Parafoudre

Protection contre les surtensions

Un réseau électrique possède en général une tension normale : on parle de tension nominale.
En basse tension, cette tension nominale peut être par exemple de 230 V entre phase et neutre. En haute tension, celle-ci est normalisée à 20 kV (entre phase) et 11,5 kV (entre phase et terre).
Le réseau peut se trouver accidentellement porté à une tension supérieure de sa tension nominale : on parle alors de surtension. Les surtensions sont une des causes possibles de défaillances d’équipements électriques ou électroniques.

Différents type de surtension

Une surtension est une impulsion ou une onde de tension qui se superpose à la tension nominale du réseau.

Ce type de surtension est caractérisé par :
– le temps de montée tf (en μs),
– la pente S (en kV/μs).
Une surtension perturbe les équipements et produit un rayonnement électromagnétique. En plus, la durée de la surtension (T) cause un pic énergétique dans les circuits électriques qui est susceptible de détruire des équipements.

Quatre types de surtension peuvent perturber les installations électriques et les récepteurs :
– Surtensions de manœuvre à haute fréquence ou oscillatoire amortie causées par une modification du régime établi dans un réseau électrique (lors d’une manœuvre d’appareillage).

– Les surtensions à fréquence industrielle à la même fréquence que le réseau (50, 60 ou 400 Hz) causées par un changement d’état permanent du réseau (suite à un défaut : défaut d’isolement, rupture conducteur neutre, ..).

– Surtensions causées par des décharges électrostatiques à très haute fréquence très courtes (quelques nanosecondes) causées par la décharge de charges électriques accumulées (Par exemple, une personne marchant sur une moquette avec des semelles isolantes se charge électriquement à une tension de plusieurs kilovolts).

– Surtensions d’origine atmosphérique.

Surtensions d’origine atmosphérique

Les orages sont accompagnés de coups de foudre qui constituent un sérieux risque pour les personnes et les matériels. Les éclairs frappent le sol à la moyenne de 30 à 100 coups par seconde.
Le tableau ci-dessous indique les valeurs caractéristiques de foudroiement. Comme il peut être constaté, 50% des coups de foudre sont d’intensité supérieure à 33 kA et 5% d’intensité supérieure à 65 kA. L’énergie transportée par le coup de foudre est donc très élevée.

Valeurs des décharges de foudre données par la norme CEI 62305
 

Exemple de courant de foudre
 

La foudre cause aussi un grand nombre d’incendies. Les bâtiments de grande hauteur sont les bâtiments plus particulièrement foudroyés.

Formation de la foudre

Le phénomène atmosphérique de la foudre est dû à la décharge subite de l’énergie électrique accumulée à l’intérieur des nuages orageux.
En cas d’orage, le nuage se charge très rapidement d’électricité. Il se comporte alors comme un condensateur géant avec le sol. Lorsque l’énergie emmagasinée devient suffisante, les premiers éclairs apparaissent à l’intérieur du nuage (phase de développement).
Dans la demi-heure suivante, les éclairs se forment entre le nuage et le sol. Ce sont les coups de foudre. Ils s’accompagnent de pluies (phase de maturité) et de coups de tonnerre (dû à la brutale dilatation de l’air surchauffé par l’arc électrique).
Progressivement, l’activité du nuage diminue tandis que le foudroiement s’intensifie au sol. Il s’accompagne de fortes précipitations, de grêle et de rafales de vent violentes (phase d’effondrement).

Effets sur les installations électriques

Les éclairs produisent une énergie électrique impulsionnelle extrêmement importante :
– De plusieurs milliers d’ampères (et de plusieurs milliers de volts).
– De haute fréquence (de l’ordre du mégahertz).
– De courte durée (de la microseconde à la milliseconde).

Les coups de foudre peuvent toucher les installations électriques de trois manières différentes :
– Par coup de foudre direct sur une ligne électrique aérienne. La surintensité et la surtension peuvent alors se propager à plusieurs kilomètres du point d’impact.

– Par coup de foudre à proximité d’une ligne électrique. C’est le rayonnement électromagnétique qui induit un fort courant et une surtension dans la ligne.

