Les installations des processus industriels traitent souvent des substances et des matériaux dangereux pour l'environnement. De nombreuses mesures de sécurité adaptées doivent être prises pour réduire le risque encouru par les personnes et l'environnement. Cet article décrit les moyens disponibles permettant de diminuer ces risques. Ceux-ci comprennent entre autre une procédure appliquant le concept des zones de protection contre la foudre, la prise en compte des particularités des zones présentant des risques d'explosions et l'adaptation des parafoudres à la protection CEM intégrée dans les appareils terminaux.
Dans des installations de processus industriels travaillant avec des matières combustibles apparaissent souvent des atmosphères présentant des risques d’explosion. Pour éviter les explosions de quelque nature que ce soit, il faut éviter que des sources d’explosion ne se forment dans ces zones. La norme EN 1127-1 « Prévention de l'explosion et protection contre l’explosion, notions fondamentales et
méthodologie informe sur le danger que représentent les décharges atmosphériques, c'est-à-dire la foudre. Mais il faut prendre en considération le fait qu'un incendie ou une explosion peuvent être causés par un coup de foudre direct ou indirect. Pour sécuriser au maximum les systèmes et pour assurer la continuité de service, une procédure de concept est nécessaire pour protéger les installations de processus industriels contre les courants de foudre et les surtensions.
Le concept des zones de protection contre la foudre (ZPF)
La norme internationale CEI 61312-1 recommande l'utilisation du concept des zones de protection contre la foudre. Tout comme pour la protection contre les explosions, un bâtiment ou une installation est subdivisé en différentes zones à risque. Il est ainsi possible de concevoir une protection CEM techniquement et économiquement adaptée. La figure 1 présente la manière dont les différentes zones de protection foudre (ZPF) sont définies. Une distinction est faite entre la zone ZPF 0ₐ (zone extérieure non protégée), la zone ZPF 0ᵦ (zone extérieure protégée contre les coups de foudre directs), la zone ZPF 1 (zone intérieure) et la zone ZPF 2 (zone intérieure relative à la sécurité). Au niveau des interfaces entre les zones, les conduits et canaux en métal ainsi que les blindages de lignes doivent être reliés directement à l’équilibrage de potentiel et les conducteurs de courant et de signaux doivent être protégés par des parasurtenseurs. Un équilibrage de potentiel conséquent doit être effectué dans toutes les zones présentant des risques d’explosion. Même les éléments de construction métalliques, les conduites et les réservoirs doivent être intégrés dans l’équilibrage de potentiel pour éviter les différences de tension. De plus, les raccordements des conducteurs d'équipotentialité doivent être protégés contre l'autodesserrage.
Système de protection contre la foudre
Un système de protection contre la foudre est l'ensemble de tous les dispositifs posés à l'extérieur ou à l'intérieur d'une installation à protéger destinés à intercepter et à évacuer les courants de foudre vers les installations de mise à la terre. Les systèmes de protection contre la foudre des zones présentant des risques d’explosion correspondent à la classe de protection II pour des exigences normales. Cela signifie que les mesures de protection contre la foudre doivent être prévues pour des amplitudes de courants de foudre allant jusqu’à 150 000 A. Il faut éviter les coups de foudre directs dans des atmosphères explosives, c’est pourquoi les zones à risque d'explosion ne doivent jamais être assignées à la classe ZPF 0ₐ. Les réservoirs et systèmes connectés situés dans un lieu exposé, tels que les réservoirs de stockage pour liquides inflammables, sont particulièrement menacés. Les mesures de protection décrites ci-dessous permettent d’éviter les explosions en cas de coup de foudre.
Utilisation du réservoir métallique comme dispositif de capture naturel
Cela est possible lorsque le matériau du réservoir présente une épaisseur minimum de 5 mm (telle qu’exigée par la norme ENV 61024-1/NFC 17-100).
| Matériau | Épaisseur en mm |
|---|---|
| Fe | 4 mm |
| Al | 5 mm |
| Cu | 5 mm |
Un échauffement dangereux du réservoir suite à un impact de foudre n’est pas à prévoir du fait de l’épaisseur du matériau et ne permet donc pas d’étincelage conduisant à une perforation qui serait nécessaire pour créer une atmosphère avec un risque d’explosion.
