Effets de la foudre

Protection contre la foudre dans les installations BT

Patrick ABATI – 08/10/2007

Table des matières

Généralités...2

Effets de la foudre...3

Surtensions par conduction...3

Surtensions induites...3

Élévation du potentiel de terre...4

Modélisation de la foudre...4

Protections primaires...5

Paratonnerre...5

Fils tendus...5

Cage maillée...5

Protections secondaires...6

Technologie des parafoudres...6

Éclateur...6

Varistance...6

Diode Transil...7

Protections série et protection parallèle...7

Parafoudre en série (protection téléphonique)...7

Parafoudre en parallèle (protection secteur)...7

Normes...8

Synthèse de la NF C 15-100...9

Surtensions d’origine atmosphérique ou dues à des manœuvres...9

Emplacement et niveau de protection...9

Mise en oeuvre des parafoudres...9

Évaluation du risque...10

Choix du courant maximal de décharge Imax...10

Choix du calibre du disjoncteur de déconnexion...10

Exemple...10

Caractéristiques techniques des parafoudres...11

Déconnexion du parafoudre...12

Règles d'installation et de mise en oeuvre des parafoudres principaux...13

Règles d'installation et de mise en oeuvre des parafoudres secondaires...16

Mise en cascade des parafoudres...17

Parafoudres et Schémas de Liaison à la Terre...18

Schéma TT...18

Schéma TNS...18

Schéma IT...18

Exemples de matériels...19

Schémas de branchement (installation domestique)...20

Parafoudre secteur...20

Parafoudre téléphonique...20

Voir aussi…...21

Sources...21

Généralités

La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive. L'isolant (air) est rompu momentanément à cause des fortes tensions. 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 conditions 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 façon Deux paramètres facilitent la classification :

- La densité de foudroiement (niveau Ng) qui définit le nombre d'impacts de foudre par 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 approximative Ng = Nk/10

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 foudre s'étend du MHz au GHz)

Des problèmes peuvent alors apparaître sur 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

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)

Surtensions par conduction

Un impact sur des lignes aériennes d’alimentation électrique ou sur les lignes de télécommunications crée une surtension qui est véhiculée le long de ces lignes et qui peut entraîner la destructions des appareils qui y sont raccordés

Surtensions induites

Le rayonnement électromagnétique dû à la foudre produit des tensions induites dans les circuits formant des boucles et peut entraîner la destruction ou le dysfonctionnement des appareils

Élévation du potentiel de terre

Lorsqu’un point de la terre reçoit la foudre, la circulation du courant crée dans le sol, une tension électrique, fonction de la résistivité du sol et de la distance à l'impact Cette différence de potentiel peut entraîner le passage du courant dans les membres inférieurs (tension de pas)

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 1752 par Benjamin Franklin

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

Son rôle principal est d'éviter des incendies et des dégradations de la structure du bâtiment qu'il protège Il est connecté à la terre par des conducteurs de

"descente"

Fils tendus

Ce sont des câbles tendus au-dessus de l’ouvrage à protéger. Pour protéger les réseaux électriques, on installe au dessus des conducteurs des câbles de garde. Ces câbles peuvent contenir des fibres optiques et servent ainsi de support de communication

Cage maillée

C'est une cage de Faraday

Ce principe est utilisé pour les bâtiments sensibles (matériel informatique...)

Des feuillards sont disposés à l’extérieur du bâtiment de façon symétrique

Les conducteurs de descente sont reliés à la terre par des pattes d’oies

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

Protections secondaires

La protection des installations électriques contre les surtensions produites par la foudre sur les conducteurs actifs des liaisons électriques

est 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 terre et de réduire l'amplitude des surtensions P-N, P-PE et N-PE

Technologie des parafoudres

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 électrodes un amorçage se produit et le courant passe en formant un arc électrique

Application : parafoudre de type 1, parafoudre téléphonique

SYMBOLE

Varistance

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

Au-delà d'une certaine tension, l'impédance de la varistance chute pour permettre l'évacuation du courant. Quand la tension revient à son niveau normal, l'impédance de la varistance reprend 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

SYMBOLE

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 aérienne se trouvant dans les départements en zones AQ2 (parafoudre type 2 In ≥ 5 kA)

• les bâtiments avec services médicalisés ou 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 I

Protection contre les courants de coups de foudre directs onde 10/350 µs

Classe II

Protection contre les courants de coups de foudre indirects (surtensions)

onde 8/20 µs

Classe III Protection contre

les surtensions industrielles onde 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 Surtensions d’origine atmosphérique ou dues à des manœuvres

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-dessous

Si 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

-appareil

électrodomestique -outil portatif

-matériel avec circuit électronique

230/440 6 4 2,5 1,5

400/690 - 1000 8 6 4 2,5

Emplacement et niveau de protection

• Les parafoudres protègent l’ensemble de l’installation

Ils 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 = 12,6 S = 3 | C = 2 | I = 2 | R = 7

Imax = 65 kA

Disjoncteur de déconnexion 50 A courbe C

Caractéristiques techniques des parafoudres

(d’après la notice technique)