Dans ces deux cas, le danger pour l’installation électrique arrive par l’alimentation réseau.

– Par coup de foudre à proximité des bâtiments. La terre est alors chargée et monte en potentiel. Le réseau étant à potentiel plus bas, il se crée un courant qui va traverser l’installation électrique en entrant par la terre.

Dans tous les cas, les conséquences pour les installations électriques et les récepteurs peuvent êtres dramatiques :
– Destruction ou fragilisation des composants électroniques.
– Destructions des circuits imprimés.
– Blocage ou perturbation de fonctionnement des appareils.
– Vieillissement accéléré du matériel.

Les réseaux numériques et analogiques sont affectés de la même manière que les installations électriques basse tension. Les surtensions d’origines atmosphériques sont éliminées à l’aide de parafoudres conçus spécifiquement.

Les différents modes de propagation

Le mode commun
Les surtensions en mode commun apparaissent entre les conducteurs actifs et la terre : phase/terre ou neutre/terre. Elles sont dangereuses surtout pour les appareils dont la masse est connectée à la terre en raison des risques de claquage diélectrique.

Le mode différentiel
Les surtensions en mode différentiel apparaissent entre conducteurs actifs phase/phase ou phase/neutre. Elles sont particulièrement dangereuses pour les équipements électroniques, les matériels sensibles de type informatique, etc.

Caractérisation de l’onde de foudre

L’analyse des phénomènes permet de définir les types d’ondes de courant et de tension de foudre. Deux types d’onde de courant sont retenus par les normes CEI :

– Onde 10/350 μs : pour caractériser les ondes de courants de coup de foudre direct.
 

– Onde 8/20 μs : pour caractériser les ondes de courants de coup de foudre indirect.
 

Ces deux types d’onde de courant de foudre sont utilisés pour définir les essais des parafoudres (norme CEI 61643-11) et l’immunité des équipements aux courants de foudre.
La valeur crête de l’onde de courant caractérise l’intensité du coup de foudre. Les surtensions crées par les coups de foudre sont caractérisées par une onde de tension 1,2/50 μs.
Ce type d’onde de tension est utilisé pour vérifier la tenue des équipements aux surtensions d’origine atmosphérique (tension de choc suivant CEI 61000-4-5).

Principe de la protection foudre

Le principe de base de la protection d’une installation contre les risques de foudroiement consiste à empêcher l’énergie perturbatrice d’atteindre les équipements sensibles.
Pour cela, il est nécessaire :
– De capter et de canaliser le courant de foudre vers la terre par le chemin le plus direct (en évitant la proximité des équipements sensibles).

– De réaliser l’équipotentialité de l’installation. Cette liaison équipotentielle est réalisée par des conducteurs d’équipotentialité, complétée par des parafoudres ou par des éclateurs (éclateur de mât d’antenne par exemple).

– De minimiser les effets induits et indirects par la mise en œuvre de parafoudres et ou de filtres.

Deux systèmes de protection sont utilisés pour supprimer ou limiter les surtensions, ils sont désignés comme système de protection du bâtiment (à l’extérieur des bâtiments) et système de protection de l’installation électrique (à l’intérieur des bâtiments).

Système de protection du bâtiment
Le rôle du système de protection du bâtiment est de le protéger contre les coups de foudres directs.
Le système est composé :
– Du dispositif de capture : le paratonnerre.
– Des conducteurs de descente destinés à écouler le courant de foudre vers la terre.
– Des prises de terre en patte d’oie reliées entre elles.
– Des liaisons entre toutes les masses métalliques (réseau d’équipotentialité) et les prises de terre.
Lors de l’écoulement du courant de foudre dans un conducteur, si des différences de potentiel apparaissent entre celui-ci et les masses reliées à la terre qui se trouvent à proximité, celles-ci peuvent entraîner des amorçages destructeurs.

