Se protéger contre les surtensions

1 milliard d’euros. C’est le coût estimé des dommages causés par la foudre chaque année en France.

Un chiffre probablement sous-estimé qui ne prend en compte que les dommages directs sans tenir compte des coûts liés aux pertes d’exploitation entraînées par les dommages ou plus grave encore, des interruptions de service lorsque la foudre frappe des ouvrages sensibles.

Chaque année 20.000 sinistres dont 15.000 incendies sont directement dus au million de coups de foudre qui frappe le territoire national.

Un danger réel dont le niveau d’intensité peut être facilement évalué par deux paramètres : le niveau kéraunique (Nk) qui représente la valeur moyenne annuelle du nombre de jours où le tonnerre se fait entendre à un endroit donné et la densité de foudroiement (Ng) qui représente la valeur moyenne annuelle du nombre d’impacts de foudre par km².

En France, le sud-est – et dans une moindre mesure le sud-ouest – sont les deux régions les plus fréquemment menacées par ce phénomène aux effets dévastateurs (Nk > 25).

Contrairement aux idées reçues, on estime que plus de 90 % des dégâts causés par la foudre sont dus

Ses effets indirects, c’est-à-dire les surtensions qu’elle crée soit par conduction (en se propageant dans les réseaux), soit par induction (tensions induites par rayonnement électromagnétique), soit encore par potentiel de terre. Mais si la foudre est la cause la plus fréquente des surtensions (elle peut, en 0,025 seconde, générer jusqu’à 100 000 millions de volts et 200 000 ampères), elle n’est pas le seul phénomène à les produire. Les surtensions électrostatiques, causées par exemple par un être humain susceptible de se charger jusqu’à 15 kV, ou industrielles (démarrage de moteurs, commutation de réseaux d’alimentations, starters d’éclairage) sont autant de causes potentielles de surtensions et donc de dommages, voire de destruction des circuits intégrés.

Protéger les installations, l’instrumentation et les systèmes est donc un impératif d’autant plus impérieux que cela peut se faire à des coûts largement inférieurs aux dégâts potentiellement subis. Dans de nombreux cas, l’investissement est plusieurs fois remboursé dès le premier incident évité.

La réglementation et plus encore la multiplication des normes incitent à se prémunir contre ce type de risques.

Une réglementation et un contexte normatif qui se durcit

Longtemps considéré comme un risque naturel et d’une certaine façon inévitable, la France a tardé, contrairement à ses voisins, à se doter d’un corpus réglementaire protégeant les installations sensibles contre les surtensions. L’arrêté du 28 janvier 1993 (prochainement abrogé et remplacé par l’arrêté du 15 janvier 2008) relatif à la protection de certaines installations classées contre les effets de la foudre et les deux circulaires explicatives du 28 janvier 1993 et du 28 octobre 1996 ont d’ailleurs longtemps constitué l’essentiel d’un dispositif qui ne concernait qu’un certain type d’installations classées.

Sans contrainte réglementaire réelle sur les autres types d’installations, les démarches de protection se sont donc peu à peu construites à partir des années 1980 sur la base de la publication de normes et du besoin croissant d’équipements électriques et électroniques fiables et toujours disponibles.

La protection des bâtiments contre les coups de foudre directs a ainsi fait l’objet de normes européennes dont les plus récentes, les normes NF EN 62305, parties 1 à 3, traitent des principes généraux, de l’évaluation du risque et des dommages physiques sur les structures et risques humains. En France, il est encore possible jusqu’en 2009 de se référer aux normes NF C 17-100 et 17-102 mais, passé cette date, ce sont les normes européennes qui constitueront la référence.

La protection des systèmes et des matériels contre les effets indirects de la foudre est quant à elle traitée par la norme NF C 15-100 ainsi que par le guide pratique UTE C 15-443 intitulé « Choix et installation de parafoudres ». Les parafoudres sont eux-mêmes classifiés par la norme NF EN 61643-11 en trois types de produits correspondant chacun à des classes d’essais :

• - les parafoudres de type 1 sont conçus pour être utilisés sur des sites où le risque foudre est important ou en présence de paratonnerre ;
• - les parafoudres de type 2 sont utilisés sur des sites où le risque est réduit et sans paratonnerre ;
• - les parafoudres de type 3, derniers maillons d’une protection en chaîne, sont quant à eux employés à proximité immédiate des équipements sensibles.

