Mots-clés : rotection Foudre, Normalisation, Installations contre les surtensions électriques, Basse tension. dues à la foudre : la normalisation francaise - par F. SULTANEM, La protection à basse tension d'origine donné des normalisation. menés révision installations contre à de en de France La protection des installations électriquesà basse tension contre les surtensionsd'origine atmosphé- les surtensions a récemment travaux d'horizon dans la norme la normalisation électriques nombreux Tour 15- 100 EDF-DER atmosphérique lieu NFC sur ceux le cadre NFC de de 15-100 la et sur internationale. INTRODUCTION De nombreux travaux ont été menés au cours des cinq dernières années dans le cadre des instances de normalisation sur la protection des installations électriques contre les effets des surtensions d'origine atmosphérique. La complexité du sujet résulte essentiellement de la nature stochastique des phénomènes considérés. En effet, même si la foudre est aujourd'hui un phénomène naturel rique a donné lieu à de nombreux travaux de normalisation. 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 parafoudres 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 actuellementau TC 64 et au SC 37A sont encore en déphasage par rapport aux textes français actuels. dont les mécanismes physiques sont bien connus, la prévision 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 probabilité 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 atmosphérique. 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 Much standardization work has been accomplished on the protection of low-voltage electrical installations against overvoltages of atmospheric origin. In France, the baseline standard in this area is NFC 15-100, on low-voltage electrical installations. NFC 15-100 covers three complementary prin- ciples : protection requirements should be determined through risk analysis ; lightning arresters should be installed in accordance with good engi- ,qu'une signification locale. A partir de ces considérations, on peut mieux cerner la neering practice ; lightning arrester installation should be coordinated, comply with NF C 61-740 difficulté de normaliser dans ce domaine et de définir des (1995 edition) and guarantee controlled life. règles générales permettant de répondre efficacement aux différentes situations. C'est ce défi qu'a relevé l'UTE, lorsqu'elle s'est engagée en 1993 dans la révision des normes relatives à la protection des installations contre les surtensions d'origine atmosphérique foudres en basse tension. et l'utilisation des para- end of The international situation remains fairly confused, and the IEC texts on LV lightning conductors currently circulating at TC 64 and SC 37A are still out of step with respect to the current French texts. REE w6 Juin1998 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 normalisation internationale sur le même sujet [1]. La protection des installations contre le coup de foudre direct n'est pas traitée ici. Cette protection, utilisée généralement 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 normes NFC 17-100 et NFC 17-102 [2,3]. des LE CONTEXTE - 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'installation, 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 61740 (édition 1995) et garantir une fin de vie maîtrisée [4]. PRINCIPES DE LA PROTECTION En France, les règles de base de la protection des installations électriques contre les effets des surtensions induites (SECTION 443) par la foudre relève du domaine de la norme NFC 15-100 " Installations électriques à basse tension ". La section 443 La section 443 s'appuie sur les principes de la coordination de l'isolement pour les matériels à basse tension tels de la norme donne les principes de la protection et la section 534 traite de l'utilisation des parafoudres comme que définis par la norme CEI 664-1 [5]. L'idée forte qui se dégage de ces principes est que les moyen permettant de l'assurer. Le guide 15-443 complète la norme en précisant les méthodes de choix et d'installation 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. 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 temporaires 50 Hz. 100 a donné de fait à cette prescription un caractère obligatoire 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, 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'installation (partie fixe ou appareil raccord). Enfin, elle donne la possibilité d'avoir des installations où la situation est étaient en effet difficilement contrôle de façon rationnelle. contrôlée par un DPS (Dispositif de Protection contre les Surtensions - parafoudre par exemple). Le statut réglementaire particulier de la norme NFC 15- Une deuxième difficulté, exploitables pour exercer ce 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 situations. pour les installations dans certaines Ce sont ces deux derniers éléments qui ont incité à engager la révision en se fixant comme objectifs de répondre aux questions suivantes : - Quand faut-il utiliser une protection ? Comment évaluer convenablement les risques ? - Quel niveau de protection choisir ? - Où installer les parafoudres ? En tête d'installation, ou au plus près des matériels à protéger ? - Commentcoordonner une cascade de parafoudres ? LES PRINCIPES DE BASE Les règles de la nouvelle NFC 15-100 sont basées sur trois principes complémentaires : REE N, 6 