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Dossier - Décembre 2006 - Janvier 2007

Protéger ses installations basse tension contre la foudre


Les dégâts occasionnés par la foudre engendrent des coûts directs et indirects de plus en plus significatifs pour les utilisateurs. Il existe des moyens de protection efficaces et bien adaptés aux installations électriques pour les applications tertiaires et résidentielles.

 

Surtensions

Visualisation des différentes perturbations sur le réseau électrique

 

La foudre constitue un risque pour les équipements car elle est une importante source de surtensions transitoires sur le réseau électrique. Ces pics de tension d’une durée maximale à la milliseconde, mais pouvant atteindre plus de 20 fois la valeur de la tension nominale, entraînent des dégâts considérables sur les installations.


Trois catégories de surtensions se propagent sur le réseau basse tension :

  • les coups de foudre directs, qui atteignent un paratonnerre ou le toit d’un bâtiment possédant une mise à la terre, ou encore une ligne aérienne basse tension. Les effets directs se caractérisent par l’écoulement au moment de la décharge d’un courant impulsionnel, variant alors de 1 000 à 200 000 ampères en crête ;
  • les impacts de foudre indirects, qui génèrent une montée en potentiel de la prise de terre à l’endroit de l’impact. Les champs électromagnétiques créés par le courant de foudre vont générer des couplages inductifs et des couplages capacitifs engendrant d’autres surtensions ;
  • les surtensions de manœuvre ou de commutation, liées aux équipements utilisés sur les réseaux (démarrage de moteurs, starters d’éclairage, commutation de réseaux d’alimentation, etc.), qui sont certes de moindre amplitude mais beaucoup plus fréquentes et entraînent un vieillissement prématuré, des pannes aléatoires ou fugitives sur les équipements électriques proches.

Dans tous les cas, une protection est recommandée voire rendue obligatoire par la norme NF C 15-100.

 

Paratonnerre et parafoudre... à chacun sa fonction
Pour être efficace, la protection foudre doit être étudiée dans sa globalité. Plusieurs dispositifs peuvent être mis en œuvre.
Contre les impacts directs de la foudre, la meilleure prévention reste encore le paratonnerre (ou la cage maillée) dont le rôle est de capter et de canaliser, en un point donné, le courant de décharge. Le paratonnerre est un système constitué d’une pointe métallique “active” ou “passive” qui, reliée à une prise de terre, s’installe à l’extérieur des bâtiments. Il a pour fonction essentielle de protéger un bâtiment contre un coup de foudre “direct”, c’est-à-dire un coup de foudre qui pourrait atteindre directement le bâtiment, endommager la toiture, provoquer un départ de feu suivant les matériaux utilisés, détruire le tableau électrique et les équipements électriques et électroniques qui y sont connectés, etc.
Le parafoudre est un dispositif destiné à limiter les surtensions transitoires et à écouler les courants de foudre afin de protéger les équipements électriques et électroniques contre les surtensions circulant dans les réseaux électriques. Ces surtensions peuvent résulter de coups de foudre sur les câbles électriques du réseau ou sur le sol à proximité du bâtiment (jusqu’à 10 km en zone isolée). C’est un produit électrique, généralement prévu avec une fixation rail DIN, qui s’installe directement dans le tableau électrique.

 

La protection par paratonnerre
La protection par paratonnerre est obligatoire dans les cas principaux suivants :

  • immeuble de grande hauteur (IGH) à usage habitation (supérieurs à 50 m) ou à usage de bureau, hôtel, dépôts d’archives, sanitaire (supérieurs à 28 m),
  • établissement recevant du public (ERP).

Outre ces cas obligatoires imposés par la norme, l’installation d’un paratonnerre peut se justifier en fonction du montant estimé des dommages liés à un coup direct de foudre.


ParatonnerreDans les applications tertiaires et résidentielles, des critères comme le lieu géographique et son niveau kéraunique, le type de bâtiment, la qualité des équipements électriques et électroniques qui y sont installés justifient dans certains cas la mise en place d’une protection paratonnerre.
L’utilisateur ou le propriétaire peut évaluer l’intérêt d’une solution en comparant le coût de la mise en place d’une telle protection avec celui des dégâts potentiels contre lesquels il souhaite se prémunir.
Certains industriels proposent aux installateurs et électriciens une solution “paratonnerre installé clé en main” pour les applications tertiaires et résidentielles au travers d’offres forfaitaires associant fourniture et installation du paratonnerre sur le bâtiment du client, en incluant la prise de terre. Ce type de prestations peut être complété par un contrat de maintenance.