Utilisation d'un dispositif de capture au-dessus du réservoir
Les dispositifs de capture sont ici composés d'éléments tels que des fils, des perches et des câbles de capture montés au-dessus du réservoir pour que celui-ci se trouve dans la zone de protection et ne puisse pas être directement touché par la foudre.
Câblage dans la zone ZPF 0ₐ
Les câbles doivent généralement être posés de manière à ce que la foudre ne puisse pas les toucher directement. Un câblage est approprié lorsque les câbles se trouvent par exemple dans des canaux en béton armé fermés de tous côtés ou dans un acheminement fermé en métal.
Installations de mise à la terre maillées entre le réservoir et le poste de contrôle
Le maillage des installations de mise à la terre de différentes parties de l'installation diminue les différences de potentiel et par conséquent les courants résiduels de foudre liés au réseau.
Utilisation de dispositifs de protection pour tous les câbles entrant dans les zones à risque d’explosion 0 ou 20
Des parafoudres peuvent empêcher l'intrusion de tensions dangereuses dans les zones à risque d’explosion 0 ou 20. La norme EN 60079-14 (DIN VDE 0165-1) exige l’évacuation sans dommage d’au moins 10 impulsions de 10 kA chacune et de forme d’onde (8/20 µs) sans destruction du parafoudre.
Le dispositif de protection doit être monté dans un boîtier blindé en métal et doit être relié à la terre par une connexion équivalant à au moins 4 mm² de cuivre (figure 3). Le câblage entre le parafoudre et les appareils doit être effectué de manière à exclure toute interférence due à la foudre. Des câbles blindés ou la pose des câbles dans un tuyau métallique avec mise à la terre bilatérale sont appropriés.
Pour faciliter l'installation, Dehn a conçu le parafoudre DEHNpipe spécialement adapté aux appareils de terrain (figure 4). DEHNpipe est directement vissé à l'appareil de terrain à la place du passe-câble à vis classique et connecté entre l'appareil de terrain et les bornes de l'appareil de terrain. Les éléments de protection se trouvent ainsi directement dans la continuité du câblage des conducteurs, ce qui permet une protection antisurtension énergétiquement coordonnée. Le parafoudre écoule les impulsions électromagnétiques perturbatrices uniquement par le biais du boîtier métallique et protège ainsi l'intérieur de l'appareil de terrain contre les surtensions dangereuses. La solution peut être utilisée de façon variable puisqu’elle soutient les concepts de mise à la terre traditionnels pour les blindages de câbles : les mises à la terre directes, indirectes ou l’absence de mise à la terre du blindage sont possibles. La mise à la terre indirecte du blindage est utilisée pour éviter les boucles d'interférence. Le parafoudre avec certification ATEX II 2 (1) G EEx ia II C T4/T5/T6, FISCO est adapté pour les interfaces 4-20 mA, Profibus-PA et Foundation Fieldbus Ex(i).
Exigences CEM suivant NAMUR
La recommandation NAMUR NE21 traite, entre autres, des exigences minimales d’immunité aux interférences CEM pour les câbles de mesure, de commande et de régulation. Pour les appareils connectés, une immunité aux tensions de chocs de 0,5 kV entre deux conducteurs et 1,0 kV entre conducteur et terre est exigée. La mise en place de mesures ainsi que la forme d’onde sont décrites dans la norme fondamentale de mesure EN 61000-4-5. L’apparition d’interférences supérieures est plus probable à l’extérieur et en cas de câbles longs. Il faut dans ce cas protéger les entrées des appareils avec des parafoudres supplémentaires. Pour assurer une protection optimale de l'appareil, il est important que l’impulsion résiduelle de transfert du parafoudre ne dépasse pas la résistance de l'appareil terminal lors de la conduction d'une impulsion perturbatrice. Si cela était le cas, on parlerait de coordination énergétique.
Grâce à l’indice de coordination, il est aisé d’affecter un parafoudre à un appareil à protéger. Les paramètres renseignent aussi bien sur la capacité d’évacuation du module de protection (caractéristique d’entrée) que sur le degré de résistance au court-circuit (caractéristique de sortie).
