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vendredi 20 octobre 2017 | 23:39
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L'ABC du parafoudre

Fonctionnement du parafoudre

 

Définition : on appelle parafoudre tout dispositif destiné à limiter les surtensions transitoires et à écouler les courants de foudre. Il contient au moins un composant non linéaire.

Le vocable "Parafoudre" définit l'ensemble des dispositifs de protections des équipements contre les surtensions transitoires, qu'elles soient d'origine atmosphérique ou provenant des réseaux (surtensions de manoeuvre).

Afin de répondre efficacement aux contraintes imposées par ces différents réseaux, plusieurs technologies de parafoudres sont disponibles.

 

 

Paramètres :

Les principaux paramètres à prendre en compte pour la classification des parafoudres sont :

  • Courant nominal de décharge :
    Valeur crête d'un courant de forme d'onde 8/20 s'écoulant dans le parafoudre. Elle est utilisée pour la classification des parafoudres Type 1 et aussi pour les essais de pré-conditionnement des parafoudres Type 1 et 2 (voir fiche technique N°1)
     
  • Niveau de Protection :
    Paramètre qui caractérise le fonctionnement du parafoudre par limitation de la tension entre ses bornes et qui est choisi dans la liste des valeurs préférentielles. Cette valeur est supérieure à la valeur la plus élevée obtenue lors de la mesure de la tension de limitation.
     
  • Courant de suite :
    Courant débité par le réseau et écoulé par le parafoudre après le passage du courant de décharge : ce comportement est caractéristique des parafoudres à technologie "Eclateur". La valeur de courant de suite correspond approximativement au courant de court-circuit de l'installation au point considéré. Pour éviter des problèmes évidents de sécurité et de continuité de service, les parafoudres à base d'éclateur devront interrompre spontanément ce courant, du moins jusqu'à une certaine valeur, déclarée par le constructeur. Ils peuvent être associés à un dispositif complèmentaire (disjoncteur, fusible ...) assurant l'interruption du courant de suite dans de bonnes conditions.
     
  • Fin de vie :
    Définition de l'état du parafoudre en cas de dépassement des contraintes maximales acceptables.

Composants « parafoudre »

Plusieurs familles de composants existent :

  • Les éclateurs
  • Les varistances
  • Les diodes d'écrêtage

Ces composants ont pour but de limiter rapidement les tensions apparaissant à leurs bornes : cette fonction est obtenue par la modification brutale de leur impédance à un seuil de tension déterminée.

2 comportements sont possibles :

  • Amorçage: le composant passe de l'état de très haute impédance au quasi-court-circuit : c'est le cas des éclateurs.
  • Ecrêtage : après un seuil de tension déterminé, le composant, passant en faible impédance, limite la tension à ses bornes : varistances et diodes d'écrêtage.

 

Principaux composants Parafoudres

Ces familles comportent plusieurs variantes et sont susceptibles d'être associés entre elles afin d'obtenir des performances optimisées.

Ci-dessous, la description des principales technologies (ou des associations de technologies) utilisées.

Eclateur à air : dispositif constitué généralement de 2 électrodes placées face à face et entre lesquelles se produit un amorçage (suivi d'un courant de suite) dès qu'une surtension atteint une certaine valeur. Le principe du soufflage d'arc est utilisé sur des réseaux d'énergie afin d'interrompre rapidement le courant de suite, ceci peut avoir pour conséquence finale, une expulsion, vers l'extérieur, de gaz chauds : ce comportement nécessite une mise en oeuvre particulière. Son comportement dépend des conditions d'environnement climatique.

Eclateur encapsulé : éclateur à air où l'extinction du courant de suite s'effectue sans expulsion de gaz : ceci se fait, généralement, au détriment de la capacité de coupure du courant de suite.

Eclateur à gaz : éclateur dans une enveloppe hermétique, remplie d'un mélange de gaz rare sour une pression contrôlée.

Ces composants sont notamment caractérisés par leur très faible courant de fuite.

Varistance : composant non-linéaire (résistance variable en fonction de la tension) généralement à base d'Oxyde de Zinc (ZnO) permettant de limiter la tension à ses bornes : ce fonctionnement en écrêtage permet d'éviter le courant de suite.

Diode d'écrêtage : diode de type Zener (limitation de tension) dotée d'une structure particulière pour optimiser son comportement en écrêtage sur des surtensions transitoires. Ce composant est caractérisé par un temps de réponse particulièrement rapide. Son emploi permet également de limiter le courant de suite.