Incidence de la protection du bâtiment sur les équipements de l’installation électrique
50% du courant de foudre écoulée par le système de protection du bâtiment remonte dans les réseaux de terre de l’installation électrique : la montée en potentiel des masses dépasse très fréquemment la tenue des isolations des conducteurs des différents réseaux (BT, Télécommunications, câble vidéo, etc.).
De plus, l’écoulement du courant à travers les conducteurs de descente génère des surtensions induites dans l’installation électrique.
En conséquence, le système de protection du bâtiment ne protège pas l’installation électrique : il est donc obligatoire de prévoir un système de protection de l’installation électrique.

Système de protection de l’installation électrique
L’objectif principal du système de protection de l’installation électrique est de limiter les surtensions à des valeurs acceptables pour les équipements.
Le système de protection de l’installation électrique est composé :
– D’un ou de plusieurs parafoudres selon la configuration du bâtiment.
– Du réseau d’équipotentialité : maillage métallique des masses et éléments conducteurs.

Mise en œuvre :
La démarche pour protéger les installations électriques et de communication d’un bâtiment est la suivante :
– Identifier tous les récepteurs sensibles et leur localisation dans le bâtiment.
– Identifier les réseaux de puissance et de communication et leur point d’entrée respectif dans le bâtiment.
– Vérifier la présence d’un paratonnerre sur le bâtiment ou à proximité.
– Prendre connaissance de la réglementation applicable à la situation du bâtiment.
– Évaluer le risque de foudroiement en fonction de la situation géographique, le type d’alimentation, la densité de foudroiement, …

Mise en oeuvre de la solution :
– Réaliser l’équipotentialité des masses par un maillage.
– Installer un parafoudre dans le tableau d’arrivée BT.
– Installer un parafoudre complémentaire dans chaque tableau divisionnaire situé à proximité des équipements sensibles.

Le Parafoudre

Le parafoudre est un composant du système de protection de l’installation électrique.
Ce dispositif est connecté en parallèle sur le circuit d’alimentation des récepteurs qu’il doit protéger. Il peut aussi être utilisé à tous les niveaux du réseau d’alimentation.
C’est le type de protection contre les surtensions le plus utilisé et le plus efficient.

Composants d’un parafoudre
Le parafoudre est principalement constitué :
(1) D’un ou de plusieurs composants non linéaires : la partie active (varistance, éclateur à gaz, …).
(2) D’un dispositif de protection thermique (déconnecteur interne) qui le protège contre un emballement thermique en fin de vie (parafoudre à varistance).
(3) D’un indicateur qui signale la fin de vie du parafoudre. Certains parafoudres permettent le report à distance de cette indication.
(4) d’un dispositif de déconnexion externe qui assure sa protection contre les courts circuits (ce dispositif peut être intégré au parafoudre).

Principe
Le parafoudre est un dispositif destiné à limiter les surtensions transitoires d’origine atmosphérique et à dériver les ondes de courant vers la terre, afin de limiter l’amplitude de cette surtension à une valeur non dangereuse pour l’installation électrique et l’appareillage électrique.
Le parafoudre élimine les surtensions :
– En mode commun, entre phase et neutre ou terre.
– En mode différentiel, entre phase et neutre.
En cas de surtension supérieure au seuil de fonctionnement, le parafoudre conduit l’énergie à la terre, en mode commun, répartit l’énergie dans les autres conducteurs actifs, en mode différentiel.

Les trois types de parafoudre :
Parafoudre de type 1
Le parafoudre de type 1 est préconisé dans le cas particulier des bâtiments tertiaires et industriels, protégés par un paratonnerre ou par une cage maillée. Il protège l’installation électrique contre les coups de foudre directs. Il permet d’écouler le courant de foudre « en retour » se propageant du conducteur de terre vers les conducteurs du réseau.
Les parafoudres de type 1 sont caractérisés par une onde de courant 10/350 μs.

Parafoudre de type 2
Le parafoudre de type 2 est la protection principale de toutes les installations électriques basse tension. Installé dans chaque tableau électrique, il évite la propagation des surtensions dans les installations électriques et protège les récepteurs.
Les parafoudres de type 2 sont caractérisés par une onde de courant 8/20 μs.