Si la charge d'entrée autorisée des interfaces des appareils est déterminée en fonction de leur immunité de base aux interférences conformément à la norme DIN EN 61000-4-5, il est possible de déterminer l'indice de coordination (caractéristique d’entrée) de chaque interface d’appareil et de le comparer avec la caractéristique de sortie de l’indice de coordination du module de protection. Cette procédure peut également être utilisée en cas de mise en cascade de plusieurs modules de protection.
La figure 5 montre l’application d’une telle coordination avec la gamme de produits Blitzductor (pour le réseau de données). L’utilisation de parafoudres correctement dimensionnés protège l'appareil terminal contre les pics de tension et d’énergie et augmente ainsi la disponibilité de l'ensemble de l'installation. Les parafoudres peuvent également être utilisés pour éviter des situations critiques dans les systèmes. Ceci peut être expliqué à l'aide des états d’erreur enregistrés au niveau des diodes de protection contre les surtensions (diodes TVS : diodes d’écrêtage de tensions transitoires).
Diodes TVS limitant la tension
Les diodes TVS sont souvent utilisées dans les appareils terminaux pour limiter les perturbations transitoires conformément à la norme DIN EN 61000-4-5. Si des charges supérieures à leurs données nominales apparaissent, par exemple à la suite d'un impact de foudre, les diodes TVS sont surchargées. Il faut particulièrement surveiller les états d’erreur « court-circuit » et « interruption ». En cas de court-circuit (fail safe), la diode présente constamment une résistance inférieure à 1 Ohm avec une tension de 0,1 V.
DC (suivant IEEE/ANSI C62.35). Le court-circuit génère une interruption de signal qui signale l'état d'erreur. Un court-circuit ne présente généralement aucun danger pour l'installation puisque les perturbations qui en résultent sont évacuées en amont de l'appareil terminal. En cas d'interruption (fail open), la diode présente une tension d'amorçage au moins 150 % supérieure à sa valeur de référence (suivant IEEE/ANSI C62.35). Cette erreur est irréversible et n'est pas détectable au cours d'un fonctionnement normal puisque la diode se comporte comme une diode à haute impédance. Si la diode est détruite de cette manière, elle ne peut plus remplir sa fonction de protection d'appareil. Des erreurs imprévues peuvent en être la conséquence et peuvent conduire à des états critiques dans le système à protéger.
Pour protéger les diodes TVS contre l'état d'erreur critique « fail open », des éléments de protection supplémentaires doivent être installés en amont. Le but est le déclenchement sélectif des éléments de protection en fonction de leur pouvoir d'écoulement. Cela signifie que chaque niveau de protection n'écoule que l'énergie perturbatrice pour lequel il est prévu.
De plus, le circuit de protection peut être dimensionné à l'aide de parafoudres de manière à ce que même en cas de surcharge de la diode, l'énergie qui s'ensuit ne déclenche pas l'état de « fail open ». L'utilisation de parafoudres énergétiquement coordonnés en cascade en amont des appareils terminaux permet d'éviter des états d'erreur imprévus.
Références bibliographiques
- NEC 17-100; 1997 : Protection des structures contre la foudre.
- CEI 61312-1 : Protection contre l'impulsion électromagnétique de la foudre – Partie 4 : Principes généraux.
- DIN EN 1127-1 : Prévention de l'explosion et protection contre l'explosion, Partie 4 : notions fondamentales et méthodologie.
- DIN V VDE 0185-4/2002-11 : Protection contre la foudre, Partie 1 : Systèmes électriques et électroniques dans les structures.
- DIN V VDE 0185-3/2002-11 : Protection contre la foudre, Partie 3 : Protection des structures et des personnes.
- VDE-Bezirksverein Frankfurt am Main, K. Fleck : Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) in der Praxis, VDE-Verlag, Berlin, 1982.
- DIN EN 60079-14 (VDE 0165 Partie 1) : Matériel électrique pour atmosphères explosives gazeuses – Partie 14 : Installations électriques dans les emplacements dangereux (autres que les mines).
- NAMUR : Recommandation Namur, NE 21. EMV, 18.1998.
- DIN EN 61000-4-5 (VDE 0847 Partie 4-5) : 1995 ; Compatibilité électromagnétique (CEM), Partie 4 : Techniques d'essai et de mesure, Section 5 : Essai d'immunité aux ondes de choc.
- IEEE C 62.35 : 1987 ; Test Specifications for Avalanche Junction Semiconductor Surge Protective Devices.
