rotection contre les surtensions dues à la foudre : la normalisation

rotection contre les surtensions
dues à la foudre : la normalisation
francaise - NFC 15- 100
Mots-clés :
Foudre,
Normalisation,
Installations
électriques,
Basse tension.
par F. SULTANEM, EDF-DER
La protection des installations électriques
à basse tension contre les surtensions
d'origine atmosphérique a récemment
donné lieu à de nombreux travaux de
normalisation. Tour d'horizon sur ceux
menés en France dans le cadre de la
révision de la norme NFC 15-100 et sur
la normalisation internationale.
INTRODUCTION
De nombreux travaux ont été menés au cours des cinq
dernières années dans le cadre des instances de normalisa-
tion sur la protection des installations électriques contre les
effets des surtensions d'origine atmosphérique.
La complexité du sujet résulte essentiellement de la natu-
re stochastique des phénomènes considérés. En effet,
même si la foudre est aujourd'hui un phénomène naturel
dont les mécanismes physiques sont bien connus, la prévi-
sion de son occurrence, de ses conséquences directes et
surtout indirectes, suscite encore des débats passionnés
entre les experts.
Des données scientifiques sur les niveaux de foudroie-
ment, issues d'enregistrements réels, sont maintenant dis-
ponibles dans certains pays, et permettent d'estimer la pro-
babilité annuelle de foudroiement de chaque région. Il
n'existe toutefois pas de statistiques sérieuses sur les
dégâts engendrés par la foudre, et encore moins sur le
nombre et la nature des appareils électriques qui subissent
une défaillance, suite aux surtensions d'origine atmosphé-
rique. La disponibilité de telles données nécessiterait une
longue période d'observation, de plusieurs voire des
dizaines d'années, et les résultats n'auraient de toute façon
,qu'une signification locale.
A partir de ces considérations, on peut mieux cerner la
difficulté de normaliser dans ce domaine et de définir des
règles générales permettant de répondre efficacement aux
différentes situations. C'est ce défi qu'a relevé l'UTE, lors-
qu'elle s'est engagée en 1993 dans la révision des normes
relatives à la protection des installations contre les surten-
sions d'origine atmosphérique et l'utilisation des para-
foudres en basse tension.
La protection des installations électriques à basse
tension contre les surtensions d'origine atmosphé-
rique a donné lieu à de nombreux travaux de nor-
malisation.
En France, les règles de base relèvent du domaine
de la norme NFC 15-100 " Installations électriques
à basse tension ".
Les règles de la nouvelle NFC 15-100 sont basées
sur trois principes complémentaires : la nécessité
de la protection et le choix de son niveau doivent
résulter d'une analyse du risque, les parafoudres
doivent être installés selon les règles de l'art, ils
doivent être coordonnés entre eux et les para-
foudres doivent être conformes à la NFC 61-740
(édition 1995) et garantir une fin de vie maîtrisée.
La situation internationale reste assez confuse et
les textes CEI concernant les parafoudres BT qui
circulent actuellement au TC 64 et au SC 37A sont
encore en déphasage par rapport aux textes fran-
çais actuels.
Much standardization work has been accompli-
shed on the protection of low-voltage electrical ins-
tallations against overvoltages of atmospheric ori-
gin. In France, the baseline standard in this area is
NFC 15-100, on low-voltage electrical installa-
tions.
NFC 15-100 covers three complementary prin-
ciples : protection requirements should be determi-
ned through risk analysis ; lightning arresters
should be installed in accordance with good engi-
neering practice ; lightning arrester installation
should be coordinated, comply with NF C 61-740
(1995 edition) and guarantee controlled end of
life.
The international situation remains fairly confused,
and the IEC texts on LV lightning conductors cur-
rently circulating at TC 64 and SC 37A are still out
of step with respect to the current French texts.
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RISQUES FOUDRE ET SURTENSIONS
Cet article présente la synthèse de ces travaux qui ont été
menés dans le cadre de la norme NFC 15-100 entre 1993 et
1996 et les positionne dans le contexte des travaux de nor-
malisation internationale sur le même sujet [1].
