Les installations de traitement de l'eau sont particulièrement exposées au risque de foudre et de surtensions. D?abord parce qu'elles renferment beaucoup d'eau conductrice et ensuite car elles comptent un important maillage de transfert d'énergie (électrique et de télécommunication). De plus, le développement important de l'automatisation ouvre une large place à la protection surtension dans les domaines de la mesure, de la commande et de la régulation. Il devient donc essentiel que la protection surtension soit présente et coordonnée à tous les niveaux. Paratonnerres et parafoudres sont là pour protéger les équipements.
Les installations de traitement de l’eau sont particulièrement exposées au risque de foudre et de surtensions. De plus, le développement important de l’automatisation ouvre une large place à la protection surtension dans les domaines de la mesure, de la commande et de la régulation. Il devient donc essentiel que la protection surtension soit présente et coordonnée à tous les niveaux.Paratonnerres et parafoudres sont là pour protéger les équipements.
Réalisé par , Technoscope
Les stations de traitement de l’eau sont particulièrement exposées au risque foudre du fait de leur surface étendue et de leur exposition souvent en sites isolés ; le grand nombre d'appareils électroniques présents sur les sites et la multiplication des interconnections (liaisons filaires, canalisations métalliques, etc.) augmentent le risque de perte de service », explique Sébastien Rubio, responsable du marché de l'eau du pôle Foudre chez Soulé & Hélita. « De fait, le risque de destruction d'appareils lié aux surtensions d'origine atmosphérique est particulièrement élevé ».
Dans le domaine du traitement de l'eau, l’ensemble des ouvrages doit être protégé, à savoir les stations de pompage, les stations de traitement, le stockage, le transport et la distribution.
« Chacun de ces ouvrages doit être protégé contre les surtensions dues aux effets directs et aux effets indirects de la foudre », explique Sébastien Rubio.
La foudre est une décharge électrique violente d'origine atmosphérique, qui se développe entre un nuage et la terre.
Elle se présente en un ou plusieurs coups et génère des surtensions (atmosphériques) de très faible durée (de l'ordre de quelques microsecondes) mais de très grande amplitude (du millier à la dizaine de milliers de volts).
Cette surtension se produit directement au point d’impact de la foudre, et indirectement en tous les points qu'elle atteint par induction électromagnétique.
… le long des circuits électriques et des lignes de télécommunication. Un impact de foudre peut avoir des effets indirects dans un rayon de 12 km autour de l'impact. « Le risque foudre réside moins dans l'impact direct de la foudre du fait que la structure d'une STEP est capable de le supporter, mais plutôt dans les conséquences d'écoulements des courants de foudre via les montées en potentiel de terre conjuguées à l'influence du champ électromagnétique de la foudre », souligne Benoit Laugel, responsable de Dehn France. Les surtensions liées aux phénomènes de foudre peuvent potentiellement se répartir dans toutes les lignes d'alimentation électrique ou de transmissions de données (téléphoniques, informatiques etc.).
Protéger l'extérieur de la station
Pour protéger les installations extérieures (le bâtiment, le château d'eau etc.) contre les effets directs de la foudre, il faut équiper la station de paratonnerres. Cet équipement a pour objectif de concentrer et d'éliminer les coups de foudre directs, et ainsi éviter que la foudre ne tombe dans les bassins remplis d'eau ou sur les installations internes à la station. Le paratonnerre a pour rôle de protéger les ouvrages et permet d'écouler les courants de foudre jusqu'à la terre. Il s'agit d'un équipement global comprenant des pointes captatrices (pour capter les éclairs), des rubans de cuivre, des compteurs de coups de foudre, des prises de terre.
En outre, même si, du fait de leur étendue et de leur localisation, les stations d'épuration et les usines de production d'eau potable sont particulièrement exposées aux effets directs de la foudre, la principale source de dégât demeure les surtensions dues à la foudre sur les réseaux électriques ou sur les liaisons de transmission. Les appareils d'instrumentation (mesure de niveau, pH, température…), les analyseurs, les automates programmables, les postes de télégestion sont susceptibles d'être affectés par une surtension. Pour ce faire, le mode de protection contre la foudre reste l'utilisation de parafoudres.
