Coffret parafoudre, amélioration de prise de terre et second conducteur de descente

Concernant la foudre, nous aimerions revenir sur le rôle du Parafoudre et de l’importance de trois maillons de la protection foudre, le coffret parafoudre, l'amélioration de prise de terre et le second conducteur de descente.

Sommaire

• 1 - Coffret parafoudre
• Les coups de foudre directs
• Les coups de foudre indirects
• Pourquoi un Parafoudre?
• Evaluation des risques
• Qu’est-ce qu’un parafoudre?
• Réseau basse tension
• Réseau téléphonique
• Guide de choix des parafoudres
• Règles d’installation de parafoudres en tableaux bt
• Procédure de vérification de l’iipf
• 2 - Amélioration de prise de terre
• 3 - Second conducteur de descente

Coffret parafoudre

Rappel des principes fondamentaux sur le phénomène foudre et ses effets destructeurs

La foudre est un courant de 30 kA en moyenne avec des maxima de l’ordre de 100 à 200 kA, se propageant avec des ascendants importants entre deux nuages ou entre une masse nuageuse et le sol.

Les coups de foudre directs

Ce courant de foudre, lorsqu’il frappe directement les structures même des bâtiments, peut avoir des conséquences très dommageables pour ces structures. Pour prévenir ce risque, la solution est l’installation de paratonnerres ou la prise en compte d’éléments constitutifs (naturels) du bâtiment.

Les coups de foudre indirects

Bien que plus fréquents et nombreux que les premiers, ils sont tout aussi dangereux. En effet, la foudre, en cherchant à s’écouler à la terre par tous les éléments conducteurs qu’elle rencontre sur son chemin, peut aussi causer des dégâts importants aux équipements électriques, électroniques et informatiques qui se trouvent à proximité du point d’impact. Elle provoque également un champ électromagnétique très intense, lui-même générateur d’importants courants parasites sur les câbles qu’il « illumine ». Enfin, elle crée des phénomènes dits de « remontée de terre » lors de son écoulement à la terre.

Il est plus difficile de prévenir ces effets secondaires car le danger peut avoir des origines multiples. Aujourd’hui, il est préconisé de mettre en place les mesures suivantes :

Réaliser une parfaite équipotentialité des terres du site afin de limiter les conséquences des phénomènes de couplage de terre, et interconnecter les masses métalliques telles que chemins de câbles en acier, structure métallique, tuyauteries et conduits divers à proximité des équipements sensibles. Cela permettra de réduire les courants vagabonds qui circulent habituellement dans ces éléments conducteurs. Installer des parafoudres sur les lignes provenant de l’extérieur des bâtiments et reliées aux équipements importants pour la sécurité ou aux électroniques fragiles, afin de les protéger contre les surtensions transitoires.

Pourquoi un Parafoudre?

Si un bâtiment non protégé venait à être frappé par la foudre, il pourrait en résulter un incendie, des dommages structurels, des dommages aux systèmes / équipements électriques et surtout atteindre les personnes en provoquant des dommages irréversibles.

La foudre est un phénomène naturel prévisible mais pas totalement contrôlable, il s'aborde de deux façons, la protection des effets directs nommée Installation Extérieure Protection Foudre et la protection des effets indirects Installation Intérieure Protection Foudre.

Un système de protection contre la foudre a pour but de protéger un bâtiment ses occupants et son contenu de ces effets néfastes. Pour le faire correctement, le système de protection contre la foudre doit capturer la foudre (effet direct de la foudre), l'amener en toute sécurité à la résistance la plus faible soit la terre en dispersant l'énergie dans le sol.

La simple dissipation des courants foudre au niveau du sol ne suffit pas, en effet il faut garantir que tous les circuits de terre et notamment ceux des bâtiments protégés des effets directs, ceci se nomme la mise en mise en equipotentialité des masses, L'impact foudre pouvant circuler sur les réseaux de terre commun permet d'éviter les différences de potentiels et assure une première protection des appareillages et circuit basse tension des biens à protéger, cependant c'est à ce moment que la seconde phase de la protection intervient, l'Installation Intérieure Protection Foudre, par la mise en place de parafoudre de type 1, 2 ou 3.