Parafoudre de type 3
Ces parafoudres possèdent une faible capacité d’écoulement. Ils sont donc obligatoirement installés en complément des parafoudres de type 2 et à proximité des récepteurs sensibles.
Les parafoudres de type 3 sont caractérisés par une combinaison des ondes de tension (1,2/50 μs) et de courant (8/20 μs).

Caractéristiques communes
– Uc : tension maximale de service permanent. C’est la tension efficace ou continue au delà de laquelle le parafoudre devient passant. Cette valeur est choisie en fonction de la tension du réseau et du schéma des liaisons à la terre.
– Up : niveau de protection (à In). C’est la tension maximale aux bornes du parafoudre lorsqu’il est passant. Cette tension est atteinte lorsque le courant qui s’écoule dans le parafoudre est égal à In. Le niveau de protection doit être choisi inférieur à la tenue en surtension des charges. Lors de coups de foudre, la tension aux bornes du parafoudre reste généralement inférieure à Up.
– In : courant nominal de décharge. C’est la valeur de crête d’un courant de forme d’onde 8/20 μs que le parafoudre est capable d’écouler 15 fois.

Caractéristique temps/courant d’un parafoudre à varistance
 

Parafoudre de type 1
– Iimp : courant impulsionnel de décharge. C’est la valeur de crête d’un courant de forme d’onde 10/350 μs que le parafoudre est capable d’écouler 5 fois.
– Ifi : courant d’auto-extinction. Applicable uniquement à la technologie à éclateur.
C’est le courant (50 Hz) que le parafoudre est capable d’interrompre de lui-même après amorçage. Ce courant doit toujours être supérieur au courant de court-circuit présumé au point d’installation.

Parafoudre de type 2
– Imax : courant maximal de décharge. C’est la valeur de crête d’un courant de forme d’onde 8/20 μs que le parafoudre est capable d’écouler 1 fois.

Parafoudre de type 3
– Uoc : tension en circuit ouvert appliquée lors des essais de class III (type 3).

Les principales applications
Les parafoudres BT sont des dispositifs très différents, tant d’un point de vue technologique que d’utilisation.
Les parafoudres basse tension sont modulaires pour être facilement installés à l’intérieur des tableaux BT.
Il existe aussi des parafoudres adaptables sur les prises de courant mais ces parafoudres ont une faible capacité d’écoulement.
Les parafoudres pour les circuits à courant faible sont des dispositifs qui protègent les réseaux téléphoniques, les réseaux commutés ou d’automatisme (bus) contre les surtensions issues de l’extérieur (foudre) et celles internes au réseau d’alimentation (équipement polluant, manœuvre d’appareillage, etc.).
De tels parafoudres sont aussi installés dans des coffrets de distribution ou intégrés dans des récepteurs.

Conception du système de protection de l’installation électrique

Pour une installation de distribution électrique, les caractéristiques essentielles servant à définir le système de protection foudre et choisir un parafoudre pour protéger une installation électrique dans un bâtiment sont :
– Le nombre de parafoudre.
– Le type.
– Le niveau d’exposition pour définir le courant de décharge Imax du parafoudre.
– Nombre de pôles du parafoudre.
– Le niveau de protection Up.
– La tension de service Uc.
– Le dispositif de déconnexion (courant maximal de décharge Imax, niveau de court-circuit Icc au point d’installation).

Localisation et type de parafoudres
Le type de parafoudre à installer à l’origine de l’installation dépend de la présence ou non d’un paratonnerre. Si le bâtiment est équipé d’un paratonnerre (selon CEI 62305) un parafoudre de type 1 doit être installé.
Pour les parafoudres en tête d’installation, les normes d’installation CEI 60364 imposent des valeurs minimales pour les 2 caractéristiques suivantes :
– Courant nominal de décharge In = 5 kA (8/20) µs.
– Niveau de protection Up (à In) < 2, 5 kV.Le nombre de parafoudre complémentaire à installer est déterminé par : - La taille du site et la difficulté d’assurer l’équipotentialité. Sur des sites de grande taille, il est impératif d’installer un parafoudre en tête de chaque armoire divisionnaire. - La distance des charges sensibles à protéger par rapport à la protection de tête. Lorsque les récepteurs sont implantés à plus de 10 m de la protection de tête, il est nécessaire de prévoir une protection fine spécifique au plus près des charges sensibles. Le phénomène de réflexion d'onde augmente à partir de 10 m. Le risque d’exposition. En cas de site très exposé, le parafoudre de tête ne peut pas assurer à la fois un fort écoulement du courant de foudre et un niveau de protection suffisamment bas. En particulier, un parafoudre de type 1 est généralement accompagné par un parafoudre de type 2. 