 


Nouvelles applications : Protection des sources ENR
Qu’il s’agisse des panneaux solaires photovoltaïques, des éoliennes ou de la biomasse, les énergies renouvelables (ENR) suscitent de nouveaux besoins de protection. Du fait de l’exposition souvent en sites isolés et de la surface étendue des systèmes photovoltaïques (qu’ils soient connectés au réseau ou autonomes), les impacts de foudre sont une composante majeure du risque à prendre en compte, aussi bien pour l’effet direct de la foudre sur la structure, que les surtensions transitoires sur l’installation. Les éoliennes, en principe situées sur des points hauts, nécessitent également une protection contre la foudre. Enfin, les systèmes de production par biomasse, générateurs de gaz, exigent également une protection pour prendre en compte le risque d’explosion. Des solutions de protection spécifiques sont aujourd’hui développées par les industriels.


 

 


Plusieurs types de parafoudre
Les parafoudres sont structurés par la norme européenne EN 61 643-11 en trois types de produits, correspondant à des classes d’essai (en fonction du niveau d’onde courant testé). Ces contraintes spécifiques dépendent essentiellement de la localisation du parafoudre dans l’installation et des conditions extérieures.

  • Parafoudres de Type 1 - Ces dispositifs sont conçus pour être utilisés sur des installations où le risque “foudre” est très important, notamment en cas de présence de paratonnerre sur le site. La norme EN 61 643-11 impose que ces parafoudres soient soumis aux essais de Classe 1, caractérisés par des injections d’ondes de courant de type 10/350 __, représentatives du courant de foudre généré lors d’un impact direct. Ces parafoudres devront donc être particulièrement puissants pour écouler cette onde très énergétique.
  • Parafoudres de Type 2 - Destinés à écouler l’énergie des surtensions liées aux effets indirects de la foudre ou aux manœuvres de commutation, ces dispositifs sont positionnés en tête d’installation, généralement au niveau du TGBT, ou à proximité des équipements sensibles, sur des sites où le risque d’impact direct est considéré comme inexistant. Soumis à des tests en onde de courant 8/20 µs (essais de Classe II), les parafoudres de Type 2 protègent l’ensemble de l’installation.
  • Parafoudres de Type 3 - En cas d’équipements particulièrement sensibles ou d’installation très étendue, il est recommandé d’utiliser en complément des parafoudres à proximité des équipements sensibles. Ces parafoudres de plus faible énergie seront de Type 2 ou de Type 3. Les parafoudres de Type 3, testés avec une onde combinée 1,2/50 µs - 8/20 µs (essais de Classe III), ne sont pas pris en compte dans la NF C 15-100, ni dans le guide UTE C 15-443.

 

Densite foudroiement

Nombre de coups de foudre au sol par Km2 et par an

 

Aujourd’hui, les parafoudres basse tension sont le plus souvent fondés sur l’utilisation de varistances : ces composants apparaissent comme le meilleur compromis entre un temps de réponse très rapide (25 µs) et une capacité d’écoulement importante, paramètres essentiels pour disposer d’une protection efficace. Par contre, la fin de vie des varistances doit être impérativement contrôlée, ce qui nécessite une utilisation systématique de déconnecteurs thermiques intégrés ou externes.
Une autre technologie alternative aux varistances est celle des éclateurs à gaz ou à air qui permet d’atteindre un très haut niveau de performances mais pose un problème de gestion du courant de suite à l’amorçage (courant débité par le réseau et écoulé par le parafoudre après le passage du courant de décharge) qui s’assimile à une sorte de court-circuit posant d’évidents problèmes de sécurité et de continuité. Certains parafoudres associent les deux technologies varistances et éclateurs.
Il faut penser à câbler en amont du parafoudre dans le tableau électrique, l’organe de coupure associé (fusible ou disjoncteur). Pour faciliter le câblage du parafoudre et de son disjoncteur, plusieurs constructeurs proposent des kits combinés qui associent un parafoudre bipolaire et son disjoncteur Ph + N coordonné.