La protection des installations contre le coup de foudre
direct n'est pas traitée ici. Cette protection, utilisée généra-
lement pour les structures de grande hauteur ou abritant
des matériels sensibles, nécessite la mise en oeuvre d'un
paratonnerre. Elle fait partie du domaine d'application des
normes NFC 17-100 et NFC 17-102 [2,3].
LE CONTEXTE
En France, les règles de base de la protection des instal-
lations électriques contre les effets des surtensions induites
par la foudre relève du domaine de la norme NFC 15-100
" Installations électriques à basse tension ". La section 443
de la norme donne les principes de la protection et la sec-
tion 534 traite de l'utilisation des parafoudres comme
moyen permettant de l'assurer. Le guide 15-443 complète
la norme en précisant les méthodes de choix et d'installa-
tion des parafoudres.
Le chapitre 443 de l'édition de 1991 de la NFC 15-100
préconisait l'utilisation d'un parafoudre à l'origine de
toutes les installations alimentées par une ligne aérienne et
situées dans une zone où le niveau kéraunique (nombre de
fois où l'on entend le tonnerre par an) est supérieur à 25.
Le statut réglementaire particulier de la norme NFC 15-
100 a donné de fait à cette prescription un caractère obliga-
toire et l'a soumise au contrôle CONSUEL préalable à
l'alimentation des installations neuves. La mise en pratique
de ce contrôle a soulevé de nombreuses difficultés. Les
cartes de niveaux kérauniques, disponibles à cette époque,
étaient en effet difficilement exploitables pour exercer ce
contrôle de façon rationnelle.
Une deuxième difficulté, liée à la sécurité d'utilisation
des parafoudres est également apparue. Certains produits,
disponibles sur le marché à l'époque, avaient un niveau de
sécurité insuffisant et leur utilisation pouvait présenter un
risque d'incendie pour les installations dans certaines
situations.
Ce sont ces deux derniers éléments qui ont incité à enga-
ger la révision en se fixant comme objectifs de répondre
aux questions suivantes :
- Quand faut-il utiliser une protection ? Comment éva-
luer convenablement les risques ?
- Quel niveau de protection choisir ?
- Où installer les parafoudres ? En tête d'installation, ou
au plus près des matériels à protéger ?
- Comment coordonner une cascade de parafoudres ?
LES PRINCIPES DE BASE
Les règles de la nouvelle NFC 15-100 sont basées sur
trois principes complémentaires :
- La nécessité de la protection et le choix de son niveau
doivent résulter d'une analyse du risque. Cette analyse doit
tenir compte non seulement du degré d'exposition de l'ins-
tallation, mais aussi de la valeur des matériels à protéger et
du coût de leur indisponibilité.
- Les parafoudres doivent être installés selon les règles
de l'art, ils doivent être coordonnés entre eux, et avec les
appareillages de protection de l'installation.
- Les parafoudres doivent être conformes à la NFC 61-
740 (édition 1995) et garantir une fin de vie maîtrisée [4].
PRINCIPES DE LA PROTECTION
(SECTION 443)
La section 443 s'appuie sur les principes de la coordina-
tion de l'isolement pour les matériels à basse tension tels
que définis par la norme CEI 664-1 [5].
L'idée forte qui se dégage de ces principes est que les
installations électriques doivent être conçues pour résister
aux surtensions transitoires les plus élevées auxquelles
elles sont susceptibles d'être soumises - le coup de foudre
indirect en l'occurrence - (on admet qu'il est illusoire de
vouloir tout protéger contre le coup de foudre direct).
Par conséquent, les matériels sont testés en fonction de
leur tenue à l'onde de choc et non aux surtensions tempo-
raires 50 Hz.
La CEI 664-1 admet aussi que le niveau de protection
doit être défini en fonction de l'emplacement du matériel
dans l'installation, donc de la probabilité qu'il a de subir
une surtension élevée, ainsi que de sa fonction dans l'ins-
tallation (partie fixe ou appareil raccord). Enfin, elle donne
la possibilité d'avoir des installations où la situation est
contrôlée par un DPS (Dispositif de Protection contre les
Surtensions - parafoudre par exemple).
