PROTECTION FOUDRE : Stratégies de protection 2/3

PROTECTION CONTRE LES CHOCS FOUDRES INDIRECTS

Il est question ici de considérer les surtensions, liés à la foudre, qui atteignent un matériel par l’intermédiaire de conducteurs porteurs de surtension, ou encore par effet d’induction.

L’induction, liés à la foudre, provoque sur les circuits ouverts des surtensions qui entraînent des amorçages, le plus souvent de mode commun (par rapport à la terre) et sur les circuits fermés des circulations de courant qui sont destructrices par effet thermique.

Chocs indirects et isolement

Un cas idéal, de représentation de cette stratégie serait celui d’un matériel alimenté de façon autonome, par batteries ou panneaux solaires, qui ne communiquerait avec l’extérieur, que par radio, G.S.M. ou satellite. Les capteurs ou actionneurs uniquement locaux seraient sans référence, même indirecte, avec la terre. Tous les matériaux renfermant les électroniques, seraient isolants et les conducteurs électriques ne formeraient pas de boucle. Seules les surtensions de mode différentiel pourraient alors perturber ce système. Il n’y aurait alors ni masse, ni terre à raccorder. Mais dans la réalité, de tels cas sont extrêmement rares.

La protection des personnes exige souvent la présence d’une prise de terre, des masses métalliques existent, et donc des différences de potentiels apparaissent sur les installations. Cependant l’existence de prises de terre n’exclue pas la possibilité d’utiliser les avantages qu’offre la stratégie d’isolement.

Isolement sur les alimentations

Alimenter les matériels sensibles de façon autonome, par piles, batteries ou panneaux solaires, évite l’arrivée de chocs foudre importants par le réseau de distribution d’énergie, qui est un des vecteurs privilégiés pour la foudre. Mais si l’on doit utiliser le réseau d’énergie, la stratégie d’isolement peut tout de même être mise en œuvre :

– Isolement momentané,

– Isolement permanent.

Isolement momentané :

Moulin à champ : Nous avons vu précédemment les inconvénients pratiques de ces systèmes (lourdeur, coût…). Un inconvénient majeur l’exclu généralement des solutions retenues :

le réglage des moulins à champ est délicat :

– réglés trop bas, ils déclenchent des alertes intempestives,

– réglés trop haut, ils s’avèrent inefficaces.

Isolement permanent :

le transformateur d’isolement : Pour des raisons de coût les moyens utilisés pour s’isoler, sont habituellement réservés à des installations de faible consommation.

Il s’agit :

-Des transformateurs d’isolement

-Des conditionneurs de réseaux, qui combinent un transformateur d’isolement et un régulateur de tension.

-Des absorbeurs d’onde, qui sont constitués, d’un parafoudre, d’une inductance et d’un transformateur d’isolement.

Utilisé seul ou combiné avec d’autres composants le transformateur d’isolement est la pièce maîtresse des procédés de protection par isolement.

Dès que les fréquences, dont on veut se protéger, sont supérieures à 100 kHz l’isolement galvanique n’est plus suffisant (c’est le cas de la foudre), il est nécessaire d’utiliser un transformateur d’isolement avec écran. Dans ce cas l’écran est raccordé à la terre et à la masse du transformateur par des liaisons aussi courtes que possible.

On obtient de bons résultats sans écran mais il faut pour cela avoir des capacités très faibles entre primaire et secondaire. L’utilisation d’un transformateur d’isolement conduit, pour assurer la protection des personnes, à appliquer les prescriptions de la norme NFC 15-100 sur les circuits séparés.

Isolement sur le réseau téléphonique

Pour les lignes téléphoniques on procède par séparation galvanique en utilisant des produits spécifiques tels que : boîtier Mimosa, Isolitel ou autres translateurs. Ces matériels sont généralement coûteux et les deux premiers ne sont utilisables que sur les lignes analogiques. Les translateurs à large bande sont utilisables aussi sur les lignes numériques.

Isolement et transmission de signaux

La transmission d’informations, sur support filaire, entre appareils, présente un risque important de destruction par la foudre pour ces appareils.

Pour introduire une séparation galvanique on à recours à l’air ou à la lumière comme vecteur de transmission.