 

ProtectionGlobale

La protection foudre doit être assurée de façon globale

 


Calcul de risques : Quelques chiffres
On estime le nombre de coups de foudre frappant le sol, en France, compris entre un et deux millions par an. Dans un contexte où les dérèglements climatiques s’accentuent, et où les technologies électroniques sensibles s’intègrent plus communément dans les équipements électriques la foudre est déjà responsable de :
- 40 % des incendies en milieu rural
- 25 % des sinistres électriques
- 20 % des sinistres informatiques.


 

 

Quand faut-il installer un parafoudre ?
L’installation d’un parafoudre est obligatoire dans certains cas et fortement recommandés dans tous les autres cas.
En France, la norme NF C 15-100 indique clairement deux obligations :

  • -“Pour tout bâtiment équipé d’un paratonnerre, l’installation d’une protection parafoudre Type 1 est obligatoire”.
  •  “Pour tout bâtiment non équipé d’un paratonnerre, l’installation d’une protection parafoudre Type 2 est obligatoire si le bâtiment est situé dans une zone dite exposée (zone rouge) et que la ligne électrique n’est pas entièrement souterraine”.

Cette “zone rouge” couvre une trentaine de départements sur lesquels la densité de foudroiement (Ng) mesurée par Météorage, est supérieure à 2,5. Ce critère est à mettre en parallèle avec le niveau kéraunique (Nk), défini comme le nombre de jours orageux par année (jour où l’on peut entendre au moins un coup de tonnerre au lieu d’observation fixé.
Outre les cas obligatoires imposés par la norme, l’installation d’un parafoudre peut se justifier en fonction du montant estimé des dommages lié au coût du matériel ou bien à la perte d’exploitation causée par les surtensions transitoires. C’est un calcul de risque qui devient vite incontournable avec la multiplication des équipements électriques et électroniques.
Ainsi, on ne peut que conseiller l’installation de parafoudre de type 2 dans tous les bâtiments non équipés d’un paratonnerre et situés hors zone rouge, en particulier dans les zones isolées. D’autre part, l’utilisation de parafoudre dans le(s) tableaux secondaire(s), c’est-à-dire au plus près des équipements, est également recommandée.
Dans tous les cas, le coût de la protection reste faible par rapport au coût du matériel à protéger.

 

TypesParafoudre

Les différents types de parafoudres

 

Choisir le parafoudre adéquat
Un parafoudre doit être choisi en fonction du risque et installé selon les règles de l’art afin de procurer une efficacité maximale. Ces données sont précisées dans un guide UTE C 15 443 qui fournit les informations pour le choix et la mise en œuvre des parafoudres, et introduit une méthode d’évaluation de risque permettant de déterminer un niveau de recommandation pour les parafoudres.
Sans entrer dans les détails, la sélection du parafoudre adéquat est établie en fonctions de plusieurs caractéristiques :

  • le niveau de protection en tension (Up),
  • la capacité d’écoulement (Iimp ou Imax),
  • le régime de neutre du réseau,
  • les tensions de fonctionnement (Uc, Ut),
  • les options complémentaires retenues.

En effet, les industriels proposent diverses options qui facilitent la maintenance des parafoudres. Celles-ci concernent notamment :

  • la signalisation : il s’agit de permettre la visualisation de l’état du parafoudre grâce à un voyant mécanique ou lumineux. Il existe des systèmes de visualisation avec réserve de sécurité facilitant une maintenance préventive.
  • la télésignalisation : Elle autorise un contrôle à distance au travers du câblage grâce à un contact sec actionné en cas de modification de l’état du parafoudre.
  • la débrochabilité : l’utilisation de modules débrochables et enfichables sur un socle adapté permet un remplacement sans avoir besoin de couper le circuit électrique ou de déconnecter les fils.
  • la redondance : certains versions de parafoudres permettent, en cas de dégradation du parafoudre, de conserver le circuit de protection partiellement actif dans l’attente d’un remplacement.

La mise en œuvre d’une protection foudre adéquate peut apparaître compliquée pour le professionnel. Mais différents outils sont mis à sa disposition par les industriels au travers de guides, de réalisation d’études personnalisées, de fourniture de logiciels de sélection des parafoudres, de formations, etc.

 

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