« Si la protection contre les surtensions dans les réseaux d'énergie BT est prise en compte dès la phase d'étude, celle des signaux de mesure, de commande et de régulation reste encore souvent insuffisante et se contente de protéger la ligne RTC de télégestion, souligne Benoit Laugel. L'utilisation massive de systèmes de bus déportés d'acquisition et de commande, la généralisation de réseaux de terrain inter-automates rend l'installation particulièrement sensible aux effets de la foudre. La protection de ces systèmes sensibles par des parafoudres TBT avec des pouvoirs d'écoulement élevés de courants de foudre est également le gage d'une continuité de service optimisée y compris en période d'orage ».
Des réseaux terre bien interconnectés, des infrastructures sans rupture de liaison entre rembarde… facilitent la canalisation et l'écoulement du courant de foudre.
Protéger l'intérieur de la station
Pour protéger de la foudre les équipements intérieurs des stations, il est nécessaire de prendre en compte les effets indirects de la foudre : la remontée du courant de foudre dans les équipements, la perturbation venue du courant faible (dans les lignes téléphoniques par exemple) etc. Les parafoudres servent à limiter les surtensions transitoires (d'origines naturelles ou industrielles), les élévations dangereuses de potentiel électrique dans les conducteurs actifs d'une installation. « Ils ont pour fonction de limiter
L’amplitude d’une surtension temporaire à une valeur non dangereuse pour l’appareillage électrique, en dérivant les ondes de courant », explique José Cisneros, Responsable produit gamme électronique chez Weidmüller.
Les parafoudres se placent toujours après un organe de coupure (fusible, disjoncteur...), à un courant inférieur aux limites données par le fabricant, ce qui nécessite parfois de mettre en série un organe qui limite l'ampérage lorsque celui-ci est trop important. Ils se positionnent aussi entre chaque conducteur actif d'une ligne d’énergie (d’alimentation électrique ou de télécommunication) et la terre, et éventuellement entre conducteurs actifs. Tous normalisés dès la construction (norme européenne EN 61643), les parafoudres fournis par des sociétés telles que Citel, Weidmüller, Dehn, Soulé Hélita, Paratronic, Schneider Electric, Indelec ou encore Phoenix Contact existent selon trois catégories, trois types.
Le parafoudre de type 1 doit être utilisé dans une installation électrique équipée d'un paratonnerre et doit pouvoir absorber un courant impulsionnel minimal de 12 500 A, avec une onde 10 / 350 µs (c’est-à-dire dont le temps de montée à 90 % est de 10 µs et dont le temps de montée et le temps de descente à 50 % est de 350 µs). Le parafoudre de type 2 doit être utilisé dans une installation électrique non équipée d'un paratonnerre (ce qui est le plus souvent le cas) et doit pouvoir absorber un courant impulsionnel minimal de 5 000 A, avec une onde 8 / 20 µs (c’est-à-dire dont le temps de montée à 90 % est de 8 µs et dont le temps de montée ajouté au temps de descente à 50 % est de 20 µs). Le parafoudre de type 3 apporte une protection fine des conducteurs actifs de faible puissance (écrans, TV, HiFi, etc.) et doit pouvoir absorber une puissance minimum de 5 000 A, une onde de 8 / 20 µs, avec un niveau de tension résiduelle (Up) très faible (inférieure à 1 500 V).
Les installations de parafoudres sont régies par la réglementation française (Norme NFC 15-100), qui fait référence au guide d’installation des parafoudres (guide UTE C15-443). Cette réglementation fait état de niveaux d’obligation de pose de parafoudres en tête d’installations électriques basse tension. Ces niveaux d’obligation (obligatoire / utile / peu utile) reposent parfois sur un calcul de risque dont la formule (complexe) est précisée dans ce guide. La mise en application de ce calcul prend en compte diverses caractéristiques, parmi lesquelles le niveau keraunique local (paramètre Nk), c’est-à-dire la sévérité orageuse : le nombre de jours par an où le tonnerre est entendu en un lieu donné. En France, ce niveau varie de 6 (dans le nord-ouest) à 44 (dans le sud-est).