 Séparation par l’air : Relais, transformateur et radio

-Relayer les lignes de transmission : l’efficacité dépend de l’isolement des contacts des relais, généralement inférieur à 2000V, et des capacités parasites.

-Pour les signaux analogiques on peut avoir recours au séparateur galvanique à base de transformateur. Le principe consiste à transformer le signal analogique d’entrée en fréquence et de faire l’inverse après avoir franchi le transformateur.

-En cas de transmissions par radio, l’air, support des transmission, isole l’émetteur du récepteur. Il reste cependant nécessaire de protéger localement ces instruments et de veiller à ce que les antennes soient isolées du réseau de terre et des masses. Dans le cas contraire, elles jouent le rôle d’un paratonnerre.

Séparation optique : opto-coupleur et fibre optique

Dans les deux cas le procédé consiste à transformer un signal électrique en un signal optique. On pourra alors communiquer à travers un milieu transparent électriquement isolé.

-L’opto-coupleur est un composant électronique placé à l’entrée et/ou à la sortie des cartes électroniques.

Cette solution présente plusieurs inconvénients, vis à vis de laprotection foudre:  La distance entre l’émetteur et le récepteur de lumière est nécessairement faible puisqu’ils sont incluent dans le même composant.        isolement réduit (2000V),        existence de capacité parasite,  pour préserver la séparation lumineuse, les alimentations des diodes, émettrice et réceptrice d’une même voie, doivent  être différentes.

Lorsqu’il y a plusieurs opto-coupleurs en entrée d’un appareil,  en général l’alimentation des diodes d’émission est commune  à tous les opto-coupleurs. En cas de défaut de mode commun  sur l’une de ces entrées, il y a couplage par l’alimentation  avec les autres entrées. Les informations reçues peuvent  alors être faussées.

-La fibre optique présente un isolement incomparable, dû à la distance qui sépare l’émetteur et le récepteur de lumière.  La fibre, utilisée pour transmettre des informations numériques, s’affranchie des problèmes de point commun d’alimentation, rencontrés avec les opto-coupleurs. Il existe, pour des raisons de protection mécanique, des fibres blindées. Si ce blindage est métallique l’isolement obtenu correspond à la distance la plus grande existant entre l’une de ses extrémités et la masse du site où elle se trouve. L’intérêt de la fibre pourrait de ce fait être remis en cause.     Bien que l’isolement des circuits soit une stratégie séduisante, pour la protection foudre, par son apparente simplicité, les limites rencontrées lors de son application obligent à considérer les possibilités offertes par la stratégie d’écoulement

Chocs foudres indirects et écoulement

Si l’on ne peut pas isoler suffisamment un matériel sensible par rapport à la terre locale pour qu’il soit à l’abri des chocs foudres indirects, il faut le protéger de la foudre en plaçant sur les liaisons filaires des modules parafoudre ou parasurtenseurs.

A l’apparition d’une surtension, ces modules assurent une fonction d’écoulement à la terre du courant de choc.   Pour qu’une protection contre la foudre par écoulement soit efficace il faut apporter une attention particulière aux trois domaines suivants :   -Qualité du câblage de l’installation et spécialement du réseau de terre, -Immunité des matériels électroniques, -Performances des protections parafoudre,     Qualité du câblage, réseau de terre Câblage et réseau de terre doivent être particulièrement soignés si l’on veut obtenir la pleine efficacité des produits utilisés pour protéger de la foudre une installation. En nous aidant de la norme C 15-100, nous définirons tout d’abord les différents termes utilisés lorsque l’on évoque les questions de protection, à savoir :

– réseau de terre,  – réseau des masses,

– éléments étrangers.

Le réseau de terre est constitué d’un ensemble de conducteurs enterrés en contact direct avec le sol et reliés électriquement entre eux. Pour une installation de faible étendue on parle de « prise de terre », le terme « réseau de terre » est plutôt utilisé pour les installations de grande étendue.   Le réseau des masses est constitué par l’ensemble des conducteurs passifs, non enterrés, qui relient les enveloppes métalliques des appareils entre elles. Il n’est pas forcément relié à la terre. Il peut être accidentellement mis en liaison avec les parties actives du circuit à la suite d’une défaillance concernant l’isolation des conducteurs actifs.