Pour introduire ces principes, trois notions de base sont
utilisées dans la section 443.
La notion de tenue au choc des matériels
électriques
Elle caractérise leur tenue vis-à-vis des surtensions tran-
sitoires, notamment celles dues à la foudre.
La notion de catégorie de surtension
Elle permet de classer le matériel en quatre catégories
selon l'emplacement de celui-ci dans le réseau :
. catégorie IV : matériels à l'origine de l'installation
(compteurs, fusible AD,...),
. catégorie III : matériels des installations fixes et dans le
cas où la fiabilité et la disponibilité font l'objet de spécifi-
cations particulières (prises de courant.,....),
. catégorie II : matériels consommateurs d'énergie, ali-
mentés par l'installation fixe (appareils électro-domes-
tiques,...),
. catégorie 1 : matériels pour raccordement aux circuits
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Protection contre les surtensions dues à la foudre : la normalisation française - NFC 15-100
dans lesquels des mesures sont prises pour limiter les sur-
tensions transitoires à un niveau faible approprié (circuits
électroniques protégés par exemple).
La CEI 664-1 définit pour les matériels de chaque caté-
gorie les niveaux de tension assignée de choc (tableau 1) et
les distances minimales d'isolement dans l'air acceptables
en fonction des critères d'environnement.
Catégories de surtensions Tension assignée de choc
(volts)
1500
2500
III
IV
4000
6000
Tableau 1. - Tension assignée de choc pour les matériels
alimentés directement par un réseau 230 volts.
La notion de situation de maîtrise
des surtensions
On distingue :
- la situation naturelle où - grâce aux caractéristiques
mêmes du système - on peut s'attendre à ce que les surten-
sions transitoires présumées soient inférieures à un niveau
défini,
- la situation contrôlée où - grâce à des moyens spéci-
fiques de réduction des surtensions (parafoudres, éclateurs,
transformateurs,...) placés à l'origine de l'installation - on
peut s'attendre à ce que les surtensions transitoires présu-
mées soient inférieures à un niveau défini.
RÈGLES DE PROTECTION
Elles se résument ainsi :
- Lorsque l'installation est alimentée par un réseau à basse
tension entièrement souterrain, une protection n'est pas
nécessaire si les matériels de l'installation ont une tension de
tenue aux chocs conforme à la CEI 664-1 (tableau 1).
- L'installation d'un parafoudre à l'origine de l'installa-
tion est recommandée pour les installations alimentées par
un réseau aérien ou torsadé sur façade et comportant du
matériel sensible.
REGLES D'UTILISATION DES
PARAFOUDRES BT (SECTION 534)
La protection des installations contre les coups de foudre
indirects peut être obtenue par l'utilisation des parafoudres
BT. Ces dispositifs sont destinés à écouler le courant de
foudre vers la terre et empêchent le développement des
surtensions.
L'utilisation des parafoudres pose néanmoins plusieurs
difficultés notamment en ce qui concerne le choix du niveau
de protection (tension d'amorçage) et du courant de déchar-
ge (courant de foudre écoulé). Un mauvais choix de para-
foudre peut avoir un effet pervers et augmenter le niveau de
risque pour l'installation. En effet, s'il est mal dimensionné,
il peut mettre en danger l'installation qui l'abrite.
De plus, le parafoudre est exposé aux surtensions tempo-
raires générées par le réseau. Or, même si l'amplitude de ces
surtensions est généralement plus faible que celle des sur-
tensions de foudre, leur durée est nettement plus longue et
l'énergie qu'elles véhiculent dépasse le niveau acceptable par
le parafoudre. Elle conduit généralement à sa destruction.
La section 534 donne les règles de choix et d'installation
des parafoudres. Elle précise que les parafoudres à l'origine
de l'installation doivent être disposés entre conducteurs
actifs et terre avec des liaisons courtes « 50 cm). Ils doi-
vent avoir un niveau de protection maximal de 2,5 kV et
un courant de décharge d'au moins 5 kA. Les parafoudres
doivent être conformes à la NFC 61-740 (édition 1995)
afin de garantir la sécurité de leur utilisation en fonctionne-
ment et en situation de défaut et garantir plus particulière-
ment une fin de vie maîtrisée sans risque pour les installa-
tions et les personnes.
