Protection contre la foudre dans les installations BT

 Généralités 

La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive

Certains nuages (cumulo-nimbus) créent les conditions météorologiques favorables à l'accumulation de charges électriques (condensateur géant)

Lorsque le champ électrostatique dépasse les limites diélectriques de l'air (variables selon les onditions d'humidité et de pression) une décharge de foudre se produit accompagnée d'une onde acoustique : le tonnerre (engendré par la brutale dilatation de l'air surchauffé par l'arc électrique)

En France, le nombre de coups de foudre qui frappe le sol est de l’ordre de 1 millions par an

Quelques chiffres (par an) :- 20 à 40 morts- 20 000 animaux foudroyés- 20 000 sinistres dus à la foudre dont 15 000 incendies- 50 000 compteurs électriques détruits- 250 clochers détruits

Toutes les zones géographiques ne sont pas concernées de la même façonDeux paramètres facilitent la classification :

La densité de foudroiement (niveau Ng)qui définit le nombre d'impacts de foudrepar an et par km2 dans une région

Le niveau kéraunique (niveau Nk)qui définit le nombre de jours d'orage par an

Ces paramètres sont liés par la relation approximativeNg = Nk/10

 

>> Carte détaillée

Lors d'un impact de foudre des surtensions transitoires d'amplitude importante (plusieurs milliers de volts) et de courte durée (de la microseconde à la milliseconde) sont créées

soit par impacts directs sur les lignes extérieures aériennes soit par rayonnement électromagnétique

(le spectre des fréquences rayonnées lors du coup de foudres'étend du MHz au GHz)

soit par remontée du potentiel de la terre

Des problèmes peuvent alors apparaîtresur les équipements connectés aux réseaux perturbés

destruction ou fragilisation des composants électroniques

destructions des circuits imprimés blocage ou perturbation de fonctionnement des appareils

vieillissement accéléré du matériel

Effets de la foudre 

Les effets directs - la foudre frappe directement la structure - sont essentiellement thermoélectriques, dus à la circulation du très fort courant qui échauffe la matière et cause des dommages très importants (incendies, brûlures et destructions)

Les effets indirects - la foudre ne touche pas la structure - produisent des surtensions par conduction, par induction ou par élévation du potentiel de terre

Surtensions par conduction

Un impactsur des lignes aériennes d’alimentation électriqueou sur les lignes de télécommunicationscrée une surtensionqui est véhiculée le long de ces ligneset qui peut entraîner la destructionsdes appareils qui y sont raccordés

Surtensions induitesLe rayonnement électromagnétique dû à la foudreproduit des tensions induitesdans les circuits formant des boucleset peut entraîner la destructionou le dysfonctionnement des appareils

Élévation du potentiel de terre

Lorsqu’un point de la terre reçoit la foudrela circulation du courant crée dans le solune tension électriquefonction de la résistivité du solet de la distance à l'impact Cette différence de potentielpeut entraîner le passage du courantdans les membres inférieurs (tension de pas)

Deux grands types de protection permettent de supprimer ou de limiter ces effets:

protections primaires: IEPF (Installation Extérieure de Protection Foudre) protections secondaires: IIPF (Installation Intérieure de Protection Foudre)

 Modélisation de la foudre 

90% des surtensions peuvent être modélisées à partir des 3 ondes de courant typiques

onde 8/20 onde 10/350 onde 1,2/50

 

 Protections primaires 

Les dispositifs extérieurs de protection de l'installation contre les effets directs de la foudre sont constitués:

d'un dispositif de capture (fils tendus, paratonnerres...) d'une prise de terre, formée d'un réseau de conducteurs nus et enterrés, en contact intime

avec le sol de conducteurs de descente, qui assurent la jonction entre le dispositif de capture et la prise

de terre

 Paratonnerre 

Le paratonnerre est un dispositif qui a été inventé en 1752par Benjamin Franklin

L'effet de pointe qu'il procure rend plus probablele parcours de la foudre par son intermédiaire

Son rôle principal est d'éviter des incendies et des dégradationsde la structure du bâtiment qu'il protège

Il est connecté à la terrepar des conducteurs de "descente"

 Fils tendus 

Ce sont des câbles tendusau-dessus de l’ouvrage à protéger

Pour protéger les réseaux électriqueson installe au dessus des conducteursdes câbles de garde

détail

Ces câbles peuvent contenirdes fibres optiqueset servent ainside support de communication

 Cage maillée 

C'est une cage de FaradayCe principe est utilisé pour les bâtiments sensibles (matériel informatique...)