Pour définir les moyens à mettre en œuvre il faudra définir le niveau de protection à atteindre puis déterminer le matériel correspondant pour répondre au niveau de protection requis.

Evaluation des risques

L’évaluation des risques prend en compte les facteurs suivants:

• Les dimensions extérieures de la structure (y compris les structures adjacentes connectées électriquement)
• La densité de foudroiement (en jours d'orage par an) pour la région
• Le type de construction
• La résistivité du sol
• Environnement et Proximité d'autres structures telles que de grands arbres
• La présence de câbles aériens entrant dans la structure

Qu’est-ce qu’un parafoudre? 

Son rôle est d’éviter aux équipements protégés de voir à leurs bornes une tension dépassant leur tenue aux chocs en permettant à l’impulsion de courant associée à la surtension d’être évacuée. 

La norme définit 3 types de parafoudres suivant la classe d’essai et leur destination : 

• Type 1 (essai de classe 1 avec onde 10/350μs simulant les courants partiels de foudre). Ils utilisent principalement la technologie éclateur et sont placés en tête des installations équipées de paratonnerre.
• Type 2 (essai de classe 2 avec onde 8/20μs simulant les courants créés par les effets indirects de la foudre). Ils utilisent la technologie Varistances ou la technologie Diodes d’écrêtage pour de meilleures performances. Ils seront de préférence en tête d’installation pour éviter l’entrée des surtensions dans l’installation.
• Type 3 (essai de classe 3 avec onde combinée). A varistances ou diodes d’écrêtage, ils sont destinés à la protection finale des équipements sensibles et ne peuvent être utilisés seuls.

Mais encore voici ce que nous pouvons dire sur la protection par les parafoudres Les surtensions transitoires peuvent être définies comme des élévations rapides élevées et souvent imprévisibles du potentiel d’un point donné.

La protection contre les surtensions transitoires a deux objectifs :

• Éviter qu’une surtension ne soit à l’origine d’un dysfonctionnement d’un équipement important pour la sécurité.
• Éviter qu’une surtension ne soit à l’origine d’un amorçage dans une zone à risque.

Il est donc nécessaire d’assurer une continuité de service du matériel important pour la sécurité vis-à-vis des risques foudre en mettant en place une protection sur les équipements concernés.

Cette protection est assurée par des parafoudres. Ce sont des appareils de sécurité dont le rôle est d’empêcher que la tension ne dépasse un seuil compatible avec le bon fonctionnement des équipements. Ils sont raccordés en parallèle ou en série sur la ligne qui alimente l’équipement à protéger et permettent d’écrêter puis d’écouler à la terre une surtension apparaissant aux bornes de l’équipement.

Réseau basse tension

Les points de livraison EDF se trouvent au niveau des postes de transformation. Une protection de tête d’installation, disposée dans les TGBT, permet de briser l’onde de foudre venant du réseau EDF et de supprimer une grande partie de son énergie. Cette protection en tête d’installation est obligatoire suivant le texte de la norme NF C 15-100 (édition décembre 2002) sur les sites équipés de paratonnerres et/ou dont le niveau kéraunique local Nk est supérieur à 25 (densité de foudroiement Ng>1,25). D’autres équipements, jugés particulièrement sensibles, ou pour lesquels la perte de continuité de service serait critique (exemple : ascenseurs, systèmes informatiques et téléphoniques…) peuvent également être protégés par l’intermédiaire d’un second niveau de protection.

Ce second niveau est réalisé par des parafoudres dont la tension résiduelle, très basse, est adaptée à la sensibilité du matériel à protéger. Ce concept s’appelle la « cascade de parafoudres » :

Le choix des parafoudres doit être fait en fonction de leur pouvoir d’écoulement en courant de décharge (facteur retenu pour les parafoudres primaires), de leur tension résiduelle (facteur important pour les parafoudres secondaires), de la tension nominale du réseau (généralement 400V triphasé) et du schéma de distribution du neutre (TN, TT, IT). Le choix des sectionneurs fusibles ou disjoncteurs doit être fait en fonction du type des parafoudres et de leur positionnement dans l’installation, de manière à assurer le pouvoir de coupure en courant de court-circuit (lcc).