La section 534 traite aussi des mesures de protection
associées aux parafoudres. Il s'agit notamment des décon-
necteurs qui peuvent être internes ou externes au para-
foudre et qui doivent assurer en toutes circonstances la
protection contre le court-circuit et les contacts indirects.
Les déconnecteurs doivent être coordonnés avec les pro-
tections éventuelles en amont de l'installation.
Le parafoudre, ou son déconnecteur, doit être équipé
aussi d'un dispositif de signalisation de fin de vie. Cette fin
de vie ne doit pas engendrer un court-circuit neutre-terre
dans les installations à régime de neutre TT ou IT.
CHOIX ET INSTALLATION DES
PARAFOUDRES - LE GUIDE C 15-443
Le guide C 15-443, publié en 1996, est destiné à explici-
ter les sections 443 et 534 de la NFC 15-100. Il donne
notamment une méthode empirique d'analyse du risque
destinée à aider à évaluer la nécessité d'utiliser un para-
foudre dans une installation donnée. Il donne aussi les élé-
ments nécessaires pour le choix, l'installation et la coordi-
nation des parafoudres Il est illustré par un certain nombre
d'exemples pratiques.
Analyse du risque
Nous avons expliqué précédemment que l'un des prin-
cipes selon lesquels a été rédigée la section 443 consiste à
ne pas réglementer l'utilisation d'une protection contre les
surtensions de foudre, mais de la recommander sur la base
d'une analyse du risque.
S'agissant d'un risque pour les biens, l'évaluation de la
conséquence de ce risque comporte forcément une part
subjective, individuelle. C'est pourquoi il est bien précisé
dans le guide que la méthode d'analyse proposée est avant
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RISQUES FOUDRE ET SURTENSIONS
tout un outil d'aide à la décision. Elle est empirique et nul-
lement exhaustive. Son résultat doit être pondéré en fonc-
tion des situations particulières et surtout du niveau de
risque acceptable par l'utilisateur de l'installation. Son éla-
boration suppose une concertation entre l'installateur et
l'utilisateur de l'installation.
L'analyse du risque se fonde sur la probabilité d'appari-
tion des surtensions et sur le bilan économique entre les
coûts de la protection et les conséquences prévisibles des
surtensions. Elle considère donc les paramètres suivants :
- la probabilité de foudroiement de la zone,
- le mode de transmission des surtensions d'origine
atmosphérique,
- la topographie du site,
- la nature et la valeur des matériels à protéger,
- le coût de l'indisponibilité de l'installation,
- l'existence éventuelle de surtensions de manoeuvre.
Dans la pratique, pour estimer l'intérêt de l'installation
d'un parafoudre, on calcule les deux grandeurs suivantes :
- F le niveau d'exposition aux surtensions de foudre, qui
s'exprime par la relation :
F N, (1 + 2 L,,+T,,, +d)
où :
Ng est la densité de foudroiement locale,e
L la longueur de la ligne aérienne BT alimentant l'ins-
tallation (L IT. =0,5),
HTmax
THTA un facteur dépendant du type de réseau HTA alimen-
tant le poste HTA/BT,
d un coefficient prenant en compte la situation de la
ligne aérienne et de l'installation.
G les conséquences matérielles des perturbations, qui
s'exprime par la relation :
G S + M + 1
où :
S exprime la sensibilité du matériel,
M exprime le prix du matériel,
1 exprime le coût de l'indisponibilité du matériel.
En reportant les valeurs de F et de G dans un tableau à
deux entrées, on obtient ensuite une évaluation de l'intérêt
d'utiliser un parafoudre dans le cas de l'installation étudiée.
Cependant, des réserves doivent être émises concernant
cette méthode. En effet, même si les paramètres considérés
sont incontestablement les plus pertinents, et qu'ils sont
introduits dans les équations de façon à incrémenter la
valeur de F au G lorsque le risque ou sa conséquence aug-
mente, la pondération du poids relatif de chacun des para-
mètres, ainsi que l'évaluation finale du résultat, ont été
déterminés de façon arbitraire, basée sur le bon sens et
l'expérience des experts qui ont participé à la rédaction de
la norme.
