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La protection des installations électriques contre la foudre Après avoir décrit

La protection des installations électriques contre la foudre Après avoir décrit le phénomène de foudroiement et les différents modes d’agression de la foudre, ce guide technique a pour objectif de préciser les règles d’installation des parafoudres basse tension. p.1 Le phénomène de foudroiement p.2 Les différents modes d’agression de la foudre p.4 Les moyens de protections p.5 Les normes p.6 Les règles d’installation des parafoudres basse tension p.9 Exemple d’application Qui fait autant avancer l’électricité ? Le phénomène de foudroiement c Le champ électrique Par beau temps, le champ électrique naturel au sol est de l’ordre de 120 V/m. Avec l’arrivée du nuage chargé électriquement, il peut atteindre et dépasser 15 kV/m (figure 1). - - - - - - - - - - - - - - N P + + + + + + + + + + + + + + P - - - - - - - - - - - - - - N P + + + + + + + + + + + + + + P 14 12 10 8 6 4 2 -64 -55 -45 -33 -18 0 +10 +30 20 16 12 8 6 2 2 6 8 12 16 20 -18 -14 -10 -6 -4 Le champ électrique est accentué par les aspérités du sol (collines, arbres, habitations). Ces dernières créent un effet de pointe, véritable amplificateur de champ électrique, qui peut l’accentuer localement jusqu’à 300 fois (figure 2). Ce phénomène est appelé effet Couronne. Il favorise l’apparition du coup de foudre à cet endroit. Figure 1. Le champ électrique au sol. Novembre 2000 Intersections - Novembre 2000 Guide Technique 2 (dont 40 % en milieu agricole) ce qui représente des centaines de bâtiments détruits ou hors d’usage, - une centaine de clochers touchés, - plus de 100 millions de francs de dégâts uniquement en réparation des lignes téléphoniques gravement endommagées, - 100 transformateurs et 50 000 compteurs électriques mis hors d’usage, - des dizaines de milliers d’appareils électroménagers détériorés. Les dégâts causés sur les installations électriques et électroniques, domestiques ou industrielles se chiffrent en milliards de francs. Il est difficile d’évaluer : - les conséquences des perturbations engendrées sur les réseaux informatiques ou de télécommunications, - les erreurs sur les séquences automates, - les erreurs sur les systèmes de régulation. D’autre part, les pertes d’exploitation peuvent avoir des conséquences financières supérieures au coût du matériel détruit par la foudre. Les différents modes d’agression de la foudre c Classification des effets de la foudre En plus des effets produits par tout courant électrique, la foudre provoque des rayonnements électromagnétiques très importants, qui peuvent induire des surtensions dangereuses dans les réseaux et circuits électriques. Ces deux aspects du courant de foudre conduisent à dire qu’il y a deux grandes catégories d’effets à considérer : les effets directs et les effets indirects. Cette classification est résumée dans le tableau ci-après : Ce phénomène a été observé dès l’Antiquité, sur les extrémités des lances et objets pointus. Les marins le connaissent sous le nom de feux de Saint-Elme ; il se manifeste à l’extrémité des mâts des bateaux. Les alpinistes savent que l’apparition des effluves à la pointe de leur piolet, accompagnée d’un bruit d’essaim d’abeilles, annonce le risque de foudre. c Caractéristiques des coups de foudre en France probabilité de dépassement P (%) 50 10 1 crête de courant I (kA) 38 68 140 pente S (kA/µs) 48 74 97 durée totale T (s) 0,09 0,56 2,7 nombre de décharges n 1,8 5 12 Paratonnerres (installés sur ou autour des structures à protéger). Indirects La foudre frappe directement la structure, causant des incendies, brûlures et destructions, etc. Effets Manifestations T ypes de protection Directs La foudre frappe ailleurs, sans toucher la structure (bâtiment ou installation concernée) : les ondes de choc et surtensions arrivent à l’installation par conduction ou par rayonnement. Parafoudres (installés sur les circuits électriques). Figure 2. Champ électrique amplifié par une aspérité du relief. Ce tableau résume les principales caractéristiques des coups de foudre négatifs. 