Tension maximale de régime permanent Uc

Valeur efficace de la tension qui peut être appliquée de façon continue entre les bornes du parafoudre sans le faire fonctionner

Uc = 275 V entre L et N Uc = 440 V entre L et PE Uc = 255 V entre N et PE

Courant de fonctionnement permanent Ic

Courant circulant dans le parafoudre alimenté sous la tension Uc Ic < 1mA

Tenue aux surtensions temporaires Ut Ut = 340 V entre L et N pendant 5 secondes Ut = 440 V entre L et PE pendant 5 secondes

Courant nominal de décharge In

Le parafoudre doit fonctionner au moins 20 fois sans se détériorer sous une onde de courant 8/20 de valeur de crête égale à In

In = 5 kA

Niveau de protection Up

C'est la valeur de tension aux bornes du parafoudre lorsqu'il est parcouru par In Up = 1,2 kV en mode différentiel L-N

Up = 1,2 kV en mode commun L-PE Up = 1,2 kV en mode commun N-PE

Courant maximal de décharge Imax

Le parafoudre doit fonctionner au moins 1 fois sans se détériorer sous une onde de courant 8/20 de valeur de crête égale à Imax

Imax = 15 kA

Notice technique d'un parafoudre de type 2

Déconnexion du parafoudre

Un déconnecteur (fusible ou disjoncteur) doit être installé en série avec le parafoudre

• pour permettre d'isoler le circuit et remplacer le parafoudre en fin de vie

• pour éviter un défaut permanent sur le réseau (suite à une mise en court-circuit 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

Les parafoudres de tête doivent être connectés immédiatement en aval du disjoncteur principal

- disjoncteur de branchement (tarif bleu)

- disjoncteur sélectif de type S (immunisé contre les risques de déclenchements indésirables)

- disjoncteur retardé

Les connexions au parafoudre doivent être les plus courtes et les plus rectilignes possibles

On peut utiliser un bornier intermédiaire pour diminuer la surtension sur les circuits d'utilisation

Les parafoudres ne doivent pas être installés dans des locaux à risques d’incendie ou d’explosion (le coffret contenant le dispositif parafoudre doit être placé à l’extérieur de ces locaux)

Un dispositif de signalisation doit indiquer que le parafoudre n'assure plus sa fonction (voyant de fin de vie)

Pour diminuer l'impédance au passage du courant de foudre 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 distribution et 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 assurer

au 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 parafoudre doit être séparé des circuits d'utilisation afin de ne pas les polluer

lors du passage du courant de foudre

La surface des boucles doit être la plus réduite

possible Les conducteurs actifs

et les conducteurs de protection

doivent être les plus proches possibles

Les impédances ZA, ZB et ZT résultent de la longueur des connexions

La surtension L di/dt due à l'inductance des câbles peut atteindre quelques kV par mètre de câble

Lors du coup de foudre la tension sur les circuits d'utilisation est U = UA + UB + UP + UT ZA peut être réduite en câblant au plus court

ZB peut être réduite en utilisant un parafoudre autoprotégé monobloc (figure 1)

ZT peut être réduite en utilisant un bornier intermédiaire directement relié à la prise de terre(figure 2) ou en utilisant un matériel à 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

◦ l a distance entre le parafoudre principal et le parafoudre de protection fine doit être la plus grande possible ( > 1 mètre) de façon à ce que l'impédance de cette liaison permette une bonne répartition du courant de foudre 90% - 10%

◦ la distance entre la protection fine et le matériel sensible doit être la plus courte possible. Il est donc préférable d'utiliser un coffret divisionnaire proche du

matériel à protéger

• les parafoudres téléphoniques, destinés à protéger les éléments connectés à la ligne téléphonique. Ces 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 mm². Sa longueur ne doit pas dépasser 50 cm

Mise en cascade des parafoudres

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

Parafoudres et Schémas de Liaison à la Terre

Une protection de mode différentiel est souhaitable en complément de la protection de mode commun

Schéma TNS

Une protection de mode différentiel est souhaitable en complément de la protection de mode commun

Schéma IT

La protection de mode commun est suffisante

Exemples de matériels

Parafoudre type 1 à cartouche fixe destiné aux installations à niveau de risque élevé (présence d'un paratonnerre)

Parafoudre débrochable type 2 à cartouche débrochable

qui peut être remplacée sans démontage en cas de destruction

Parafoudre auto-protégé type 2 associé à un disjoncteur qui permet la déconnexion en 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 téléphonique

Voir aussi…

La protection du matériel électrique et électronique contre les effets de la foudre (Hager) Guide de la distribution électrique (Schneider-Electric)

Guide de protection des installations électriques contre la foudre (Schneider-Electric) Cahier technique n° 179 - Surtensions et parafoudres en BT (Merlin Gerin)

Logiciel Parafoudre (Schneider)

Choisir un parafoudre pour installation photovoltaïque

Sources

CITEL HAGER LEGRAND METEORAGE

SCHNEIDER-ELECTRIC