Prise en compte des surtensions de manoeuvre
La prise en compte de ces surtensions doit se faire après
évaluation du risque lié aux surtensions atmosphériques.
L'installation de parafoudres destinés à protéger contre
les surtensions d'origine atmosphérique permet, en général,
de se prémunir contre les surtensions de manoeuvre.
Toutefois, lorsque l'installation comporte du matériel géné-
rant des surtensions ou lorsqu'elle est susceptible d'en subir
en provenance du voisinage, on peut être conduit à instal-
ler une protection ou à en changer le dimensionnement
même si l'évaluation du risque, selon la méthode proposée,
ne le conseillait pas.
Caractéristiques des parafoudres
Le guide C 15-443 donne des éléments concernant les
parafoudres utilisables pour assurer la protection. Il s'agit
notamment du rappel de certaines caractéristiques de la
NFC 61-740, norme des parafoudres BT. Parmi les diffé-
rents points précisés, on peut relever les points suivants :
- La tension maximale de régime permanent du para-
foudre U doit être supérieure à la tension nominale du
réseau Uo, variations incluses. Elle doit prendre en compte
les surtensions prévisibles de longue durée. En pratique U
doit être supérieure à 1,5 Ua en régime TT et TN et à 1,732
U en IT.a
- Le courant de fonctionnement permanent du para-
foudre 1 doit être faible afin de ne pas perturber les protec-
tions différentielles de l'installation.
- Le niveau de protection U du parafoudre doit être
choisi en tenant compte des caractéristiques des matériels à
protéger.
- Le parafoudre doit être protégé par des déconnecteurs
internes ou externes pour prévenir l'emballement ther-
mique, le court-circuit ou le défaut à la terre.
Installation des parafoudres
Le guide recommande d'installer les parafoudres à l'ori-
gine de l'installation. La protection de base consiste à dis-
poser les parafoudres entre conducteurs actifs et terre.
Selon le régime du neutre, les parafoudres sont installés
entre phase et terre (TT, TN, IT), et neutre et terre (TT,
TN-S, IT). Optionnellement, des parafoudres entre phase
et neutre peuvent également être installés (TT, TN-S).
Dans ce cas, il convient de choisir U > 1,1 U
Les prises de terre des masses conformes aux normes
NFC 13-100, NFC 13-200, NFC 15-100 et NFC 17-100
sont considérées satisfaisantes. Il est recommandé d'inter-
connecter les prises de terre de plusieurs bâtiments appar-
tenant à la même installation.
Dans le cas où le matériel à protéger est situé à plus de
30 m de l'origine de l'installation, une protection complé-
mentaire est recommandée si le risque est élevé. Un soin
particulier doit alors être apporté à la coordination des
deux niveaux de protection.
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Protection contre les surtensions dues à la foudre : la normalisation française - NFC 15-100
Les conducteurs de connexions du parafoudre doivent
avoir une section minimale de 4 mm'et être aussi courts
que possible « 50 cm).
Le fonctionnement des dispositifs de protection du para-
foudre doit être coordonné avec celui des dispositifs de
protection de l'installation, situés en amont, de façon à pri-
vilégier la continuité de l'alimentation ou celle de la pro-
tection en cas de fin de vie du parafoudre.
Le guide donne aussi des indications sur le choix du
courant de décharge des parafoudres en fonction de la
sévérité d'exposition de l'installation.
Coordination entre plusieurs parafoudres
La coordination du fonctionnement de plusieurs para-
foudres utilisés en cascade ou en parallèle dans la même
installation est un sujet difficile pour lequel il existe actuel-
lement différentes théories.
Le guide aborde ce sujet de façon pratique et donne des
éléments d'aide pour le choix des niveaux de protection et
des courants de décharge des parafoudres installés à l'origi-
ne de l'installation et de ceux installés au niveau des équi-
pements.
En l'absence d'une étude spécifique de coordination, il
est possible d'utiliser un tableau simple pour sélectionner,
en fonction de la distance, une combinaison de parafoudres
ZnO permettant d'assurer une coordination efficace.