Pour une installation électrique basse tension en zone à risque (niveau keraunique supérieur à 25), un parafoudre primaire (en tête de ligne) est souvent obligatoire ; il sera du type 1 si présence de paratonnerre. En effet, si l'indisponibilité de l'installation concerne la sécurité des personnes (un bâtiment équipé d'une alarme incendie par exemple), un parafoudre primaire est obligatoire. Celui-ci est aussi obligatoire si l'installation se trouve en zone à risque et est alimentée entièrement ou partiellement par une ligne électrique aérienne (directement issue de la sortie d'un transformateur).
Pour une installation électrique basse tension en zone à moindre risque, dont la disponibilité de l'installation concerne la sécurité des personnes, il y a obligation de faire une analyse de risque.
De l’installation des parafoudres primaires dépend l’éventuelle installation des parafoudres secondaires. Si l’installation électrique à protéger se trouve à plus de trente mètres du parafoudre primaire, un parafoudre secondaire de type 2 est fortement recommandé ; il doit être installé au plus près de l'installation. Un parafoudre de type 1 (si paratonnerre), en tête d’installation, sert à protéger cette dernière et absorbera le maximum d’énergie, tandis que des parafoudres de type 2 sont fixés à l'intérieur de l'armoire, sur chaque bande commande et serviront à absorber l’énergie résiduelle.
De même, sans qu'il s’agisse d’obligation en termes de sécurité, toutes les entreprises liées à une continuité de service (téléphonie mobile, fournisseurs d’énergies...) mettent en œuvre des parafoudres de type 2 sur leurs systèmes.
La technologie des parafoudres repose sur une absorption d’énergie soit par éclateur ou par varistance. Un parafoudre à base d’éclateur (à gaz ou à air) comporte deux électrodes distancées, dont l’isolation par l’air (ou gaz) calibre la protection. Un arc énergique évacue l’énergie (jusqu’à 100 000 A) jusqu’à la terre. « Cette technologie surdimensionnée par rapport aux besoins de protection est préférée dans les sites dits sensibles de chimie, pétrochimie et dans les hôpitaux, souligne José Cisneros. Elle offre une grosse puissance de décharge mais présente l’inconvénient d’une part d’avoir un fort courant de suite et d’autre part de coûter cher. » Lorsque la tension à ses bornes atteint un seuil déterminé par le fabricant, la varistance, quant à elle, se met très rapidement en court-circuit et est capable d’absorber un courant de 40 kA (onde 8/20 µs) évacuant ainsi l’énergie vers la terre.
Un parafoudre de type 2 repose sur une technologie à varistance, tandis qu’un parafoudre de type 1 peut utiliser les deux technologies. La varistance qui permet d’évacuer jusqu’à 16 kA (onde 10/350 µs), soit bien plus que ce qu’exige la norme (12,5 kA), est à un coût très intéressant.
L’éclateur permet, lui, d’évacuer de très forts courants, mais son coût et la génération de courant de suite (court-circuit momentané de la ligne BT pouvant engendrer des perturbations telles que micro-coupures ou disjonction) sont souvent des paramètres non négligeables.
La gamme Weidmüller PUI est une gamme complète de modules de protection Type 2, jusqu’à 40 kA, pour tous les types de réseaux TT, TNS, TNC, IT. Des cartouches avec indicateur de faiblesse indiquent que le produit doit être remplacé, bien qu’il soit toujours opérationnel pour une continuité de service.
Prévenir du risque de foudre
Pour les systèmes de transmissions de données (numériques ou téléphoniques), il n’existe pas d’obligation légale de mise en œuvre de systèmes de protection contre la foudre ou les surtensions. Pourtant, dans les stations de traitement d’eau, nombreux sont les signaux de courants faibles ou basses tensions : capteurs de mesure de débits, capteurs de niveaux, câbles coaxiaux, caméras, ordinateurs, télétransmission, réseaux Ethernet, systèmes de contrôle/commande, etc. Tout ceci implique de nombreux câblages sur de longues distances, engendrant un important maillage et favorisant la diffusion des courants de surtension. « En cas de coup de foudre à proximité, par effet de couplage galvanique et inductif, ces réseaux vont être sensibles aux surtensions », souligne Benoit Laugel.