Mise en cascade des parafoudres
L’association en cascade de plusieurs parafoudres permet de répartir l’énergie entre plusieurs parafoudres où les trois types de parafoudre sont prévus :
– Type 1 : lorsque le bâtiment est équipé d’un paratonnerre et situé en tête d’installation, il absorbe une quantité d’énergie très importante.
– Type 2, il absorbe les surtensions résiduelles.
– Type 3, il assure si nécessaire la protection «fine» des équipements les plus sensibles au plus près des récepteurs.

Caractéristiques communes des parafoudres suivant les caractéristiques de l’installation

Tension de service Uc
Suivant le schéma des liaisons à la terre, la tension maximale de fonctionnement permanent Uc des parafoudres doit être égale ou supérieure aux valeurs indiquées dans le tableau ci-dessous :

Les valeurs de Uc les plus courantes choisies en fonction du schéma des liaisons à la terre.
TT, TN : 260, 320, 340, 350 V
IT : 440, 460, V

Niveau de protection Up (à In)
Le parafoudre a un niveau de protection en tension Up intrinsèque défini et testé indépendamment de son installation.
En réalité, pour le choix de la performance Up d’un parafoudre, il faut prendre une marge de sécurité pour tenir compte des surtensions inhérentes à l’installation du parafoudre. La performance Up « installé » doit être comparée à la tenue aux chocs des récepteurs.

Le niveau de protection Up « installé » généralement retenu pour protéger des équipements sensibles dans installations électriques 230/400 V, est 2,5 kV (catégorie de surtension II).

Catégorie de surtension des matériels
 

CAT I : Électronique
– Équipement électronique protégé.
– Équipements reliés aux circuits (source) dans lesquels des mesures sont prises pour limiter les surtensions transitoires à un faible niveau approprié.
– Toute source à faible énergie de tension élevée, dérivée d’un transformateur de résistance à enroulement élevé, tel que la section haute tension d’un photocopieur.

CAT II : Charges reliées à des prises monophasées
– Charges domestiques.
– Prises de courant et circuits dérivés longs.

CAT III : Distribution triphasée, y compris l’éclairage commercial monophasé
– Équipements des installations fixes, tels que moteurs polyphasés et appareils de commutation.
– Barres omnibus et alimentation des sites industriels.
– Lignes d’alimentation et circuits dérivés courts, panneaux de distribution électriques.
– Installations d’éclairage dans les grands bâtiments.
– Prises d’appareils électriques avec branchements courts jusqu’à l’entrée des fils d’alimentation

CAT IV : Triphasé au niveau du branchement secteur, tous les conducteurs extérieurs
– Renvoie à « l’origine de l’installation », c.-à-d. à l’endroit où le branchement à basse tension est connecté à la ligne secteur.
– Les compteurs électriques, les équipements de protection à maximum de courant primaire.
– Entrée des fils d’alimentation et ligne extérieure, branchement de service du poteau jusqu’au bâtiment, section entre le compteur et le panneau de distribution électrique.
– Ligne aérienne jusqu’à un bâtiment.

Nombre de pôles
Suivant le schéma des liaisons à la terre, il est nécessaire de prévoir une architecture du parafoudre assurant la protection en mode commun (MC) et en mode différentiel (MD).