Ces parafoudres ont pour fonction d’éviter la propagation de la surtension qui pourrait être véhiculée par les réseaux intérieurs d’un ouvrage. Placés en tête de chaque réseau (énergie, télécoms…), ils doivent écouler à la terre la part la plus importante de la surtension. Placés au plus près des équipements, ils ont pour vocation d’écouler à la terre la surtension résiduelle qui n’a pu être écoulée par le parafoudre de tête. La norme NF C 15-100 (édition 2002) les rend obligatoires dans deux cas : lorsque le bâtiment concerné est équipé d’un paratonnerre (quel que soit le niveau kéraunique) et lorsque l’alimentation BT est assurée par une ligne aérienne (même partiellement) et que Nk est supérieur à 25. Dans les autres cas, et même s’il n’y est pas contraint, l’exploitant sera toujours bien inspiré de mener une étude de risque pour évaluer le niveau de sensibilité de ses installations. « L’omniprésence de l’électronique et des automatismes dans les installations actuelles les rend de plus en plus sensibles aux phénomènes de surtensions qui peuvent endommager gravement les procédés de conduite ou de contrôle des installations, voire même la continuité de service des systèmes », souligne José Cisneros, chef de produits de protection contre la foudre et les surtensions chez Weidmüller. Problème : cette analyse du risque foudre est complexe, car de nombreux paramètres doivent être pris en compte. Une solution consiste à suivre les préconisations de la norme NF EN 62305-2 ou encore d’utiliser le logiciel proposé par l’UTE basé sur cette norme. Bien menée, elle permettra de mettre en place un dispositif de protection.

adapté.

Mettre en place un dispositif de protection adapté

Les parafoudres ont pour fonction de limiter le niveau des surtensions à un niveau admissible par le matériel qu’ils ont pour fonction de protéger. En temps normal, ils se comportent comme un circuit ouvert. Mais lors du passage du courant de foudre, ils se transforment en un court-circuit, permettant ainsi de limiter la différence de potentiel dommageable entre les différents circuits de l’installation. Dès lors, le parafoudre se caractérise par sa tension admissible Uc (tension maximale qu'il peut supporter), son pouvoir de décharge Imax et In (courant de décharge maximal qu’il peut écouler une seule fois puis vingt fois sans dommage), ainsi que son niveau de protection Up (tension résiduelle transmise aux récepteurs au moment de la surtension).

Côté fonctionnement, le parafoudre peut être constitué d’éclateurs, de varistances ou, plus rarement, de diodes Zéner bidirectionnelles. Les éclateurs sont composés de deux électrodes dans un milieu qui peut être de l’air (éclateur à air) ou du gaz (éclateur à gaz). Au-delà d'une certaine tension entre les bornes, un amorçage se produit et le courant passe en formant un arc électrique. « Robustes, les éclateurs permettent de dévier des courants de foudre importants, explique José Cisneros. Par contre, leur lenteur à l’amorçage (environ 1 µs) est rédhibitoire dans certains cas. »

Les varistances sont, quant à elles, des composants électriques ou électroniques mille fois plus rapides que les éclateurs, mais elles absorbent nettement moins d'énergie. Au-delà d’un certain seuil de tension, l'impédance de la varistance chute et permet l’évacuation du courant. Quand la tension revient à son niveau normal, l’impédance de la varistance reprend sa valeur à l’état de veille. « Inconvénient, lorsqu’elle est amenée à fonctionner, elle reçoit de l’énergie qui va la faire vieillir : les varistances ont une durée de vie limitée », précise José Cisneros.

Les diodes basées sur l’effet Zéner se caractérisent par un fonctionnement similaire à celui des varistances avec un temps de réponse faible mais une durée de vie bien plus longue. Elles sont surtout utilisées pour la protection des équipements de télécommunication et également sur le réseau basse tension.

Sur le marché, constitué pour l’essentiel par les parafoudres de type 2, l’offre est abondante.

Une offre abondante

Soulé, Dehn, Weidmüller, Citel, Paratronic, Indelec, Schneider Electric ou Phoenix Contact proposent chacun une large gamme de parafoudres dédiés à la protection des réseaux secteur, BT, TBT, signaux ou télécommunications. Avec ou sans filtrage CEM, débrochables ou non, avec ou sans signalisation ou report d’état, ils couvrent tous les cas d’application.