Des feuillards sont disposés à l’extérieur du bâtiment, de façon symétriqueLes conducteurs de descente sont reliés à la terre par des pattes d’oies

Cette meilleure équipotentialité du bâtiment et la division des courants de foudreréduit fortement les champs électromagnétiques

 Protections secondaires 

La protection des installations électriquescontre les surtensions produites par la foudresur les conducteurs actifs des liaisons électriquesest réalisée par l'utilisation de composants parasurtenseurs(éclateurs, thermistances, diodes transil)qui ont pour but de dériver l'énergie de l'impulsion directement vers la terreet de réduire l'amplitude des surtensions P-N, P-PE et N-PE

 Technologie des parafoudres 

 Éclateur 

Un éclateur est composé de deux électrodes placées dans un milieu qui peut être

l'air ambiant (éclateur à air) l'air en milieu clos (éclateur à air encapsulé) le gaz (éclateurs à gaz)

Au-delà d'une certaine tension entre les électrodesun amorçage se produit et le courant passe en formant un arc électrique

Application : parafoudre de type 1, parafoudre téléphonique

 Varistance 

La varistance est le composant le plus utilisé pour la protection BT

Au-delà d'une certaine tensionl'impédance de la varistance chutepour permettre l'évacuation du courant

Quand la tension revient à son niveau normall'impédance de la varistancereprend sa valeur à l'état de veille

Application : parafoudre de type 2

SYMBOLE

 Diode Transil 

La diode Transil est un semiconducteur qui utilise l'effet Zener

Sa durée de vie est importante et son temps de réponse très faible

Elle est très utilisée pour la protection des équipements de télécommunication

Application : parafoudre de protection fine, parafoudre téléphonique

 Protections série et protection parallèle 

Parafoudre en série(protection téléphonique)

Parafoudre en parallèle(protection secteur)

Normes 

La Norme Française NF C 15-100 impose l’installation de parafoudres pour

les bâtiments équipés de paratonnerres (parafoudre type 1 Iimp ≥ 12,5 kA)

les bâtiments dont la ligne d'alimentation est entièrement ou partiellement aériennese trouvant dans les départements en zones AQ2 (parafoudre type 2 In ≥ 5 kA)

les bâtiments avec services médicalisésou équipés de systèmes de sécurité (incendie...)se trouvant dans les départements en zones AQ2 (parafoudre type 2 In ≥ 5 kA)

Lorsqu’un parafoudre est installé sur le circuit de puissance, il est recommandé d’installer un parafoudre sur les circuits de communication (ligne téléphonique ou de données...)

Les départements en zone AQ2 sont représentés en rouge sur la carte >>>

La Norme Européenne NF EN 61643-11 caractérise les parafoudres

de type 1 selon l’onde 10/350 μs de type 2 selon l’onde 8/20 μs

de type 3 selon l’onde 1,2/50 μs - 8/20 μs

EN 61-643-11                  Performances requises des parafoudres sur les réseaux BT

Classe IProtection contreles courants de coups de foudre directs onde 10/350 µs

Classe IIProtection contreles courants de coups de foudre indirects(surtensions) onde 8/20 µs

Classe IIIProtection contreles surtensions industriellesonde 1,2/50 µs et 8/20 µs

Parafoudre de type 1 Parafoudre de type 2 Parafoudre de type 3

Synthèse de la NF C 15-100 concernant l’installation de dispositifs de protection contre les surtensions

Section 443

Surtensions d’origine atmosphérique ou dues à des manoeuvres

Les règles énoncées sont destinées à décrire les moyens permettant de limiter les surtensions transitoires à des niveaux compatibles avec les tensions nominales de tenue aux chocs des matériels électriques

Cas d’une installation alimentée en basse tension souterraine ou aérienne isolée avec écran métallique à la terre : la tension de tenue aux chocs est présumée suffisante et une protection supplémentaire ne serait nécessaire que dans le cas où le risque de surtension entraînerait un préjudice important lié à une utilisation de l’installation

Cas d’une installation alimentée totalement ou partiellement en conducteurs nus ou torsadés aériens : une protection contre les surtensions est recommandée à l’origine de l’installation