Besoin de protection selon le schéma des liaisons à la terre
 

– Surtension de mode commun
Une protection de base consiste à installer un parafoudre en mode commun entre les phases et le conducteur PE (ou PEN), quel que soit le type de schéma des liaisons à la terre utilisé.
– Surtension de mode différentiel
Dans les schémas TT et TN-S, la mise à la terre du neutre conduit à une dissymétrie due aux impédances de terre qui entraîne l’apparition de tensions de mode différentiel, bien que la surtension induite par un coup de foudre soit de mode commun.

Parafoudre 2P, 3P et 4P
– Ils sont adaptés aux schémas TN-C et IT.
– Ils fournissent seulement une protection contre les surtensions de mode commun.

Parafoudre 1P + N, 3P + N
– Ils sont adaptés aux schémas TT, TN-S, TN-C.
– Ils fournissent une protection contre les surtensions de mode commun et de mode différentiel.

Choix d’un parafoudre de type 1
Courant de décharge impulsionnel Iimp
– En absence de réglementations nationales ou spécifiques au type de bâtiment à protéger, le courant de décharge impulsionnel Iimp est au minimum de 12,5 k  (onde 10/350 μs) par branche suivant la CEI 60364-5-534.
– En présence d’une réglementation la norme 62305-2 définit 4 niveaux : I, II, III ou IV Le tableau ci-dessous indique les différents niveaux de Iimp dans le cas règlementaire.

Courant d’auto-extinction Ifi
Cette caractéristique n’est applicable que pour les parafoudres à technologie éclateur. Le courant d’auto-extinction Ifi doit toujours être supérieur au courant de court-circuit présumé Icc au point d’installation.

Choix d’un parafoudre de type 2
Courant de décharge Imax des parafoudres
Le courant de décharge Imax est défini, suivant le niveau d’exposition estimé par rapport à la situation du bâtiment.
La valeur du courant nominal de décharge (Imax) est déterminée par une analyse du risque.

Choix des dispositifs de déconnexion

Risques à prévenir en fin de vie du parafoudre
– Sur vieillissement
En cas de fin de vie naturelle sur vieillissement, la protection est de type thermique.
Les parafoudres à varistances doivent posséder un déconnecteur interne qui met hors service le parafoudre.
Note : la fin de vie par emballement thermique ne concerne pas les parafoudres à éclateur à gaz ou à air.

– Sur défaut
Les causes de fin de vie sur défaut court-circuit, sont dues à un dépassement de la capacité d’écoulement maximale. Ce défaut se traduit par un court-circuit franc ou à un défaut provenant du réseau de distribution (permutation neutre phase, rupture du neutre).

– Une dégradation lente de la varistance.

Ces 2 derniers défauts se traduisent par un court-circuit impédant. L’installation doit être protégée des dommages consécutifs à ces types de défaut : le déconnecteur interne (thermique) défini ci-dessus n’a pas le temps de s’échauffer, donc de fonctionner.
Un dispositif spécifique (appelé « dispositif de déconnexion externe »), apte à éliminer le court-circuit, doit être installé. Il peut être réalisé par un disjoncteur ou un appareillage à fusible.

Caractéristiques du dispositif de déconnexion externe
Le dispositif de déconnexion doit être coordonné avec le parafoudre. Il est dimensionné pour tenir les 2 contraintes suivantes :
– Tenue au courant de foudre qui est une caractéristique essentielle du dispositif de déconnexion externe du parafoudre.
Le dispositif doit être capable de tenir les essais normalisés suivants :
– ne pas déclencher sur 15 courants impulsionnels successifs à In,
– déclencher à Imax (ou Iimp) sans être détérioré.

Tenue au courant de court-circuit
Le pouvoir de coupure est déterminé par les règles d’installation (normes CEI 60364) :
Le dispositif de déconnexion externe doit avoir un pouvoir de coupure égal ou supérieur au courant de court-circuit présumé Icc au point d’installation (suivant les normes CEI 60364).

La protection de l’installation contre le court-circuits
En particulier, le court-circuit impédant dissipe beaucoup d’énergie et doit être éliminé très rapidement pour éviter des dommages à l’installation et au parafoudre.
Le choix de la protection est déterminé par le constructeur (dans les catalogues du constructeur du parafoudre).