Le guide se termine avec plusieurs exemples qui illus-
trent, d'une part, l'utilisation de la méthode d'analyse du
risque, et d'autre part, le choix des parafoudres et leur
coordination.
LA SITUATION SUR LE PLAN
INTERNATIONAL
La situation internationale reste assez confuse et les
textes CEI concernant les parafoudres BT qui circulent
actuellement au TC 64 et au SC 37A sont encore en dépha-
sage par rapport aux textes français actuels.
La protection contre les surtensions d'origine atmosphé-
rique est traitée actuellement dans les chapitres 443 et 534
de la CEI 364. Cette norme préconise l'installation d'un
parafoudre à l'origine des installations alimentées par une
ligne aérienne située dans une zone où le niveau kérau-
nique est supérieur à 25. Les récentes révisions de la
norme ont introduit deux nouvelles variantes :
1. la possibilité d'utiliser une analyse du risque pour déci-
der de l'utilisation d'une protection,
2. la possibilité d'assurer la protection par des parafoudres
installés sur le réseau de distribution.
Au CENELEC, une proposition récente de l'Allemagne
a permis d'introduire ce sujet au programme de travail du
comité 64. Un projet de norme basé sur les sections 443 et
534 de la CEI sera proposé aux comités nationaux en 1998
Actuellement, plusieurs travaux sont en cours à la CEI
dans le but de traiter le problème de l'utilisation des para-
foudres BT :
- la France a proposé les nouvelles sections 443 et 534
de la NFC 15-100 à la CEI,
- l'Allemagne a proposé d'intégrer ses règles d'installa-
tion de parafoudres BT sur le réseau de distribution public
parmi les mesures de protection,
- une méthode d'analyse du risque est à l'étude,
- un guide sur les surtensions sera bientôt diffusé aux
comités nationaux,
- un guide pour la sélection des parafoudres est aussi en
voie d'achèvement au SC 37 A.
L'obtention d'un consensus dans ce domaine reste diffi-
cile, car il faut bien constater que dans de nombreux pays
ce concensus n'existe même pas sur le plan national.
L'appréciation de l'importance réelle du problème et son
appréhension dans le cadre des réglementations nationales,
diffèrent aujourd'hui en fonction des pays considérés.
En effet, d'une part, l'existence même des surtensions
d'origine atmosphérique est assez variable en fonction des
situations géographiques, et d'autre part la propagation de
ces surtensions sur les réseaux et dans les installations est
dépendante des régimes de neutre HTA et BT des réseaux
de distribution et des conditions de mise à la terre des ins-
tallations.
Trois concepts de protection semblent émerger dans les
débats actuels :
- Le concept Nord-américain où l'on considère que la
probabilité des surtensions accompagnées d'un courant
élevé est très faible. L'utilisation de petits para-surtenseurs
dans les appareils ou les socles de prise de courant est
considérée alors suffisante pour garantir un niveau de sécu-
rité convenable. L'utilisation de parafoudres BT est réser-
vée à la protection des installations particulièrement sen-
sibles. Ce concept est probablement justifié sur les réseaux
de type Nord-américain avec mise à la terre directe des
neutres HTA et BT, où la longueur des réseaux BT reste
généralement très courte. Ce concept est probablement jus-
tifié sur les réseaux en TN de type Nord-américain.
- Le concept Allemand qui consiste à installer des para-
foudres BT sur les réseaux de distribution publique et limiter
leur utilisation au niveau des installations aux régions forte-
ment exposées et aux situations où une protection foudre
complète est recherchée (paratonnerres + parafoudres). Dans
ce cas, on préconise d'ailleurs des parafoudres ayant la capa-
cité d'écouler des courants forts. Ce concept est probable-
ment justifié dans le contexte allemand, caractérisé par une
distribution publique en régime TN avec une proportion de
lignes aériennes relativement faible, et des surtensions tem-
poraires maîtrisées à un niveau bas.
- Le concept français qui privilégie l'utilisation d'une
protection à l'origine de l'installation dimensionnée pour
des courants de foudre de quelques kA.
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