Chapitre J La protection contre les surtensions

Schneider Electric - Guide de l'installation électrique 2010
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Chapitre J
La protection contre
les surtensions
Sommaire
Caractéristiques des surtensions d’origine atmosphérique J2
1.1 Généralité sur les surtensions J2
1.2 Caractéristiques des surtensions d’origine atmosphérique J3
1.3 Effets sur les installations électriques J3
1.4 Caractérisation de l’onde de foudre J6
Principe de la protection foudre J7
2.1 Règles Générales J7
2.2 Système de protection du bâtiment J7
2.3 Système de protection de l’installation électrique J9
2.4 Le Parafoudre J10
Conception du système de protection de l’installation
électrique J13
3.1 Règle de conception J13
3.2 Eléments du système de protection J14
3.3 Caractéristiques communes des parafoudres suivant les
caractéristiques de l’installation J16
3.4 Choix d’un parafoudre de type 1 J19
3.5 Choix d’un parafoudre de type 2 J20
3.6 Choix des dispositifs de déconnexion J20
3.7 Tableau de coordination parafoudre et dispositif de protection J23
Installation des parafoudres J25
4.1 Raccordement J25
4.2 Règles de câblage J26
Application J28
5.1 Exemples d’installation J28
Compléments techniques J29
6.1 Normes des protections foudre J29
6.2 Les composants d’un parafoudre J29
6.3 Signalisation fin de vie J30
6.4 Caractéristiques détaillées du dispositif de protection externe J31
6.5 Propagation d’une onde de foudre J33
6.6 Exemple de courant de foudre en mode différentiel en schéma TT J34
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1 Caractéristiques des
surtensions d’origine
atmosphérique
1.1 Généralité sur les surtensions
1.1.1 Différents types de surtension
Une surtension est une impulsion ou une onde de tension qui se superpose à la
tension nominale du réseau (cf. Fig. J1).
Tension Impulsion de type foudre
(durée = 100 µs)
Onde oscillatoire amortie de
type choc de manoeuvre
(F = 100 kHz à 1 MHz)
Temps
Fig. J1 : Exemple de surtensions
Ce type de surtension est caractérisé par (cf. Fig. J2) :
b le temps de montée tf (en µs),
b 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.
Tension (V ou kV)
U max
50 %
Temps (µs)
tf Temps de montée
T Durée de la surtension
Fig. J2 : Principales caractéristiques d’une surtension
Quatre types de surtension peuvent perturber les installations électriques et les
récepteurs :
b surtensions de manœuvre :
surtensions à haute fréquence ou oscillatoire amortie (cf. Fig. J1) causées par une
modification du régime établi dans un réseau électrique (lors d’une manœuvre
d’appareillage).
b les surtensions à fréquence industrielle :
surtensions 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, ..).
b surtensions causées par des décharges électrostatiques.
Surtensions 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).
b surtensions d’origine atmosphérique.
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1.2 Caractéristiques des surtensions d’origine
atmosphérique
Dans le monde, entre 2000 et 5000 orages sont constamment en formation. Ces
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, soit 3 milliards de coups de foudre chaque année.
Le tableau de la figure J3 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.
La foudre cause aussi un grand nombre d’incendies, la plupart en milieu agricole
(détruisant les habitations ou les rendant hors d’usage). Les bâtiments de grande
hauteur sont les bâtiments plus particulièrement foudroyés.
1.3 Effets sur les installations électriques
La foudre endommage particulièrement les installations électriques ou électroniques :
les transformateurs, les compteurs électriques, les appareils électroménagers dans
le résidentiel comme dans l’industrie.
Le coût de réparation des dommages causés par la foudre est très élevé. Mais il est
très difficile d’évaluer les conséquences :
b des perturbations causées aux ordinateurs et aux réseaux de télécommunication,
b des défauts créés dans le déroulement de programme des automates ou dans les
systèmes de régulation.
De plus les pertes d’exploitation peuvent avoir des coûts très supérieurs à ceux du
matériel détruit.
Fig. J3 : Valeurs des décharges de foudre données par la norme CEI 62305
Probabilité cumulée % Courant crête (kA) Gradient (kA/µs)
95 7 9,1
50 33 24
5 65 65
1 140 95
0 270
arcs subséquents
t3 t2 t1
1er arc en retour
l
l/2
Courant
Temps
Fig. J4 : Exemple de courant de foudre
Les coups de foudre en quelques chiffres :
les éclairs produisent une énergie électrique
impulsionnelle extrêmement importante (cf.