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 transitoires, 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 spécifications particulières (prises de courant.,....), . catégorie II : matériels consommateurs d'énergie, alimentés par l'installation fixe (appareils électro-domes- tiques,...), . catégorie 1 : matériels pour raccordement aux circuits Protection contre les surtensions dues à la foudre dans lesquels des mesures sont prises pour limiter les sur- : la normalisation française - NFC 15-100 tensions transitoires à un niveau faible approprié (circuits ge (courant de foudre écoulé). Un mauvais choix de parafoudre peut avoir un effet pervers et augmenter le niveau de électroniques protégés par exemple). La CEI 664-1 définit pour les matériels de chaque caté- risque pour l'installation. En effet, s'il est mal dimensionné, il peut mettre en danger l'installation qui l'abrite. 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. De plus, le parafoudre est exposé aux surtensions temporaires générées par le réseau. Or, même si l'amplitude de ces Catégories de surtensions Tension assignée de choc (volts) 1500 2500 III 4000 IV 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 surtensions transitoires présumées soient inférieures à un niveau défini, - la situation contrôlée où - grâce à des moyens spécifiques de réduction des surtensions (parafoudres, éclateurs, transformateurs,...) placés à l'origine de l'installation - on peut s'attendre à ce que les surtensions transitoires présumées soient inférieures à un niveau défini. surtensions est généralement plus faible que celle des surtensions 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 doivent 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 fonctionnement et en situation de défaut et garantir plus particulièrement une fin de vie maîtrisée sans risque pour les installations et les personnes. La section 534 traite aussi des mesures de protection associées aux parafoudres. Il s'agit notamment des déconnecteurs qui peuvent être internes ou externes au parafoudre et qui doivent assurer en toutes circonstances la protection contre le court-circuit et les contacts indirects. Les déconnecteurs doivent être coordonnés avec les protections 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. 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'installation est recommandée pour les installations alimentées par un réseau aérien ou torsadé sur façade et comportant du matériel sensible. CHOIX ET INSTALLATION PARAFOUDRES - LE GUIDE DES C 15-443 Le guide C 15-443, publié en 1996, est destiné à expliciter 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 parafoudre dans une installation donnée. Il donne aussi les éléments nécessaires pour le choix, l'installation et la coordination des parafoudres Il est illustré par un certain nombre d'exemples pratiques. 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- Analyse du risque Nous avons expliqué précédemment que l'un des principes 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 REE ? 6 Juin1998 RISQUES FOUDRE ET SURTENSIONS tout un outil d'aide à la décision. Elle est empirique et nullement exhaustive. Son résultat doit être pondéré en fonction des situations particulières et surtout du niveau de risque acceptable par l'utilisateur de l'installation. Son élaboration suppose une concertation entre l'installateur et l'utilisateur de l'installation. 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. L'analyse du risque se fonde sur la probabilité d'apparition 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, Toutefois, lorsque l'installation comporte du matériel générant des surtensions ou lorsqu'elle est susceptible d'en subir en provenance du voisinage, on peut être conduit à installer une protection ou à en changer le dimensionnement même si l'évaluation du risque, selon la méthode proposée, - ne le conseillait pas. le mode de transmission des surtensions d'origine atmosphérique, - la topographie du site, Caractéristiques - la nature et la valeur des matériels à protéger, - le coût de l'indisponibilité - l'existence éventuelle de surtensions de manoeuvre. de l'installation, 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 : est la densité de foudroiement locale, L la longueur de la ligne aérienne BT alimentant l'installation (L IT. =0,5), HTmax THTAun facteur dépendant du type de réseau HTA alimentant le poste HTA/BT, un coefficient prenant en compte la situation de la G les conséquences matérielles des perturbations, qui exprime le prix du matériel, 1 exprime le coût de l'indisponibilité permanent du para- foudre 1 doit être faible afin de ne pas perturber les protections différentielles de l'installation. - Le niveau de protection U du parafoudre doit être choisi en tenant compte des caractéristiques des matériels à internes ou externes pour prévenir l'emballement ther- Installation des parafoudres où : M 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 mique, le court-circuit ou le défaut à la terre. s'exprime par la relation : GS+M+1 exprime la sensibilité du matériel, rents points précisés, on peut relever les points suivants : - La tension maximale de régime permanent du para- protéger. - Le parafoudre doit être protégé par des déconnecteurs ligne aérienne et de l'installation. S 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- U aen IT. - Le courant de fonctionnement Nge d des