Une longueur de câble minimum entre les deux étages de protection doit être respectée de manière à assurer le découplage nécessaire au bon fonctionnement de la protection cascade. Dans le cas contraire, une inductance de découplage doit être adaptée au courant nominal au point considéré pour assurer une bonne coordination de l’ensemble.

Réseau téléphonique

L’interface France TELECOM/privé doit être équipée de parafoudres adaptés au type de ligne téléphonique (RTC, Numéris, MIC, LS…).

Ces parafoudres doivent être du type 1 avec une tension résiduelle compatible avec les équipements à protéger. Leur caractéristique d’entrée est plus faible que dans le cas de l’énergie car le courant se divise par le nombre de conducteurs des câblages agressés.

• Conforme à la NF EN 61643-21,
• Courant de choc de foudre en onde 8/20 µs : In = 5 kA,
• Niveau de protection 1 kV/µs entre ligne/terre : Up ≤ 600 V,
• Tension de service maximale : Uc = 170 V,
• Courant nominal maximum : 150 mA,
• Limite de fréquence maximale : FG = 10 MHz,
• Présentation sous forme modulaire pour intégration sur borniers,
• Fin de vie en court-circuit

Guide de choix des parafoudres

Le courant pulsionnel Iimp des modules parafoudres doit être supérieur ou égal à la valeur donnée par les formules ci-dessous en fonction du niveau de protection défini pour le bâtiment :
Np = I : Iimp ≥ 100/(n1+n2)
Np = II : Iimp ≥ 75/(n1+n2)
Np = III et IV: Iimp ≥ 50/(n1+n2)
n1 = nombre total des éléments conducteurs extérieurs ou lignes extérieures enterrées
n2 = nombre total des éléments conducteurs extérieurs ou lignes extérieures aériennes
Rappel :
n1 et n2 doivent tenir compte :
a)            Du nombre de lignes de l’alimentation électrique extérieure du bâtiment (donc selon régime du neutre, de leur nombre de fils respectifs)
b)            Des éventuelles autres lignes extérieures (telles que les alimentations d’éclairages extérieurs)
c)            Des éventuels autres éléments extérieurs conducteurs (tels que canalisations métalliques, eau, gaz…)

Concernant le a), les valeurs de n1 et n2, en fonction du régime de neutre de la ligne d’alimentation électrique, sont les suivantes :

NB : Application de la note Qualifoudre n°2 concernant les distances de câblage

Règles d’installation de parafoudres en tableaux bt

Règle 1 : Respecter la longueur L (L1+L2+L3) < 0,50 m en utilisant des borniers de raccordement intermédiaires si nécessaire
Règle 2 : Réduire la surface de boucle générée par le montage des câbles phases, neutre et PE en les regroupant ensemble d’un même côté du tableau
Règle 3 : Séparer les câbles d’arrivée (en provenance du réseau) et les câbles de départ (vers l’installation) pour éviter de mélanger les câbles perturbés et les câbles protégés. Ces câbles ne doivent pas non plus traverser la boucle (règle 2)
Règle 4 : Plaquer les câbles contre la structure métallique du tableau lorsqu’elle existe afin de minimiser la boucle de masse et de bénéficier de l’effet réducteur des perturbations

Procédure de vérification de l’iipf

Rappel sur les parafoudres :
Conformément aux normes « parafoudre basse tension », les parafoudres seront équipés de sécurités de type thermique internes qui déconnecteront la fonction protection du réseau en cas de fonctionnement anormal (échauffement excessif dû à un dépassement des caractéristiques techniques du produit).

Dans ce cas, l’utilisateur sera averti du défaut par le basculement au rouge de l’indicateur en face avant du parafoudre (module défectueux). Il sera alors nécessaire de remplacer le module.

Les parafoudres, pour supporter les défauts de type courants de courts-circuits ou des surtensions temporaires, seront raccordés au réseau de basse tension par des dispositifs de déconnexion extérieurs et spécifiques aux parafoudres (fusibles).