Soulé Hélita, marque du pôle foudre d’ABB France, vient par exemple de commercialiser une nouvelle gamme de parafoudres téléphonie courant faible destinée à la protection des équipements raccordés à une ligne téléphonique (numérique ou analogique), à des liaisons informatiques ou une boucle de courant. Principales innovations de la gamme : la cartouche débrochable qui permet une maintenance sans interruption de service, les embases en version à vis ou avec connectique RJ11/RJ45 qui permettent une gamme d’applications étendue et un encombrement réduit.

Débrochable également, le parafoudre combiné Dehnventil de Dehn est équipé d'un bouton permettant un déverrouillage sans outil du module de protection et donc un retrait facilité. La fonction d’affichage sans alimentation de chaque circuit de protection est présente en standard. Des versions avec contact sec pour la télésignalisation complètent la gamme d’appareils pour les différents réseaux.

Weidmüller propose de son côté un nouveau parafoudre de type 1, la série PU I, basée sur la technologie varistance. Sa capacité de courant de décharge est de 12,5 kA. Ces parafoudres à cartouches débrochables existent en version 1, 3 ou 4 pôles, avec ou sans contact de signalisation à distance. Particularité : ces parafoudres PU I peuvent être tournés de 180°, facilitant dans certains cas le respect de la règle qui préconise une longueur totale maximale de 50 cm pour le câblage.

Valvetrab compact de Phoenix Contact propose également des embases et des connecteurs rotatifs permettant de s’affranchir des lignes d’alimentation amenées depuis le haut comme c’est souvent le cas dans les installations industrielles, ou depuis le bas comme dans le bâtiment. Ce parafoudre de type 2 peut être contrôlé avec le Checkmaster, un appareil de contrôle du fonctionnement des modules de protection. Chez le même fabricant, le Flashtrab Compact, doté d’un éclateur encapsulé, est un parafoudre combiné de Type 1 et 2 qui concilie un fort pouvoir de décharge selon l’onde 10/350 avec un haut niveau de protection adapté aux équipements sensibles.

Chez CITEL, les nouveaux parafoudres Type 2, référence DS215 et DS240 (15 et 40 kA en Imax) offrent une efficacité accrue dans un minimum d’espace. « Cette caractéristique les rend particulièrement utiles dans les tableaux où la place disponible est limitée... » précise Christian Macanda, responsable produit de la société CITEL. Ces parafoudres BT sont basés sur l'utilisation de varistance et d’éclateur à gaz spécifique. Le module parafoudre est débrochable et équipé de signalisation de déconnexion et de télésignalisation.

Proposée par Schneider Electric, la nouvelle gamme Quick PRD, sortie en janvier 2008, bénéficie des avantages procurés par l’intégration au sein d’un seul et même boîtier du parafoudre et du disjoncteur de déconnexion. Ces parafoudres disponibles en types 2 (20 et 40 kA) et 3 (8 kA) permettent de réaliser des protections de tête et des protections fines pour préserver les équipements les plus sensibles ou situés loin du tableau général. Pour Guillaume Vaccaro, gérant d’offres parafoudres chez Schneider Electric, cette solution “deux en un” facilite le choix et l'installation des produits tout en garantissant l'efficacité de la protection grâce à une coordination totale entre les fonctions parafoudre et disjoncteur. « Imaginez deux produits associés de marques différentes, explique Guillaume Vaccaro, aucun des deux n’est en mesure de garantir le fonctionnement coordonné des deux fonctionnalités associées à ces produits. Les fabricants de parafoudre sont capables de garantir le fonctionnement de leur parafoudre et les fabricants de disjoncteurs de leur disjoncteur. Mais aucun des deux ne pourra garantir à l’installateur qui posera les deux produits qu’au moment du coup de foudre, le disjoncteur ne va pas s’ouvrir avant le passage de l’arc. » L’avantage du produit est donc de garantir une compatibilité parfaite tout en simplifiant la vie de l’installateur en facilitant le choix du disjoncteur de déconnexion. Autre point fort chez Schneider Electric, l’accent porté sur la mise en œuvre des produits à commencer par le respect de la fameuse règle des 50 cm qui s’applique à la portion de circuit empruntée par le courant de foudre. Lorsque la longueur de celle-ci est supérieure à 50 cm, la surtension transitoire devient trop importante et risque d’endommager les équipements. Or, pour Guillaume Vaccaro, « 80 % de l’efficacité d’un produit dépend strictement de son câblage et de la qualité de sa mise en œuvre ». Schneider Electric fournit donc des modes de câblage pour ses enveloppes qui permettent de garantir à l'installateur une installation conforme à la règle.