parafoudres Le guide C 15-443 donne des éléments concernant les Le guide recommande d'installer les parafoudres à l'ori- 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- gine de l'installation. La protection de base consiste à disposer 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'interconnecter les prises de terre de plusieurs bâtiments appartenant à la même installation. Dans le cas où le matériel à protéger est situé à plus de mente, la pondération du poids relatif de chacun des paramètres, ainsi que l'évaluation finale du résultat, ont été déterminés de façon arbitraire, basée sur le bon sens et 30 m de l'origine de l'installation, une protection complémentaire est recommandée si le risque est élevé. Un soin l'expérience des experts qui ont participé à la rédaction de la norme. particulier doit alors être apporté à la coordination deux niveaux de protection. REE ? 6 Juin1998 des Protection contre les surtensions dues à la foudre 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 parafoudre doit être coordonné avec celui des dispositifs de protection de l'installation, situés en amont, de façon à privilégier la continuité de l'alimentation ou celle de la protection 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 parafoudres utilisés en cascade ou en parallèle dans la même installation est un sujet difficile pour lequel il existe actuellement différentes théories. : la normalisation française - NFC 15-100 Actuellement, plusieurs travaux sont en cours à la CEI dans le but de traiter le problème de l'utilisation des parafoudres 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. 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'origine de l'installation et de ceux installés au niveau des équi- 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. pements. 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 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 illustrent, d'une part, l'utilisation de la méthode d'analyse du risque, et d'autre part, le choix des parafoudres coordination. et leur En effet, d'une part, l'existence même des surtensions dépendante des régimes de neutre HTA et BT des réseaux de distribution et des conditions de mise à la terre des installations. 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 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 déphasage par rapport aux textes français actuels. La protection contre les surtensions d'origine atmosphérique 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 kéraunique 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 décider 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 dans les appareils ou les socles de prise de courant est considérée alors suffisante pour garantir un niveau de sécurité convenable. L'utilisation de parafoudres BT est réservée à la protection des installations particulièrement sensibles. 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 justifié sur les réseaux en TN de type Nord-américain. - Le concept Allemand qui consiste à installer des parafoudres BT sur les réseaux de distribution publique et limiter leur utilisation au niveau des installations aux régions fortement exposées et aux situations où une protection foudre complète est recherchée (paratonnerres + parafoudres). Dans ce cas, on préconise d'ailleurs des parafoudres ayant la capacité d'écouler des courants forts. Ce concept est probablement justifié dans le contexte allemand, caractérisé par une distribution publique en régime TN avec une proportion de lignes aériennes relativement faible, et des surtensions temporaires 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. REE ? 6 juin 1998 RISQUES FOUDRE ET SURTENSIONS [2] NFC 17-100 contre la Foudre ; 9. CONCLUSION La grande diffusion des appareils posants électroniques a engendré sensibilité accrue des installations comportant La normalisation ainsi que nous l'avons montré au mieux à cette situation française dans cet article, en définissant a essayé, une offre de protection raisonnable des règles adaptée à leur situation. L'expérience sera essentielle [3] NFC 17-102 (1995) - Protection des structures et des zones ouvertes contre la foudre par paratonnerre à disposition d'amorçage. de répondre simples, adaptées au contexte français, permettant aux installateurs de conseiller les utilisateurs et de leur proposer, si nécessaire, des structures des com- incontestablement une électriques aux phéno- mènes de surtensions. (1997) - Protection [4] NFC 61-740 (1995) tions basse tension Parafoudres pour installa- [5] CEI 60664-1 (1992) - Coordination de l'isolement des matériels dans les systèmes (réseaux) à basse tension. qui sera acquise pendant les années à venir pour évaluer la pertinence de ces règles et pour les adapter à l'évolution du besoin des utilisateurs et à l'éventuelle émergence de nouveaux dispositifs de protection. Références [11 NFC 15-100 (1995) - Installation électriques basses tension. REE NI 6 Juin 1998 à M. Fahd SULTANEM, IngénieurDéléguéà la Normalisation,représente EDF dans les Commissions de Normalisation nationales et internationales où sont développées les normes concernant en particulier les installations électriques à basse tension. Dans ce domaine de la protection des installationsélectriquescontre les surtensions,il a animéle Groupede Travail de la Commission 15 de l'UTE et participe aux Travauxinternationauxsur ce sujet.