Les parafoudres pourront être équipés d’un contact. Cette fonction pourra autoriser le contrôle à distance de l’état du parafoudre via différents moyens tels que :

• Voyant
• Buzzer
• Reliés à une carte entrée sortie d’un automate (GTC…)
• Télésurveillance
• Lors des inspections périodiques, les points suivants doivent être vérifiés :
• L’état de fonctionnement du parafoudre visualisé par un voyant éventuel
• La continuité des fusibles dédiés à la protection des parafoudres
• La présence des modules enfichables constituant le parafoudre
• La conformité du raccordement du parafoudre (règle des 50 cm)
• Les connexions sont serrées et aucune rupture de conducteur ou de jonction n’existe
• Aucune partie du système n’est fragilisée par la corrosion
• Il n’existe pas d’ajouts ou de modification nécessitant une protection complémentaire
• Le cheminement des câbles est maintenu

2 - Amélioration de la prise de terre

Dans la constitution d'un système de protection contre la foudre un des éléments les plus importante et la résistance de la prise de terre, en effet quelque soit le niveau de protection à atteindre et la définition normative, pour qu'une installation diminue considérablement sont risque de dommage et l'écoulement dans la terre d'un impact direct et indirect de la foudre,

Pour ce faire plusieurs méthodes existent, exécutées en patte d’oie suivant un axe de 15 ml et deux bras de 5 m à 45° sur une profondeur de 60 cm. Cette fouille contient un conducteur similaire au conducteur de descente, le raccord de la patte d’oie est réalisé à l’aide d’une pièce en laiton matricé à serrage mécanique. À l’extrémité de chaque bras, le conducteur est relié à l’aide de cosse en cuivre à 3 piquets de terre 16 mm, ou exécuté en forage linéaire sur une distance de XX Cette fouille contient un conducteur similaire au conducteur de descente, le raccord de la patte d’oie est réalisé à l’aide d’une pièce en laiton matricé à serrage mécanique. À l’extrémité de chaque bras, le conducteur est relié à l’aide de cosse en cuivre à 3 piquets de terre 16 mm.

Lorsque la résistivité du sol empêche d’obtenir une résistance de prise de terre inférieure à 10 Ω à l’aide des mesures de protection normalisées et complémentaires, il peut être considéré que la prise de terre de type A assure un écoulement acceptable du courant de foudre lorsqu’elle comprend une longueur totale d’électrode enterrée d’au moins 100m pour un niveau de protection IV et 160M en Np1.

Dans le cas de difficulté à pouvoir trouver une bonne résistance il est utilisé des additifs naturels comme la PARATONITE,

La PARATONITE est une argile bentonitique sodique pure ne contenant pas d’additif. Le pouvoir de gonflement est élevé (2 à 7 fois) mais lent, de manière à éviter les collages et pontages en cours de descente. Après mise en place, en présence d’eau, on obtient une masse argileuse plastique, compacte et homogène, ne migrant pas dans le sol et assurant une étanchéité et une conductivité parfaite entre la prise de terre et le sol. 
De par leur réactivité à boucher spontanément tout nouvel interstice ou fissuration, même plusieurs années après sa mise en place, et leur facilité de mise en œuvre, ces argiles s’avèrent être une excellente alternative au rebouchage traditionnel. 
Capacité d’évacuation rapide des courants haute tension 
Amélioration de la résistivité des sols 
Augmentation significative de la valeur de conductivité de la prise de terre 

3 - Second conducteur de descente

Un dispositif de capture PASSIF ou ACTIF doit obligatoirement être relié à deux conducteurs de descente conformément à la CEI62305-3 ou à la NFC17102 tirage de sept 2011, il existe deux cas particuliers, les systèmes isolés, soit un Système de Protection Foudre sur un pylône ou bien un conductuer du'une distance totale inférieure à 15 mètres en conducteur isolé type HVI,

De manière générale les conducteurs de descente sont composés comme suit :

• En ruban aluminium 30x3mm En ruban cuivre étamé 25x2mm En ruban cuivre rond ø8mm
• D’un seul tenant jusqu’à son joint de contrôle en évitant les coudes et les contournements trop brusques.
• Sur les bardages métalliques ou toitures fibro ou thermolaquées, le conducteur sera fixé par des barrettes laiton montées sur joint néoprène ou isolateur bakélite assurant une parfaite étanchéité.

ATTENTION la rétroactivité à la norme n'est applicable que dans le cas d'un Installation Classé Protection pour l'Environnement,

Photos: Griffinstorm - CC BY-SA 4.0 / Arun Kumar, Pexels / DR, Pinterest