Pour répondre à ces besoins, la société Dehn a développé une large gamme de solutions adaptées aux différents régimes de neutre des réseaux basse tension : régime de neutre TNS (Terre Neutre Séparé), régime TNC (Terre Neutre Commune) ou régime TT (Terre Séparé) où la terre est séparée du réseau. « Pour protéger une station d’épuration des eaux usées, il faut partir d’un concept qui prenne en compte le TGBT (Tableau Général Basse Tension) et le protéger avec un parafoudre de type 1, puis aller vers les tableaux secondaires (souvent dans les locaux techniques) et les protéger avec un parafoudre de type 2, et enfin protéger l’équipement terminal (automate programmable, modem…) d’un parafoudre de type 3 ou “de protection fine”, explique Benoit Laugel. » Pour les protections inter-automates, des parafoudres compatibles avec les bus de terrain des différents constructeurs sont également nécessaires de part et d’autre de la liaison.
Un parafoudre est monobloc ou amovible (équipé d’un module débrochable). « Un parafoudre correctement choisi n’a pas de raison d’être détruit et donc remplacé régulièrement. Ces modèles “débrochables” sont particulièrement adaptés dans les sites très perturbés, où il existe un risque réel de destruction du parafoudre ou bien dans ceux qui sont soumis à une maintenance fréquente. Les parafoudres de type 1 étant naturellement surdimensionnés, ils ne nécessitent pas de fonction débrochable », souligne Christian Macanda, responsable marketing produit de Citel. La norme produit impose une déconnexion interne et externe (fusible ou disjoncteur) en cas de dommage. Lorsque la varistance ou l’éclateur ont été endommagés, cela doit pouvoir se détecter de l’extérieur. Pour ce faire, sur le parafoudre figure un indicateur de fonctionnement. En option, un parafoudre peut être relié à une télésignalisation. L’activation de celle-ci indique que le parafoudre n’est plus opérationnel.
Cette information “tout ou rien” permet d'avoir un voyant visible à l’extérieur de l'armoire électrique, ce qui facilite les opérations de maintenance. La prévention du risque foudre passe également par une sensibilisation des exploitants par rapport à un risque dont il est aisé de se prémunir. Mais il est toujours difficile pour le responsable d’un site industriel d’estimer les risques encourus, surtout si jamais aucun sinistre n'a été vécu. « Pourquoi investir dans de coûteuses protections si aucun problème n'est survenu ? C’est souvent la première question qui est posée », analyse Olivier Pellissier, Responsable Trabtech France chez Phoenix Contact. En effet, comment estimer la probabilité d'un risque naturel, peu connu et difficilement palpable ? Comment calculer le retour sur investissement d'une telle démarche ? Autant de questions qui laissent souvent les exploitants perplexes. « Pour tenter d’y répondre il est nécessaire de s'imprégner des expériences souvent malheureuses de ceux qui ont déjà subi des dommages, estime Olivier Pellissier. Des pannes récurrentes constatées sur un capteur de pression sur une conduite en rase campagne à l'arrêt total d’une unité de production pendant 48 heures, les problèmes constatés sont aussi divers que variés. Et nul ne semble épargné. Du nord au sud, des plaines aux régions montagneuses, en milieu urbain ou en zones isolées, l'expérience montre que lorsqu’un orage éclate dans l'environnement d'une installation industrielle, il est fort probable que des dégâts plus ou moins importants surviennent. »
Pour sensibiliser les exploitants face aux risques inhérents à la foudre afin qu'une approche pragmatique et structurée puisse être définie, Phoenix Contact organise de façon régulière des séminaires techniques sur le thème « la foudre et les surtensions dans l'industrie ». Ils permettent aux exploitants, bureaux d’études, installateurs et bureaux de contrôle, tous concernés, de définir les solutions technico-économiques les plus appropriées et ainsi de minimiser les risques.
Une façon aussi pour Phoenix Contact, fort de plus de 25 années d’expérience dans le domaine, de s'impliquer sur le terrain pour que les produits qui évoluent en permanence soient utilisés dans les meilleures conditions.