 

Association de composants :

Eclateur/Varistance : association en série de composants conçue pour bénéficier des avantages des 2 technologies : pas de courant de fuite et faible Up (éclateur) et pas de courant de suite (varistance).

Comparatif des technologies parafoudres

Technologie Eclateur à air Eclateur encapsulé Eclateur à gaz Varistance Ecl./varistance Diode d'écrêtage
Fonctionnement Amorçage Amorçage Amorçage Ecrêtage Ecrêtage/amorçage Ecrêtage
Courant nominal de décharge 8/20 > 20 kA > 20 kA > 20-5kA > 20-5kA  > 20-5kA  100-300 A
Up/Uc 1 4 4 2 4 4 2
Courant de suite oui oui oui non non non
Fin de vie

Non amorçage

circuit ouvert

Non amorçage

circuit ouvert

Court-circuit

(en absence de déconnecteur)

Court-circuit

(en absence de déconnecteur)

Court-circuit

(en absence de déconnecteur)

Court-circuit

(en absence de déconnecteur)

 

Remarque : les valeurs indiquées sont informatives et peuvent différer suivant les gammes de produits et les constructeurs.

Nota: Up/Uc = rapport du niveau de protection (valeur crête) par rapport à la tension max. de fonctionnement (valeur efficace) : plus sa valeur est faible, meilleur est l'efficacité de protection.

Mise en oeuvre des parafoudres

Les surtensions transitoires, une des sources majeures d'incidents liés à la foudre, sont introduites dans l'installation par les lignes filaires extérieures telles que les réseaux Basse Tension, de Télécommunications, Informatiques ou de Radiocommunications.

Dans le cas de l'interposition sur les accès des réseaux extérieurs de parafoudres, l'efficacité de cette protection dépend de plusieurs facteurs tels que  :

- choix des parafoudres adaptés aux réseaux à protéger et à l'amplitude estimée de l'agression.

- choix de l'emplacement des parafoudres.

- qualité de la connexion des parafoudres.

Localisation des Parafoudres

Les Parafoudres doivent être, si possible, installés à un emplacement dédié qui réunit les avantages suivants :

- localisé en amont de l'installation interne afin d'éviter que les courants « foudre » (d'amplitude élevée et impulsionnels donc fortement perturbateurs), écoulés lors du fonctionnement des parafoudres, ne pénètrent dans l'installation.

- possédant un accès direct au réseau de masse et au réseau de terre de l'installation.

- regroupant l'accès BT et l'accès Télécommunication afin de réduire le niveau de perturbation par couplage inductif (niveau en relation avec à la surface de boucle créée par le réseau BT et Télécom ).

 

Cas général

L'emplacement des parafoudres est conditionné par la structure de l'installation et il est nécessaire d'adapter les règles énoncées précédemment en choisissant des localisations telles que :

- Tableau Général Basse Tension (TGBT) pour les parafoudres BT.

- Répartiteur principal pour les parafoudres pour réseau de télécommunication.

- Gaine Technique Logement (GTL) pour les installations domestiques.

Dans les installations étendues, l'identification des emplacements des parafoudres peut s'avérer plus complexe: on pourra alors utiliser la méthode des « Zones de Protection contre la Foudre » (ZPF) introduite par la norme internationale CEI 61312-1, dont le concept est le suivant :

L'installation à protéger est divisée en « zones de protection contre la foudre » (ZPF) qui sont caractérisées par des niveaux de sévérité de l'IEMF (Impulsion ElectroMagnétique causée par la Foudre) différents et leurs limites sont définies par des changements importants des conditions électromagnétiques (zone de protection du paratonnerre, transition aéro/souterraines, interface intérieure/extérieure).

Exemples :

ZPF0A : Zone où les éléments peuvent être soumis à des coups de foudre directs (exemple : lignes de distribution aériennes exposées).

ZPF0B : Zone où les éléments peuvent être soumis à l'IEMF non affaiblie (exemple : équipements et réseaux extérieurs).

ZPF1 : Zone où les éléments peuvent être soumis à l'IEMF affaiblie (exemple : installation intérieure).

ZPF2 : Zone où les éléments peuvent être soumis à l'IEMF très affaiblie (exemple: salle faradisée).


1 Explication interne : la varistance avec déconnecteur n'est pas un composant en tant que tel, de plus le déconnecteur emballement thermique est obligatoire pour des varistances utilisés dans le cadre de la norme

2  Explication interne : les zones de protection n'ont pas été prise en compte jusqu'à présent et font l'objet de critiques notamment quand la source de « pollution » se trouve dans la zone de protection, exemple four à arc dans un atelier équipé d'automate.   

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