating  voltage  waveform  (AC)  of  constant  frequency  (50  or  60  Hz)  to  variable  waveform  of  another  frequency  and  amplitude.  This  device  is  used  in  VFD  for  controlling  the  rotational  speed  of  an  alternating current electric motor by controlling  the frequency of the electrical power supplied  to  the  motor  in  order  to  reach  specific  operating  characteristics  such  as  variable  speed and torque. The  VFD  usually  consists  of  a  rectifier  stage  (producing direct current) which is then  inverted  to  produce  AC  of  the  desired  frequency.  The  inverter  may  use  thyristors,  IGCTs or IGBTs. If voltage conversion is desired,  a transformer will usually be included in either  the  AC  input  or  output  circuitry  and  this  transformer may also provide galvanic isolation  between the input and output AC circuits, see  figure 3 [6]. The  output  voltage  waveform  of  the  VFD  consists  in  a  train  of  pulses.  The  pulses  amplitude is equal to the DC rectified voltage  while  their  duration  is  modulated  in  order  to  create  an  alternating  voltage  of  variable  frequency  and  amplitude.  figure  4  shows  the  output voltage and current of the VFD applied  to  the  motor.  Due  to  the  rapid  rise  time  of  these  pulses  (for  the  latest  generation  of  IGBT’s, the switching time varies from 100 to  300  nanoseconds),  the  rate  of  change  of  voltage  with  respect  to  time  (dV/dT)  can  exceed  4000  volts  per  millisecond.  Furthermore, VFD generates harmonics of high  frequency up to several MHz. The analysis of  waves of Fourier of the output signal shown in  figure  5  [6],  gives  an  example  of  the  signal  spectrum produced by the VFD. III.  Voltage wave reflection   Often,  transmission-line  impedance  of  the  cable  and  motor  are  different.  As  a  consequence,  pulses  generated  by  the  VFD  tend  to  reflect  back  from  the  motor  terminal  into  the  power  cable.  The,  voltage  wave  reflection is a function of the voltage rise time (  ) and of the length of the motor cables. Indeed,  if the transmission line is long enough i.e. cable  length longer than the pulse wavelength, the  resulting voltages can produce up to twice the  rated line voltage and then increases the  electric  field  on  the  cable  insulation. This  can  lead to premature ageing of the insulation and  eventually  to  partial  discharges  and  dielectric  breakdown.  Consequently,  the  insulation  thickness of the cable is dimensioned to  withstand  the  electric  field  strength  resulting  from  the  reflected  voltage  pulses,  which  are  higher than the sinusoidal rated voltage. IV.  Capacitive leakage current Capacitive coupling represents the transfer of  electric energy between neighboring circuits  trough the shared electric field, see figure 6. A  parasitic  capacitance  exists  always  between  two  conductive  wires.  In  the  presence  of  variable  electric  potential  in  the  perturbing  wire,  the  electric  field  generates  a  leakage  current  within  the  victim  circuit  trough  the  parasitic  capacitances. The  capacitive  leakage  current  increases  significantly  as  a  consequence of pulses generated by the VFD.  Hence, careful consideration should be given to  the dimensioning of the shield to avoid  additional Joule heating on the insulation. V.  Inductive current Inductive  coupling  as  well  as  the  capacitive  coupling occurs where the distance between  the EMI source and receiver is shorter than the  electromagnetic  wavelength,  see  figure  7.  It  represents the transfer of energy from one  circuit to another by means of shared magnetic  field.  Indeed,  the  current  in  the  disturbing  circuit  generates  a  magnetic  field  around  the  conductor.  The  variation  of  magnetic  field  generates an EMF within the neighboring  circuits and induces disturbing current within  the victim circuits. VI.  Radio-frequency  interference Often, an EMI source emits at the same time  electric fields (due to the electric potential) and  magnetic fields (due to the currents). However,  even  if  an  EMI  source  emits  at  first  only  an  electric  field,  the  equations  of  Maxwell  show  that at a certain distance from this source, a  magnetic  field  will  also  appear,  to  form  an  electromagnetic plane wave, see figure 8. This  transformation  takes  place  at  a  distance  depending on the wavelength. The distance is  long for the low frequencies, but short for the  high  frequencies.  It  is  one  of  the  reasons  for  which the measures of EMC are not the same  for  the  low  frequencies  and  for  the  high  frequencies. When this electromagnetic plane  wave reaches a non-shielded wire, it generates  a displacement current within the victim circuit.  The current is then transmitted to the electric  device trough the conductor. VII.  Example of dimensioning  cable shield against rfi To  avoid  the  problems  linked  to  the  electromagnetic disturbances, the interference  sources should be shielded using a conductive  barrier. The electromagnetic shielding consists  in separating the free space into two different  areas using a conductive material, see figure 9.  