Le choix des matériels dans l’installation devra respecter le tableau ci-dessousSi des matériels ont une tension de tenue aux chocs inférieure à celle indiquée dans le tableau, on respectera les règles décrites précédemment

Tension nominale de l’installation (V)

Tension assignée de tenue aux chocs (kV)

Matériels de tenue aux chocs

très élevée élevée normale réduite

compteur électrique

appareil de télémesure

appareil de distribution

disjoncteur

interrupteur

matériel industriel

appareilélectrodomestique

outil portatif

matériel avec circuitélectronique

230/440 6 4 2,5 1,5

400/690 - 1000 8 6 4 2,5

Section 534

Emplacement et niveau de protection

Les parafoudres protègent l’ensemble de l’installationIls sont disposés en aval du dispositif de sectionnement situé en tête d’installation

Le niveau de protection des parafoudres doit correspondre à la tension de tenue aux chocs des matériels à protéger et aux courants de décharge

Les parafoudres sont montés en tête d’installation (dans ce cas le courant de décharge recommandé est de In = 5 kA, sous onde 8/20, et un niveau de protection Up=2,5 kV à In) et près du matériel lorsque celui-ci est particulièrement sensible

Mise en oeuvre des parafoudres

Les parafoudres se connectent entre phase et terre ou phase et PE (schéma TNC et IT) et entre phase et PE et aussi neutre et PE (schéma TT et TNS)

Les conducteurs reliant les bornes du parafoudre aux conducteurs actifs et à la barrette de terre doivent être les plus courts possibles (< 0,5 m)

 Évaluation du risque 

Risque lié au site : E = Ng (1 + BT + HT + d)

Ng densité de foudroiement (voir carte) BT longueur de la ligne aérienne

entre le transformateur et l'installation- 100 m : BT = 0,2- 200m : BT = 0,4- 300 m : BT = 0,6- 400 m : BT = 0,8- >=500m : BT = 1- ligne enterrée : BT = 0

HT nature du réseau Haute Tension- aérien : HT = 1- souterrain : HT = 0

d situation de la ligne aérienne BT et du bâtiment- entourés de structures : d = 0- quelques structures voisines : d = 0,5- terrain plat ou découvert : d = 0,75- crête, plan d'eau, montagne, paratonnerre : d = 1

Risque lié aux récepteurs à protéger : R = S + C + I

S sensibilité du matériel aux surtensions- sensibilité peu importante : S = 1- sensibilité moyenne : S = 2- sensibilité importante : S = 3

 

C coût du matériel- coût faible : C = 1 (< 1500 €) - coût moyen : C = 2 (de 1500 € à 15000 €) - coût élevé : C = 3 (>15000 €

 

I incidence de l'indisponibilité du matériel- incidence faible : I = 1- incidence moyenne : I = 2- incidence élevée : I = 3

Choix du courant maximal de décharge Imax

Imax E =< 1 1 < E < 4 E >= 4

R = 8 ou 9 30 - 40 kA 65 kA 65 kA

R = 6 ou 7 15 kA 30 - 40 kA 65 kA

R =< 5 15 kA 15 kA 30 - 40 kA

Choix du calibre du disjoncteur de déconnexion

Imax Calibre Courbe

8 à 40 kA 20 A C

65 kA 50 A C

 

Exemple

Une maison individuelle située en terrain découvert près d'Avignon (Vaucluse - 84) est alimentée par une ligne aérienne BT monophasée de 200 m de long. Le poste HTA/BT est alimenté en aérien. Le matériel à protéger est considéré comme très sensible (vidéo, ordinateur, Hi-Fi). La valeur de tous ces équipements est estimée à 10 000 €.

