Protection contre la foudre dans les installations BT 08/10/2007  Patrick ABATI 
Liste des cours

Généralités
Effets de la foudre
Modélisation de la foudre
Protections primaires
Protections secondaires
Technologie des parafoudres
Protection série et protection parallèle
Normes
Évaluation du risque
Caractéristiques techniques des parafoudres
Déconnexion du parafoudre
Règles d'installation et de mise en oeuvre des parafoudres principaux
Règles d'installation et de mise en oeuvre des parafoudres secondaires
Mise en cascade des parafoudres
Parafoudres et Schémas de Liaison à la Terre
Exemples de matériels
Schémas de branchement (installation domestique)


 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

éclair

carte

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

 

>> 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 foudre
    s'étend du MHz au GHz)
  • soit par remontée du potentiel de la terre

 

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

surtension


 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
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
induction
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
boucle
   
Élévation du potentiel de terre
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)


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


 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
8-20
10-350
1,2-50

 


 Protections primaires 

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

 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"

paratonnerre paratonnerres

 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

fils tendus

 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

cage

 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
parafoudre

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

Application : parafoudre de type 1, parafoudre téléphonique

éclateur
symbole
SYMBOLES

 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


varistance
symbole
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
SYMBOLE

 Protections série et protection parallèle 

Parafoudre en série
(protection téléphonique)

Parafoudre en parallèle
(protection secteur)

série

parallèle


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
carte

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

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

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


Section 534


Emplacement et niveau de protection

Mise en oeuvre des parafoudres


 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 

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

caractéristiques
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 

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)


déconnecteur

 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
  • 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
tête

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)

commun
différentiel

séparation
Le circuit du parafoudre
doit être séparé
des circuits d'utilisation
afin de ne pas les polluer
lors du passage
du courant de foudre
pollution

surface

La surface des boucles
doit être la plus réduite possible

Les conducteurs actifs
et les conducteurs de protection
doivent être les plus proches possibles

surface

impédances

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)

monobloc
intermédiaire
bornes dédoublées
 
Figure 1
Figure 2
Figure 3


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

Les parafoudres secondaires sont :

La 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

protection fine

 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

cascade


 Parafoudres et Schémas de Liaison à la Terre 

Schéma TT
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
TT TNS IT

 Exemples de matériels 

Parafoudre type 1

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

    type 1

 

Parafoudre débrochable type 2

à cartouche débrochable
qui peut être remplacée
sans démontage
en cas de destruction

type 2  cartouche

 

Parafoudre auto-protégé type 2

associé à un disjoncteur
qui permet la déconnexion
en cas de destruction de la cartouche

auto-protégé

 

Parafoudres de
protection téléphonique

raccordement au circuit téléphonique
par bornes à vis ou par connecteur RJ45

téléphonique téléphonique

 


 Schémas de branchement (installation domestique) 

Parafoudre secteur
Parafoudre téléphonique
schéma secteur
schéma téléphone

Voir aussi...
Guide de choix (logiciel Hager)
La protection du matériel électrique et électronique contre les effets de la foudre (pdf Hager)
Guide de la distribution électrique (pdf Schneider-Electric)
Cahier technique n° 179 - Surtensions et parafoudres en BT (pdf Merlin Gerin)
Guide puissance (pdf Legrand)
Logiciel Parafoudre (Schneider)
Choisir un parafoudre pour installation photovoltaïque



Sources
CITEL
HAGER
LEGRAND
METEORAGE
SCHNEIDER-ELECTRIC
SOULE

  W3C W3C W3C