The  first  area  contains  the  electromagnetic  interference source and the second represents  the shielded space. The aim of the shielding is  to  reduce  the  electromagnetic  radiations  generated by the cable (emission) and to  protect the electric power cable against  external disturbances (immunity). The shielding efficiency of the power cable is  evaluated  using  a  commercial  software  for  electromagnetic  modeling.  The  goal  is  to  determine  the  shielding  efficiency  of  a  given  cable at rated voltage and current, with regard  to  different  shielding  design  in  broadband  of  frequencies, typically from 1 Hz to several GHz.  The  electromagnetic  field  emitted  is  then  calculated in the free space at a given distance  from  the  cable.  Figure  10  shows  the  electromagnetic wave propagation emitted by  an unshielded cable. The electric field strength  radiated by the cable should comply with the  limits of the standards. Table 1 summarizes the  results obtained by simulation of shielded and  unshielded cables. VIII.    CONCLUSION  AND  RECOMMENDATIONS Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  VIII.    Conclusion and  recommendations Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  rules: •  High  frequency  current  pulses  generate  electromagnetic waves propagation in the free  space.  These  radio  frequencies  induce  disturbances  in  neighbor  circuits.  Thus,  an  electromagnetic  screen  is  necessary  to  attenuate the electromagnetic radiations. •  Capacitive leakage current arises in the cable  screen due to the voltage harmonics. The cable  screen  is  then  heated  by  joule  effect.  Careful  attention  to  the  dimension  of  the  screen  equivalent cross section is mandatory to avoid  cable overheating. • Rapid voltage rise time (            ) generates high  frequency  voltage  pulses  up  to  several  megahertz. If the cable length is longer than the  pulse  wavelength,  the  resulting  voltages  can  produce up to twice the rated line voltage. The  cable  insulation  is  then  subjected  to  rapid  ageing  and  appearance  of  partial  discharges  leading to dielectric breakdown. The insulation  thickness should be dimensioned to withstand  up to two times the rated voltage. IX.  References [1]  European  standard  EN  55022:  2006,  Information  technology  equipment.  Radio  disturbance  characteristics.  Limits  and  methods of measurement. [2]  IEC 61000-6-2: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  industrial  environments. [3]  IEC 61000-6-4: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  residential,  commercial and light-industrial environments. [4]  F.  Costa,  G.  Rojat,  “CEM  en  électronique  de  puissance,  Réduction  des  perturbations,  simulation”,  Technique  de  l’ingénieur, N° D3 (292), 2002. [5]   Degauque,  J.  Hamelin,  “Compatibilité  électromagnétique”, édition Dunod 1990. [6]  J.  Delaballe,  “La  CEM:  la  compatibilité  électromagnétique”,  Cahier  Technique  Schneider n° 149. X.  Author Lazhar  Kebbabi,  was  born  in  1975  in  Constantine,  Algeria.  He  received  his  Ph.D.  degree  in  electrical  engineering  in  2006  from  Ecole  Centrale  de  Lyon,  France.  He  presently  works  as  a  R&D  Project  manager  in  Nexans  Research  Center  in  Lyon  in  the  field  of  electromagnetic  modelling,  high  voltage  engineering and dielectric materials. REVISTA   CIDET  Noviembre 2014

Power cables and electronic systems in general,  act  simultaneously  as  an  Electromagnetic  Interference (EMI) source and receptor, and  both of these properties affect the coexistence  between  systems,  see  figure  1  [4,5].  System  electromagnetic  compatibility  (EMC)  can  be  defined  as  the  ability  of  a  system  to  function  satisfactorily  in  its  electromagnetic  environment without introducing intolerable  disturbance to that environment. EMC has for  object to take into account the disturbances  generated by the electric devices to insure a  correct  functioning  of  other  devices  at  the  same  time.  Standards  were  established  to  specify the maximal level which the device shall  emit  and  also  define  the  minimum  levels  that  the device shall be able to support without  being  disturbed  during  its  functioning.  These  standards concern a large category of devices.  For example, the maximum level of emission is  much lower for devices with medical use than  for  the  industrial  domain.  Up  to  date,  no  regulations  or  standards  concern  specifically  cabling. Indeed, cables are considered as a part  of  whole  electric  system. Thus,  power  cables  should  comply  with  the  electromagnetic  emission  standards  for  industrial  application.  