Ng = 4 (d'après le carte) | BT = 0,4 | HT = 1 | d = 0,75 | E = 12,6S = 3 | C = 2 | I = 2 | R = 7

Imax = 65 kADisjoncteur de déconnexion 50 A courbe C

 Caractéristiques techniques des parafoudres 

Notice technique d'un parafoudre de type 2

Courant de choc Iimp C'est le courant que peut écouler à la terre, un parafoudre de type 1 (en présence d'un paratonnerre)

 Déconnexion du parafoudre 

 Règles d'installation et de mise en oeuvre des parafoudres principaux  (parafoudres de tête)

La mise en oeuvre des parafoudres doit respecter un certain nombre de règles, souvent liées à la compatibilité électromagnétique

la section des conducteurs de connexion au parafoudre (de préférence multibrins)doit être la plus grande possible (capacité maximale des bornes de connexion) La longueur de la liaison de terre entre le coffret de distributionet le coffret de communication ne doit pas dépasser 50 cm

Section des conducteurs de terre

Minimale 4 mm²

En présence d'un paratonnerre 10 mm²

Liaison entre le coffret de distribution et le coffret de communication 6 mm²

Le parafoudre de tête doit assurerau moins une protection en mode commun

(entre les conducteurs actifs et la terre)Si la prise de terre de l'installation est mauvaise

une protection en mode différentiel est conseillée

(entre les conducteurs actifs)

Le circuit du parafoudredoit être séparé

des circuits d'utilisationafin de ne pas les polluer

lors du passagedu courant de foudre

La surface des bouclesdoit être la plus réduite possible

Les conducteurs actifset les conducteurs de protection

doivent être les plus proches possibles

Les impédances

ZA, ZB et ZTrésultent de la longueur des connexions

La surtension L di/dt due à

l'inductance des câbles

peut atteindre quelques kVpar mètre de

câble

Lors du coup de foudre

la tension sur les circuits d'utilisation

estU = UA + UB

+ UP + UT

ZA peut être réduite

en câblant au plus court

ZB peut être réduite

en utilisant un parafoudreautoprotégé monobloc(figure 1)

ZT peut être réduite

en utilisant un bornier

intermédiairedirectement

relié à la prise de terre

(figure 2)ou en utilisant

un matérielà bornes

dédoublées(figure 3)

  Figure 1 Figure 2 Figure 3

 Règles d'installation et de mise en oeuvre des parafoudres secondaires 

Les parafoudres secondaires sont :

les parafoudres de protection fine, destinés à protéger les équipements sensibles- lorsque ceux-ci sont situés trop loin du parafoudre de tête- lorsque le parafoudre de tête a un niveau de tension Up trop important leurs règles de raccordement sont identiques à celles des parafoudres de tête

La distance entre le parafoudre principalet le parafoudre de protection finedoit être la plus grande possible

( > 1 mètre)de façon à ce que

l'impédance de cette liaisonpermette une bonne répartition

du courant de foudre 90% - 10%

La distance entre la protection fineet le matériel sensible

doit être la plus courte possible

Il est donc préférable d'utiliserun coffret divisionnaire

proche du matériel à protéger

les parafoudres téléphoniques, destinés à protéger les éléments connectés à la ligne téléphoniqueCes parafoudres ont des caractéristiques différentes selon qu'ils protègent un réseau analogique (RTC) ou numérique (RNIS)Leur niveau de protection (Up) est plus faible que celui des parafoudres secteur (de l'ordre de 600 V) La liaison de terre entre le coffret de distribution BT et le coffret de communication doit avoir une section minimale de 6 mm²Sa longueur ne doit pas dépasser 50 cm

 Mise en cascade des parafoudres 

Une bonne protection parafoudre nécessite la combinaison de plusieurs parafoudres en cascadeEn effet, le parafoudre de tête dérive la plus grande partie de l’énergie mais ne protège pas toute l’installationUne protection de circuit peut être nécessaire pour compléter la protection de têteLa protection fine est installée le plus près possible du matériel à protéger

 Parafoudres et Schémas de Liaison à la Terre 

Schéma TTUne protection de mode différentielest souhaitable en complémentde la protection de mode commun

Schéma TNSUne protection de mode différentielest souhaitable en complémentde la protection de mode commun

Schéma ITLa protection de mode communest suffisante

 Exemples de matériels 

Parafoudre type 1

à cartouche fixedestiné aux installationsà niveau de risque élevé

(présence d'un paratonnerre)

   

 

Parafoudre débrochable type 2

à cartouche débrochablequi peut être remplacée

sans démontageen cas de destruction

 

 

Parafoudre auto-protégé type 2

associé à un disjoncteurqui permet la déconnexionen cas de destruction de la

cartouche 

Parafoudres de protection téléphonique

raccordement au circuit téléphonique

par bornes à vis ou par connecteur RJ45

 

 

 Schémas de branchement (installation domestique) 

Parafoudre secteur Parafoudre téléphonique