Fig.J4)
b de plusieurs milliers d'ampères (et de
plusieurs milliers de volts),
b de haute fréquence (de l'ordre du
mégahertz),
b de courte durée (de la microseconde à la
milliseconde).
1 Caractéristiques des
surtensions d’origine
atmosphérique
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1.3.1 Impacts des coups de foudre
Les coups de foudre peuvent toucher les installations électriques (et/ou de
communication) d’un bâtiment de deux manières :
b par impact direct du coup de foudre sur le bâtiment (a) (cf. Fig. J5 et Fig J6a),
b par impact indirect du coup de foudre sur le bâtiment :
b un coup de foudre peut tomber sur une ligne électrique aérienne alimentant le
bâtiment (b) (cf. Fig. J5). La surintensité et la surtension peuvent se propager à
plusieurs kilomètres du point d’impact.
b un coup de foudre peut tomber à proximité d’une ligne électrique (c) (cf. Fig. J5 et
Fig J6b). C’est le rayonnement électromagnétique du courant de foudre qui induit un
fort courant et une surtension sur le réseau d’alimentation électrique.
Dans ces deux derniers cas, les courants et les tensions dangereuses sont
transmises par le réseau d’alimentation.
b un coup de foudre peut tomber à proximité du bâtiment (d) (cf. Fig. J6c). Le
potentiel de terre autour du pont d’impact monte dangereusement.
Dans tous les cas, les conséquences pour les installations électriques et les
récepteurs peuvent être dramatiques.
Installation
électrique
Prise de terre
installation
a
b
c
d
Fig. J5 : Les différents types d’impact de foudre
La foudre tombe sur une structure non protégée
(cf. Fig. J6a).
La foudre tombe à proximité d’une ligne
aérienne (cf. Fig. J6b).
La foudre tombe à proximité d’un bâtiment (cf.
Fig. J6c)
Installation
électrique
Prise de terre
installation
Installation
électrique
Prise de terre
installation
Installation
électrique
Prise de terre
installation
Fig. J6a : La foudre tombe sur un bâtiment non
protégé
Fig. J6b : La foudre tombe à proximité d’une ligne
aérienne
Fig. J6c : foudre tombe à proximité d’un bâtiment
Le courant de foudre s’écoule à la terre à travers les
structures plus ou moins conductrices du bâtiment
avec des effets très destructeurs :
b effets thermiques : échauffements très violents
des matériaux provoquant l’incendie
b effets mécaniques : déformations de structures
b amorçages thermiques : phénomène
particulièrement dangereux en présence
de matières inflammables ou explosives
(hydrocarbures, poussières...).
Le courant de coup de foudre génère des
surtensions par induction électromagnétique dans
le réseau de distribution.
Ces surtensions se propagent le long de la ligne
jusqu’aux équipements électriques à l’intérieur des
bâtiments.
Le coup de foudre génère les mêmes types de
surtension qui sont décrits ci-contre.
De plus, le courant de foudre remonte de la terre
vers l’installation électrique provoquant ainsi le
claquage des équipements.
Le bâtiment et les installations à l’intérieur
du bâtiment sont généralement détruits
Les installations électriques à l’intérieur du bâtiment sont généralement détruites.
Fig. J6 : Conséquence de l'impact de la foudre
La foudre est un phénomène électrique à
haute fréquence qui produit des surtensions
sur tous les éléments conducteurs et
particulièrement sur les câblages et les
équipements électriques.
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1.3.2 Les différents modes de propagation
b le mode commun
Les surtensions en mode commun apparaissent entre les conducteurs actifs et
la terre : phase/terre ou neutre/terre (cf. Fig. J7). Elles sont dangereuses surtout
pour les appareils dont la masse est connectée à la terre en raison des risques de
claquage diélectrique.
Fig. J7 : Le mode commun
Fig. J8 : Le mode différentiel
Ph Imd
N
Imd
Surtension en
mode différentiel Equipement
Ph
I mc
I mc
N
Equipement
Surtension
mode commun
b le mode différentiel
Les surtensions en mode différentiel apparaissent entre conducteurs actifs
phase/phase ou phase/neutre (cf. Fig. J8). Elles sont particulièrement dangereuses
pour les équipements électroniques, les matériels sensibles de type informatique, etc.
1 Caractéristiques des
surtensions d’origine
atmosphérique
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