Mode d’installation du dispositif de déconnexion externe

Dispositif « en série »
Le dispositif de déconnexion est désigné « en série » lorsqu’il est réalisé par la protection générale du réseau à protéger (par exemple, disjoncteur de branchement en amont d’une installation (normes CEI 60364).

Dispositif « en parallèle »
Le dispositif de déconnexion est désigné « en parallèle » lorsqu’il est réalisé spécifiquement par une protection associée au parafoudre.
Le dispositif de déconnexion est appelé « disjoncteur de déconnexion » si la fonction est réalisée par un disjoncteur.
Le disjoncteur de déconnexion peut être intégré ou non au parafoudre.
Note : dans le cas d’un parafoudre à éclateur à gaz ou à air, le dispositif de déconnexion permet de couper le courant de suite après utilisation.

Garantie de la protection
Le dispositif de déconnexion externe doit être coordonné avec le parafoudre, testé et garanti par le constructeur de parafoudre suivant les préconisations de la norme CEI 61643-11 (NF EN 61643-1) chap. 7.7.3 Il doit aussi être installé suivant les recommandations du constructeur.
Lorsque ce dispositif est intégré, la conformité à la norme produit CEI 61643-11 garantit naturellement la protection.

Exemple matériel Schneider Electric
 

Synthèse des caractéristiques du dispositif de déconnexion externe

Installation des parafoudres

Une des caractéristiques essentielles pour la protection d’un équipement est le niveau de protection en tension maximal (Up installé), que l’équipement peut supporter à ses bornes. De ce fait, un parafoudre doit être choisi avec un niveau de protection Up adaptée à la protection de l’équipement. La longueur
totale des conducteurs de connexion est L = L1+L2+L3.
Pour les courants à haute fréquence, l’impédance linéique de cette connexion est de l’ordre de 1 μH/m.
D’où, en appliquant la loi de Lenz à cette connexion : ΔU = L di/dt
L’onde courant normalisée 8/20 μs, avec une amplitude de courant de 8 kÂ, crée de ce fait une élévation de tension par mètre de câble de 1000 V.
ΔU =1 x 10-6 x 8 x 103 /8 x 10-6 = 1000 V
Par suite la tension aux bornes de l’équipement Up installé est :
Up installé = Up + U1 + U2
Si L1+L2+L3 = 50 cm, l’onde 8/20 μs avec une amplitude de 8 kÂ, la tension aux bornes de l’équipement sera de Up + 500 V.

Raccordement enveloppe plastique, et métallique
 

Section des conducteurs
La section minimale recommandée des conducteurs prend en compte :
– Le service normal à assurer : écoulement de l’onde courant de foudre sous une chute de tension maximale (règle des 50 cm).
Note : contrairement aux applications à 50 Hz, le phénomène de foudre étant à haute fréquence, l’augmentation de la section des conducteurs ne diminue pas notoirement son impédance haute fréquence.
– La tenue aux courant de courts-circuits des conducteurs : le conducteur doit tenir un courant de court-circuit pendant le temps maximal de coupure de la protection.
La CEI 60364 préconise en tête d’installation une section minimale de :
– 4 mm² (Cu) pour le raccordement des parafoudres de type 2.
– 16 mm² (Cu) pour le raccordement des parafoudres de type 1 (présence de paratonnerre).

Règles de câblage
Règle 1 :
La première règle à respecter est que la longueur des connexions du parafoudre entre le réseau (au travers du dispositif de déconnexion) et le bornier de terre ne dépasse pas 50 cm.

Règle 2
Les conducteurs des départs protégés :
– Doivent être connectées aux bornes mêmes du dispositif de déconnexion ou du parafoudre.
– Doivent être séparés physiquement des conducteurs d’arrivée pollués.
Ils sont placés à la droite des bornes du parafoudre et du dispositif de déconnexion.

Règle 3
Les conducteurs de phase, de neutre et de protection (PE) de l’arrivée doivent cheminer les uns contre les autres afin de réduire la surface de la boucle.

