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Protection contre la foudre à l’intérieur

Comme indiqué dans le chapitre précédent, une protection contre la foudre uniquement à l’extérieur ne peut pas empêcher des dommages au niveau des installations électriques situées à l’intérieur d’un bâtiment. En effet, la fonction de ce type de protection est exclusivement d’absor­ber les impacts directs de la foudre et de conduire leur courant dans la descente du système de mise à la terre. Afin que des surtensions dangereuses ne pénètrent pas dans le bâtiment pas d’autres chemins, il est également impératif de prévoir une protection contre la foudre à l’intérieur. 

Une protection moderne contre la foudre comprend par conséquent des mesures de protection à l’intérieur, en plus de celles à l’extérieur. En effet, ces mesures évitent les dommages dus au courant de foudre et aux sur tensions au niveau des équipements techniques, comme cela a déjà été décrit dans le chapitre précédent. 

Par conséquent, ce type de protection contre la foudre comprend à la fois une égalisation de potentiel et une protection contre les surtensions. En effet, en cas d’impact, ces mesures empêchent une décharge non contrôlée dans les installations du bâtiment suite à une chute de tension au niveau de la résistance de terre. La protection contre les surtensions veille à ce que les terminaux restent intacts. Elle interrompt progressivement la tension élevée, de sorte que les appareils électriques ne soient plus touchés.

Égalisation de potentiel

Un raccordement électrique bon conducteur est désigné comme une égalisation de potentiel: elle empêche les différences de potentiel électrique entre des corps conducteurs, ou du moins elle les réduit fortement. En font par exemple partie les boîtiers de ressources électriques, les canalisations et les tubes de chauffage, les installations d’antennes, la mise à la terre des fondations. De plus, les égalisations de potentiel sont utiles pour minimiser la résistance de terre.

C’est pourquoi il est indispensable de raccorder toutes les installations et constructions de bâtiment métalliques telles que les conduites d’eaux usées, de gaz, de chauffage et d’aération, les rails d’ascenseurs, les canaux de fumée métalliques ou les tubages de cheminée métalliques et autres éléments similaires, qui se trouvent au niveau du sol, via un système de mise à la terre.

Pour cette égalisation de potentiel dans les bâtiments, des conducteurs en cuivre d’une section transversale conforme à la norme doivent être utilisés: pour les conducteurs d’équipotentialité qui ne sont pas reliés à un système de protection contre la foudre, une section transversale minimale de Cu 6 mm² s’applique. En revanche, pour les conducteurs d’équipotentialité qui sont équipés d’un système de protection contre la foudre, la section transversale du conducteur d’équipotentialité doit être d’au moins 10 mm².

Une tranquillité absolue grâce à la protection contre les surtensions

Une surtension se produit suite à un impact direct ou indirect de la foudre et provoque des commutations au niveau  des appareils électriques, qui peuvent occasionner des pics de tension de plus de 1000 volts, ce qui met hors service les appareils électriques raccordés. Les appareils électriques victimes de telles surtensions sont le plus souvent remplacés par les assurances – la perte de temps de ces installations, qui dure jusqu’à la remise en état et entraîne souvent des coûts considérables, n’est toutefois que rarement couverte par l’assurance. En tenant compte de cet aspect, il est vivement recommandé de définir un concept de protection contre la foudre et les surtensions. Car seul un tel concept protège parfaite­ment les terminaux électriques de tels dommages – ainsi que les propriétaires des coûts en résultant.


Impact de foudre et surtensions transitoires

Les utilisateurs d’appareils électroniques ainsi que de systèmes de communication et informatiques doivent pouvoir assurer à tout moment le fonctionnement opérationnel de leurs installations – également en cas d’impact de foudre ou de pics de tension de courte durée sur les lignes d’alimentation et de données. C’est pourquoi de telles installations doivent être particulièrement proté­gées, car: 

  • Les composants électroniques utilisés rendent ces installations plus susceptibles de subir des désagréments. 
  • Des interruptions de service coûteuses ne sont pas acceptables.
  • Les réseaux de transmission de données s’étendent sur de longues distances et domaines et sont souvent soumis à des perturbations.


Les causes des surtensions transitoires sont:

  • Foudre
  • Pics de tension en raison de commutations générées par les installations industrielles
  • Décharges électrostatiques (Electrostatic Discharge, ESD)
  • Impulsions électromagnétiques nucléaires (NEMP)


Les surtensions se distinguent par leur amplitude, leur durée et leur fréquence. En effet, une surtension peut avoir différentes causes: elle est d’une part provoquée par un impact de foudre et des commutations générées par les installations industrielles. D’autre part, elle est aussi déclenchée par des perturbations d’ESD et de NEMP, qui ont des impacts bien plus spécifiques et sont dus aux effets des nouvelles technologies. Par exemple, l’utilisation massive de semi-­conducteurs a conduit à la prédisposition aux perturbations d’ESD, tandis que les perturbations de NEMP sont causées par les armes nucléaires.