Bien sélectionner et ne pas négliger l’installation

Reste que pour être efficace, un parafoudre doit être correctement installé après avoir été judicieusement sélectionné. Là encore, des normes existent (NFC 15000 parties 443 et 534) qui définissent les performances minimales des parafoudres en fonction de leur utilisation. Pour les équipements de courants faibles, les performances pourront être modulées en fonction de leur degré d’immunité (EN 61000-4-5).

Un degré d’immunité élevé peut permettre d’alléger le dispositif de protection contre les surtensions.

Pour Guillaume Vaccaro, la prudence s’impose : « L’élévation du degré d’immunité des équipements contre les surtensions est très appréciable dans la mesure où elle permet de faire face à un certain nombre d’aléas en renforçant la protection d’équipements très sensibles. Mais elle ne se suffit pas à elle-même et ne se substitue pas à un véritable concept de protection foudre. »

Dans ce domaine, certains fabricants ont pourtant fait de gros efforts. Ainsi, chez Paratronic, capteurs et sondes de niveaux ou de pression, centrales d’acquisition, enregistreurs, automates, matériels de transmission, afficheurs, séparateurs galvanique, sont garantis jusqu’à trois ans, y compris contre les risques foudre.

Démarches sensiblement analogues chez Sofrel, Perax, OTT ou encore Endress+Hauser qui proposent une gamme dédiée de protections contre les surtensions, spécialement développée pour leurs équipements et conforme aux normes en vigueur. Ces produits sont le plus souvent équipés d’une télésignalisation ou d’une visualisation de fin de vie facilitant leur maintenance.

Le concept de protection et l’installation des dispositifs qui le composent doivent également faire l’objet d’une attention toute particulière. C’est si vrai que certains prestataires comme Paratronic vont jusqu’à proposer une garantie de résultats contractuelle dès lors que les prescriptions d’installations ont été scrupuleusement respectées.

La protection contre la foudre, la mise à la terre, la liaison équipotentielle et la protection contre les surtensions sont indissociables. La protection du personnel et des structures demande une approche systématique et globale pour minimiser les risques liés aux surtensions transitoires et autres perturbations. Par exemple, aucun paratonnerre ne peut capter et écouler sans risque l’énergie de la foudre sans une mise à la terre fiable.

De même, le meilleur des dispositifs de protection contre les surtensions n’assurera pas une protection optimale si une connexion optimisée au réseau de masse de l’installation n’est pas assurée (respect de la règle des 50 cm). Une installation de mise à la terre à basse impédance peut également entraîner des risques pour l’équipement et le personnel si les liaisons équipotentielles ne sont pas assurées.

Dehn présente son nouveau testeur modulaire de surveillance et de monitoring : le DRC MCM.

Grâce à une technologie exclusive de lecture de circuit RFID, il permet de contrôler et de tester en temps réel les sollicitations de surtension et les agressions foudre subies par les parafoudres associés. Ce nouveau module de surveillance compact permet de tester de manière stationnaire jusqu’à dix parafoudres Blitzductor équipés du système RFID contre les agressions transitoires d’origine foudre. En plus de l’indication visuelle en face avant, un report liaison filaire sur bornier ou via un bus RS-485 autorise la surveillance à distance des parafoudres. Le module DRC MCM répond à la norme européenne NF EN 61643-11 qui impose des tests en fin de vie et ainsi alerter son utilisateur de l’arrêt du fonctionnement du parafoudre.

Il est préconisé pour les exploitants soucieux de maintenir la production comme par exemple les sites à haut risques : traitement de l’eau, pétrochimique ou nucléaire.

De plus, l’arrêté ministériel de 1993 relatif aux installations soumises à autorisation au titre des installations classées, qui les concerne, sera remplacé dès cette année par un autre texte plus strict : une vérification visuelle de la protection contre les effets de la foudre sera obligatoire une fois par an et une vérification plus complète nécessitant le démontage des parafoudres tous les deux ans.

Dehn a d’ores et déjà mis au point une puce RFID capable de reproduire le comportement du parafoudre auquel elle est associée.

Tout ceci doit donc être abordé globalement. La norme française NF EN 62305-2 obligatoire dès 2009 propose un calcul des différentes composantes de risques, dues à tous les effets possibles des coups de foudre sur les structures et les services, en tenant compte des tensions de contact et des tensions de pas. Le risque global est comparé à un risque acceptable et la décision de mise en œuvre d’une protection contre la foudre est prise au niveau de protection retenu.