According to the European standard EN   55022, the interference field strength is limited  to 30 dBμV/m for frequency ranging from 30  MHz  to  230  MHz  and  37  dBμV/m  for  high  frequencies up to 1 GHz [1- 3]. According to the definition of EMC, there are  two main identifiable electromagnetic issues: -  Emission:  the  electromagnetic  emission  is  inherent  to  the  functionality  of  the  electrical  systems. Indeed, whenever an electrical current  or  voltage  is  transmitted  in  a  cable,  an  electromagnetic  field  is  generated  in  the  surrounding space, see figure 2  [2]. This field  induces  currents  and  electromotive  forces  in  the neighboring electric circuits and causes  disturbances within the victim circuit. Radiated  emissions are measured as the electric field E,  or magnetic field H generated by the system.  The  radiated  emissions  are  specified  at  a  certain  distance  D  from  the  EMI  source. The  unit usually used for radiated emission  evaluation  is  the  electric  field  strength  unit  expressed by μV/M or dBμV/m. -  Immunity:  the  term  susceptibility  is  usually  used instead of immunity as a measure of the  system  vulnerability  to  electromagnetic  interference. It defines the ability of the system  to  meet  specified  performances  in  its  electromagnetic  environment.  When  electric,  magnetic  or  electromagnetic  fields  impinge  upon an electric device, it couples to the  conductor, travels along it, and induces an  electric  current  on  the  conductor.  The  electromagnetic interferences occur according  three  different  coupling  ways:  inductive,  capacitive and electromagnetic. II.  Variable frequency drive  (vfd) as a perturbation source A  frequency  converter  is  an  electronic  device  that  converts  alternating  voltage  waveform  (AC)  of  constant  frequency  (50  or  60  Hz)  to  variable  waveform  of  another  frequency  and  amplitude.  This  device  is  used  in  VFD  for  controlling  the  rotational  speed  of  an  alternating current electric motor by controlling  the frequency of the electrical power supplied  to  the  motor  in  order  to  reach  specific  operating  characteristics  such  as  variable  speed and torque. The  VFD  usually  consists  of  a  rectifier  stage  (producing direct current) which is then  inverted  to  produce  AC  of  the  desired  frequency.  The  inverter  may  use  thyristors,  IGCTs or IGBTs. If voltage conversion is desired,  a transformer will usually be included in either  the  AC  input  or  output  circuitry  and  this  transformer may also provide galvanic isolation  between the input and output AC circuits, see  figure 3 [6]. The  output  voltage  waveform  of  the  VFD  consists  in  a  train  of  pulses.  The  pulses  amplitude is equal to the DC rectified voltage  while  their  duration  is  modulated  in  order  to  create  an  alternating  voltage  of  variable  frequency  and  amplitude.  figure  4  shows  the  output voltage and current of the VFD applied  to  the  motor.  Due  to  the  rapid  rise  time  of  these  pulses  (for  the  latest  generation  of  IGBT’s, the switching time varies from 100 to  300  nanoseconds),  the  rate  of  change  of  voltage  with  respect  to  time  (dV/dT)  can  exceed  4000  volts  per  millisecond.  Furthermore, VFD generates harmonics of high  frequency up to several MHz. The analysis of  waves of Fourier of the output signal shown in  figure  5  [6],  gives  an  example  of  the  signal  spectrum produced by the VFD. III.  Voltage wave reflection   Often,  transmission-line  impedance  of  the  cable  and  motor  are  different.  As  a  consequence,  pulses  generated  by  the  VFD  tend  to  reflect  back  from  the  motor  terminal  into  the  power  cable.  The,  voltage  wave  reflection is a function of the voltage rise time (  ) and of the length of the motor cables. Indeed,  if the transmission line is long enough i.e. cable  length longer than the pulse wavelength, the  resulting voltages can produce up to twice the  rated line voltage and then increases the  electric  field  on  the  cable  insulation. This  can  lead to premature ageing of the insulation and  eventually  to  partial  discharges  and  dielectric  breakdown.  Consequently,  the  insulation  thickness of the cable is dimensioned to  withstand  the  electric  field  strength  resulting  from  the  reflected  voltage  pulses,  which  are  higher than the sinusoidal rated voltage. IV.  Capacitive leakage current Capacitive coupling represents the transfer of  electric energy between neighboring circuits  trough the shared electric field, see figure 6. A  parasitic  capacitance  exists  always  between  two  conductive  wires.  In  the  presence  of  variable  electric  potential  in  the  perturbing  wire,  the  electric  field  generates  a  leakage  current  within  the  victim  circuit  trough  the  parasitic  capacitances. The  capacitive  leakage  current  increases  significantly  as  a  consequence of pulses generated by the VFD.  Hence, careful consideration should be given to  the dimensioning of the shield to avoid  additional Joule heating on the insulation. V.  Inductive current Inductive  coupling  as  well  as  the  capacitive  coupling occurs where the distance between  the EMI source and receiver is shorter than the  electromagnetic  wavelength,  see  figure  7.  