Couplage indirect de surtensions

Les couplages de surtensions par des impacts de foudre sont possible de trois manières différentes:

  • Impact dans des lignes aériennes
    Les lignes aériennes présentent un risque particulièrement élevé d’être  touchées par la foudre en raison de leur  situation très exposée. Elle détruit d’abord le conducteur partiellement ou en totalité. Ensuite, d’importantes  surtensions se forment, qui se propagent via les lignes et finissent par atteindre les installations électriques raccordées à la ligne aérienne. L’étendue des dégâts causés de cette manière dépend de la distance entre le point d’impact et l’emplacement des installations touchées.
     
  • Augmentation du potentiel terrestre
    La pénétration de la foudre dans le sol provoque une augmentation du potentiel terrestre, qui varie selon l’intensité de la foudre et l’impédance de terre locale. Dans une installation reliée à plusieurs points de mise à la  terre (par exemple un raccordement entre bâtiments), un impact de foudre entraîne une très grande diffé­rence de potentiel, ce qui provoque la destruction des appareils raccordés aux réseaux touchés, ou altère fortement leur fonction­nement.
     
  • Rayonnement électromagnétique
    En ce qui concerne le rayonnement électromagnétique, un éclair peut être considéré comme une antenne d’un kilomètre de haut, qui conduit un courant d’impulsions de plusieurs dizaines de kiloampères et émet des champs électromagnétiques tout aussi forts (avec des intensités de champ de plusieurs kV/m à une distance  de plus d’un kilomètre). Ces champs induisent des tensions et des courants élevés dans les lignes posées dans les installations électriques ou à proximité. Les valeurs en résultant dépendent de la distance de l’impact de foudre et des caracté­ristiques physiques du raccordement. 


Surtensions générées par l’activité industrielle

Ce terme regroupe des phénomènes provoqués par la mise sous et hors tension de sources d’énergie électriques.

Les surtensions générées par l’activité industrielle proviennent de

  • Processus de commutation de charges inductives telles que des moteurs ou des transformateurs
  • Couplages de tensions de déclenchement d’éclairages HID conventionnels
  • Commutation de circuits avec des charges inductives ou capacitives
  • Déclenchement de fusibles et de disjoncteurs de protection
  • Conditions de défaut indésirables dans le réseau de  distribution


Ces phénomènes provoquent des transitoires de plusieurs kilovolts avec des temps de montée de l’ordre de quelques microsecondes, ce qui altère le fonctionnement d’appareils dans les réseaux aux­quels la source de perturbation est raccordée.


Impacts de la surtension

  • Décharges électriques de jonctions semi-­conductrices
  • Destruction des connexions de fils de liaison de composants
  • Conducteurs ou raccords de circuits imprimés défectueux
  • Mise hors service de triacs ou de thyristors en raison de valeurs dV/dt élevées.


Dysfonctionnements

  • Fonctionnement non défini de portes logiques, thyristors et triacs
  • Suppression de contenus de mémoires
  • Erreurs ou plantages de programmes
  • Erreurs de données et de transmission


Vieillissement prématuré

Même si les composants soumis à des surtensions ne tombent pas immédiatement en panne, cette charge nuit à  leur durée de vie.

Une protection contre les surtensions protège également les ­bâtiments contre les surtensions générées par l’activité industrielle.

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Disposition des appareils de protection contre les surtensions

Conformément aux normes CEI 61643­-1 et EN 61643-­11, tous les appareils de protection contre les surtensions appartiennent au type 1, 2 ou 3. Le tableau suivant explique quels critères sont pris en compte.

Type 1: Parafoudre, LPZ 0–1
Les limiteurs de type 1, autrefois désignés par la classe B, sont utili­sés, en fonction de la version, en amont du compteur ou juste derrière, c’est-­à-­dire à l’endroit où les courants les plus élevés doivent être dérivés en cas d’impact direct de la foudre. La classification en tant que limiteur de type 1 est définie par les normes mentionnées dans la section ci-­dessus et présuppose un test de classe 1, lors duque une onde de test 10/350 μs est appliquée, qui simule un impact direct de la foudre.

Type 2: Protection contre les surtensions, LPZ 1–2
Les limiteurs de type 2, autrefois désignés par la classe C, sont utilisés dans la distribution principale ou la sous­distribution de l’installation électrique et protègent les lignes situées en aval ainsi que les applications électriques. Conformément aux normes CEI 61643­-1 et EN 61643­-11, la classification en tant que limiteur de type 2 présuppose un test de classe 2, avec l’application d’une onde de test 8/20 μs.

Type 3: Protection contre les surtensions, LPZ 2–3
Les limiteurs de type 3, autrefois désignés par la classe D, sont ceux utilisés à proximité immédiate de terminaux électriques ou électroniques sensibles. Ils diminuent la surtension déjà réduite par les limiteurs de type 2 à un niveau supportable pour les terminaux courants. La classification en tant qu’appareil de protection contre les surtensions de type 3 est réglementée par les normes EN et CEI applicables et présuppose un test de classe 3.

Protection contre les surtensions combinée (limiteur combiné)
Les appareils de protection contre les surtensions avec la technologie VG offrent une protection équivalente à celle fournie par les appareils de protection contre les surtensions des types 1, 2 et 3 découplés. Les arguments en leur faveur sont la réduction des coûts et des temps d’installation ainsi qu’un choix plus facile.


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