Les éléments étrangers sont ceux susceptibles d’introduire un potentiel, généralement celui de la terre, et ne faisant pas partie de l’installation électrique. Ce sont par exemple, les parties conductrices visibles ou non des bâtiments et aussi les canalisations d’eau, de gaz, de chauffage, de même que les appareils non électriques reliés à ces canalisations (radiateurs, éviers métalliques, etc.).

 Qualité du câblage de l’installation et spécialement du réseau de terre

Réseau de terre

Le rôle du réseau de terre est d’assurer la sécurité des personnes et en second lieu la protection des installations vis à vis de la foudre. Il permet l’écoulement à l’intérieur du sol de courants de toutes origines : Courants de défaut à 50 Hz, en régime TT ou TN ou courants de foudre. Il fixe le potentiel de référence de l’installation. En basse fréquence ou pour des courants transitoires à variations lentes, la terre peut être considérée comme résistive, sa valeur sera alors fonction la forme des éléments qui la constituent, des conditions d’installation, de la résistivité du sol. Ceci est vrai jusqu’à quelques dizaines de Hz.

A partir de quelques centaines de Hz l’impédance des conducteurs devient surtout inductive et elle varie de façon proportionnelle à la fréquence. Cette impédance de terre, devant une variation rapide du courant, peut être supérieure à sa résistance en basse fréquence.

Dans le cas de l’écoulement des courants de foudre, les caractéristiques des réseaux de terre doivent être déterminées pour des courants pouvant atteindre la centaine de kilo Ampères et pour des fréquences qui peuvent dépasser le mégahertz.

Prises de terre

Elle est généralement constituée : -d’un câble continu qui entoure le bâtiment où réside l’installation électrique. -d’un conducteur long enfoui en tranchée. En métal nu en contact direct avec la terre. -le conducteur long est parfois remplacé par un piquet enfoncé verticalement dans le sol. Les meilleurs résultats sont obtenus dans la couche superficielle de terre, c’est la raison pour laquelle on préférera un conducteur long plutôt qu’un piquet vertical.   La qualité des connexions et la tenue à la corrosion sont les qualités d’installation à privilégier. Une valeur faible de la résistance de terre est nécessaire pour la protection des personnes mais pour ce protéger des chocs de foudre, cette valeur n’est pas cruciale. Très basse elle facilite la protection, mais il est de loin préférable de déployer des efforts pour obtenir un réseau équipotentiel et se contenter de valeurs de terre inférieure à 50 Ω. Des mesures réalisées sur coups de foudre réels et avec générateur de chocs foudres, ont mis en évidence, qu’une « étoile » à deux branches présente, en haute fréquence, une impédance plus faible qu’un câble rectiligne enterré horizontalement et de même longueur.   Si la longueur de câble utilisé pour réaliser une prise de terre influence très peu son impédance, par contre, la résistivité du sol et la fréquence de l’onde de choc influencent cette impédance de façon proportionnelle à leur racine carrée. Ces caractéristiques conduisent à utiliser la forme dite, « en patte d’oie », pour les écoulements des descentes de paratonnerre.

Equipotentialité des terres et des masses

L’équipotentialité des différentes entrées en terre d’une même installation conditionne l’efficacité des protections foudre. Il faut d’abord définir la notion de « terre de référence » ou « terre lointaine » qui est placée loin du point d’entrée dans le sol du courant de foudre et dont on définit le potentiel comme nul.

L’écoulement du courant qui fait suite à un coup de foudre par le sol va provoquer des montées en potentiel des terres locales, car elles ne sont pas parfaites. Cette montée en potentiel peut être représentée par des impédances placées entre le point de mesure de référence et le point des mises à la terre de l’installation.  

Prenons une installation possédant deux mises à la terre distinctes :

-L’une, appelée A, pour la protection contre la foudre est parcourue par le courant de foudre Ia.

-L’autre, appelée B, concerne le matériel électronique elle est parcourue par un courant résiduel Ib.

Si Za et Zb sont les impédances des mises à la terre par rapport à la terre locale, et si Zc est l’impédance entre la terre locale et la terre lointaine, on peut calculer la montée en potentiel de la terre B par rapport à la terre A pour un coup de foudre d’intensité Ia et courant résiduel Ib.