It  represents the transfer of energy from one  circuit to another by means of shared magnetic  field.  Indeed,  the  current  in  the  disturbing  circuit  generates  a  magnetic  field  around  the  conductor.  The  variation  of  magnetic  field  generates an EMF within the neighboring  circuits and induces disturbing current within  the victim circuits. VI.  Radio-frequency  interference Often, an EMI source emits at the same time  electric fields (due to the electric potential) and  magnetic fields (due to the currents). However,  even  if  an  EMI  source  emits  at  first  only  an  electric  field,  the  equations  of  Maxwell  show  that at a certain distance from this source, a  magnetic  field  will  also  appear,  to  form  an  electromagnetic plane wave, see figure 8. This  transformation  takes  place  at  a  distance  depending on the wavelength. The distance is  long for the low frequencies, but short for the  high  frequencies.  It  is  one  of  the  reasons  for  which the measures of EMC are not the same  for  the  low  frequencies  and  for  the  high  frequencies. When this electromagnetic plane  wave reaches a non-shielded wire, it generates  a displacement current within the victim circuit.  The current is then transmitted to the electric  device trough the conductor. VII.  Example of dimensioning  cable shield against rfi To  avoid  the  problems  linked  to  the  electromagnetic disturbances, the interference  sources should be shielded using a conductive  barrier. The electromagnetic shielding consists  in separating the free space into two different  areas using a conductive material, see figure 9.  The  first  area  contains  the  electromagnetic  interference source and the second represents  the shielded space. The aim of the shielding is  to  reduce  the  electromagnetic  radiations  generated by the cable (emission) and to  protect the electric power cable against  external disturbances (immunity). The shielding efficiency of the power cable is  evaluated  using  a  commercial  software  for  electromagnetic  modeling.  The  goal  is  to  determine  the  shielding  efficiency  of  a  given  cable at rated voltage and current, with regard  to  different  shielding  design  in  broadband  of  frequencies, typically from 1 Hz to several GHz.  The  electromagnetic  field  emitted  is  then  calculated in the free space at a given distance  from  the  cable.  Figure  10  shows  the  electromagnetic wave propagation emitted by  an unshielded cable. The electric field strength  radiated by the cable should comply with the  limits of the standards. Table 1 summarizes the  results obtained by simulation of shielded and  unshielded cables. VIII.    CONCLUSION  AND  RECOMMENDATIONS Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  VIII.    Conclusion and  recommendations Three  main  issues,  listed  below,  should  be  taken into consideration to comply with EMC  rules: •  High  frequency  current  pulses  generate  electromagnetic waves propagation in the free  space.  These  radio  frequencies  induce  disturbances  in  neighbor  circuits.  Thus,  an  electromagnetic  screen  is  necessary  to  attenuate the electromagnetic radiations. •  Capacitive leakage current arises in the cable  screen due to the voltage harmonics. The cable  screen  is  then  heated  by  joule  effect.  Careful  attention  to  the  dimension  of  the  screen  equivalent cross section is mandatory to avoid  cable overheating. • Rapid voltage rise time (            ) generates high  frequency  voltage  pulses  up  to  several  megahertz. If the cable length is longer than the  pulse  wavelength,  the  resulting  voltages  can  produce up to twice the rated line voltage. The  cable  insulation  is  then  subjected  to  rapid  ageing  and  appearance  of  partial  discharges  leading to dielectric breakdown. The insulation  thickness should be dimensioned to withstand  up to two times the rated voltage. IX.  References [1]  European  standard  EN  55022:  2006,  Information  technology  equipment.  Radio  disturbance  characteristics.  Limits  and  methods of measurement. [2]  IEC 61000-6-2: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  industrial  environments. [3]  IEC 61000-6-4: 2006, Electromagnetic  compatibility  (EMC)  –  Part  6-4:  Generic  standards  –  Immunity  for  residential,  commercial and light-industrial environments. [4]  F.  Costa,  G.  Rojat,  “CEM  en  électronique  de  puissance,  Réduction  des  perturbations,  simulation”,  Technique  de  l’ingénieur, N° D3 (292), 2002. [5]   Degauque,  J.  Hamelin,  “Compatibilité  électromagnétique”, édition Dunod 1990. [6]  J.  Delaballe,  “La  CEM:  la  compatibilité  électromagnétique”,  Cahier  Technique  Schneider n° 149. X.  Author Lazhar  Kebbabi,  was  born  in  1975  in  Constantine,  Algeria.  He  received  his  Ph.D.  degree  in  electrical  engineering  in  2006  from  Ecole  Centrale  de  Lyon,  France.  He  presently  works  as  a  R&D  Project  manager  in  Nexans  Research  Center  in  Lyon  in  the  field  of  electromagnetic  modelling,  high  voltage  engineering and dielectric materials. CERTIFICACIÓN