50 % dépassent 38 kA crête, 1 % sont au-delà de 140 kA. On remarque que les énergies mises en jeu sont importantes. Le courant de foudre est un courant impulsionnel haute fréquence (HF) de l’ordre de mégahertz. c Les dégâts occasionnés par la foudre En permanence 2 000 à 5 000 orages se forment autour du globe. Ces orages s’accompagnent de coups de foudre constituant un risque important pour les personnes et les biens. En France, chaque année : - 1,2 millions d’impacts de foudre au sol, - 20 à 40 personnes foudroyées par an (des centaines d’autres blessées ou handicapées à vie), - 20 000 animaux tués, - la foudre est à l’origine de 10 % des incendies Intersections - Novembre 2000 Guide Technique 3 Examinons plus en détail l’ensemble des effets dus à la foudre : i i t i/2 i/2 v Les effets thermiques Ce sont les effets Joule dus à la circulation du courant de foudre à travers divers corps, objets et supports qu’il utilise le long de son trajet vers la terre. Cela peut provoquer un incendie ou une fusion, en particulier aux points d’impact de la foudre et aux points de jonction et connexions le long du chemin emprunté par le courant de foudre. Malgré sa très forte intensité et une chaleur dépassant les 10 000 °C, l’arc en retour a une durée tellement brève que ses effets thermiques restent généralement limités. Les incendies dus à la foudre sont plus souvent la conséquence de la persistance d’un courant de l’ordre de 100 à 200 A durant toute la durée du coup de foudre, c’est-à-dire quelques centaines de millisecondes. v Les effets électrodynamiques Lorsque le courant de foudre emprunte des conducteurs parallèles, il s’exerce entre ces conducteurs des forces électrodynamiques importantes. Cela peut entraîner des ruptures ou des déformations mécaniques (par exemple, des câbles écrasés ou aplatis). Généralement le courant de foudre circule dans le même sens dans l’ensemble des conducteurs ; il s’agit alors de forces d’attraction. v Les effets de déflagration Le canal de foudre engendre une dilatation de l’air et une surpression importante jusqu’à une dizaine de mètres de distance. L’effet de souffle peut briser les vitres ou cloisons et peut projeter des animaux ou des personnes à plusieurs mètres. La propagation de la surpression dans l’air provoque une onde sonore, le tonnerre. v Les surtensions conduites A la suite d’un impact sur des lignes aériennes d’alimentation électrique ou de télécommunications, une onde de choc (une surtension) est véhiculée le long de ces lignes (figure 3). Celle-ci peut entraîner des destructions dans les appareils raccordés à l’installation électrique. v les surintensités conduites Pour s’écouler à la terre, l’onde de foudre qui emprunte une installation électrique, éventuellement U neutre champ lectromagn tique BT U RT RN BT après claquage de l’isolation, peut provoquer des dysfonctionnements et des destructions dans les circuits et les récepteurs électriques. v Les surtensions induites Le rayonnement électromagnétique dû au courant de foudre impulsionnel très important, à fort di/dt, donne lieu à des tensions induites dans les circuits touchés par le rayonnement électromagnétique et en particulier dans les circuits formant des boucles (figure 4). D’où des destructions ou dysfonctionnements d’appareils reliés à ces circuits. v L’élévation du potentiel de terre Lorsqu’un point de la terre reçoit le courant de foudre, le potentiel de ce point s’élève très fortement par rapport aux autres points du sol. D’où l’apparition d’un gradient de potentiel dans le sol, pouvant créer des situations dangereuses (figure 5). Figure 3. Surtensions conduites. Figure 4. Surtensions induites. Figure 5. Montée en potentiel des terres. Intersections - Novembre 2000 Guide Technique 4 Figure 6. Principe du paratonnerre à tige. i i/2 i/2 Figure 7. Les câbles de garde. Les moyens de protections Deux grands types de protection permettent de supprimer ou limiter les surtensions ; on les appelle IEPF (Installation Extérieure de Protection Foudre) ou protections primaires et IIPF (Installation Intérieure de Protection Foudre) ou protections secondaires. c Les protections primaires Leur but est de protéger les installations contre les coups de foudre directs. Ces protections permettent de capter et d’écouler le courant de foudre vers le sol. Le principe est basé sur une zone de protection déterminée par une structure plus haute que les autres. Il en est de même pour tout effet de pointe provoqué par un poteau, un bâtiment ou une structure métallique très haute. Il existe trois grands types de protection primaire : - le paratonnerre qui est la protection la plus ancienne et la plus connue, - les fils tendus, - la cage maillée ou cage de Faraday. v Le paratonnerre v Les fils tendus Ce sont des câbles tendus au-dessus de l’ouvrage à protéger. Ils sont employés pour des ouvrages spéciaux : pas de tir de fusées, applications militaires et surtout câbles de garde au-dessus des lignes haute tension (figure 7). Figure 8. Principe d’une cage maillée (cage de Faraday). Ce principe est utilisé pour les bâtiments très sensibles abritant du matériel uploads/s3/ protection-des-installations-electrique-contre-la-foudre.pdf