Règle 4
Les conducteurs d’arrivée du parafoudre doivent être éloignés des conducteurs de sortie protégés afin d’éviter de les polluer par couplage.

Règles 5
Les câbles doivent être plaqués contre les parties métalliques de l’armoire afin de minimiser la surface de la boucle de masse et donc de bénéficier d’un effet d’écran vis-à-vis des perturbations électromagnétiques.
Dans tous les cas, il faut vérifier que les masses des armoires ou des coffrets sont mises à la terre par des connexions très courtes.
Enfin, si des câbles blindés sont utilisés, les grandes longueurs doivent être proscrites car elles réduisent l’efficacité du blindage.

Exemples d’installation d’une supérette

Solutions et schémas de principe
– Les équipements sensibles (Uchoc < 1,5 kV) étant situés à plus de 30 m de la protection de tête, il faut placer les parafoudres de protection fine au plus près des récepteurs. - Pour assurer une meilleure continuité de service pour les zones chambre froide, on utilise des interrupteurs différentiels immunisés du type «si» afin d’éviter tout déclenchement intempestif dû à la montée du potentiel de la terre au moment du passage de l’onde foudre. - Pour assurer une protection contre les surtensions atmosphériques un parafoudre est situé dans le TGBT. - Installation d'un parafoudre de protection fine dans chaque tableau 1 et 2 alimentant les équipements sensibles situés à plus de 30 m du parafoudre de tête. - Installation d'un parafoudre sur le réseau de télécommunication pour protéger les appareils alimentés du type alarme incendie, modem, téléphone, fax.... 

Parafoudre pour application photovoltaïque

Des surtensions peuvent apparaitre dans les installations électriques photovoltaïques pour plusieurs raisons. Elles peuvent être causées par :
– Le courant de foudre qui se propage à travers le réseau de distribution électrique.
– Le coup de foudre (à proximité ou sur le bâtiment et les installations PV).
– Le champ électromagnétique cause par l’onde foudre à proximité des installations PV.
Comme toutes structures extérieures, les installations PV sont exposées au risque de foudroiement qui varie selon les régions.
C’est pourquoi,des actions préventives et des systèmes de protection contre les surtensions doivent être mis en œuvre.

La première action est s’assurer que toutes les liaisons métalliques de l’installation PV (panneaux solaires, coffrets, etc.) sont reliées entre elle de façon à réaliser un réseau des liaisons métalliques équipotentiel.

Les parafoudres sont bien adaptés pour protéger les équipements électriques sensibles comme l’onduleur, les modules PV, les équipements de contrôle, mesure mais aussi tout autre équipement alimentés par le réseau électrique 230 VAC.
La méthode d’analyse du risque qui suit est basée sur l’évaluation d’une longueur critique L crit et sa comparaison avec la longueur totale des câbles courant continu L, provenant des modules PV.
Un parafoudre est requis si L ≥ L crit.
L crit dépend du type d’installation PV et est calculé selon le tableau suivant:
L est la somme de :
– La somme des longueurs de câbles entre l’onduleur PV et les boites de jonction.
– La somme des longueurs de câbles entre la boite de jonction et les différents points de connexion des modules PV en prenant en compte que la longueur des câbles dans le même conduit est comptée seulement une fois.
Ng est la densité de foudroiement (nombre de coup de foudre/km²/an).

Installation des parafoudres
Le nombre et la localisation des parafoudres du coté courant continu de l’onduleur PV , dépend de la longueur de câble entre l’onduleur et les panneaux PV.
Si cette longueur est inférieure à 10 m alors un seul parafoudre doit être installé à proximité de l’onduleur PV.
Si cette longueur est supérieure à 10m, alors un second parafoudre doit être installé dans un coffret à proximité des modules PV.
Pour être efficace, les longueurs de connexion entre les bornes du parafoudre et le réseau L+/L-/PE doivent être les plus courtes possibles (d1+d2<50 cm).
Selon la distance entre le générateur d’énergie et le convertisseur, il peut être nécessaire d’installer deux ou plusieurs parafoudres pour assurer la protection contre les surtensions de chacun des équipements.