Protecteurs contre les surtensions : parafoudres

La première référence dans les expériences impliquant la foudre était les expériences de cerf-volant de Benjamin Franklin en 1762. Franklin plaça une tige métallique sur le cerf-volant et relia son extrémité à une clé métallique ; la foudre passa de la tige métallique à la clé métallique, puis à la terre, et la découverte du système de paratonnerre eut ainsi lieu.

Le système de paratonnerre est-il donc suffisant pour protéger vos appareils électroniques connectés au réseau contre la foudre ?

À ce stade, il convient d’expliquer les principes de fonctionnement et de protection du parafoudre et du système de paratonnerre.

Un système de paratonnerre attire le courant de foudre vers la tige métallique qu’il porte au moment de l’impact, puis le conduit vers la terre, empêchant ainsi la foudre d’endommager votre installation. Le système de paratonnerre est appelé protection externe contre la foudre et constitue une mesure de protection contre les incendies causés par la foudre. Cependant, la foudre affecte une zone de 2 km de rayon à partir du point d’impact et provoque des pannes, voire des incendies, des appareils électriques situés dans cette zone.

Le parafoudre est un élément qui protège les appareils connectés au réseau, le réseau et l’installation contre les surtensions transitoires dues à la foudre (impulsions se propageant dans le réseau) et contre les surtensions brusques internes à l’installation. Les parafoudres assurent deux types de protection :

1- Il assure une protection contre les surtensions en limitant la surtension au niveau de tension Up déclaré sur le parafoudre

2- Il assure une protection en évacuant le courant de surcharge vers la terre grâce aux éléments de protection qu’il contient.

Un point à noter est que, dans les parafoudres sans protection du neutre, comme on le voit sur la figure 1, un courant de choc apparaissant sur la phase retourne vers le réseau via le neutre, la technologie contenue dans le parafoudre faisant se comporter l’intervalle phase-neutre comme un court-circuit ; en revanche, dans les parafoudres dotés d’une protection neutre-terre, comme sur la figure 2, le courant de surcharge est évacué vers la terre, assurant ainsi une protection plus sûre.

Pour une protection efficace contre les impulsions, le premier point à prendre en compte est les conditions physiques de la zone protégée (altitude, présence et emplacement du système de paratonnerre, distance par rapport aux postes de transformation) ainsi que la définition du système à protéger (éclairage, industrie, systèmes de communication, ligne de données, systèmes CC, etc.).

Les systèmes à utiliser pour la protection d’un système contre la foudre et les courants impulsionnels sont les suivants

Système de mise à la terre équipotentielle : grâce à ce système, toutes les mises à la terre sont reliées par des barres équipotentielles, ce qui permet d’éviter d’éventuelles différences de potentiel en deux points.

Protection externe contre la foudre : elle empêche l’exposition directe à la foudre et permet de transmettre l’énergie de la foudre à la terre

Mise à la terre

Protection interne contre la foudre : comme nous l’avons mentionné ci-dessus, une fois que l’énergie de la foudre atteint la terre, elle agit sur une zone de 2 km, provoquant la défaillance des appareils électroniques connectés au réseau dans cette zone. De plus, la panne des appareils électroniques n’est pas uniquement due au courant de surcharge et à la hausse de tension causés par la foudre. Les harmoniques et les éléments de commutation peuvent également provoquer des variations brusques de tension. À ce stade, l’utilisation du système de protection interne contre la foudre (parafoudres basse tension) prend une importance considérable

Principales technologies utilisées dans les parafoudres :

Technologie MOV : le MOV (varistance à oxyde métallique) est un composant non linéaire présentant une caractéristique de résistance non linéaire. À mesure que la tension du système varie, la résistance de la varistance varie également et contrôle le courant qui la traverse ; on peut donc aussi considérer la varistance comme un composant commandé en tension. Dans l’image ci-dessous, lorsqu’elle est inférieure au niveau de tension indiqué comme tension de la varistance, elle présente une résistance élevée, se comporte comme un circuit ouvert et ne laisse pas passer le courant ; cependant, lorsque la tension du système dépasse la tension de la varistance, elle se comporte comme un court-circuit et laisse passer tout le courant.

En raison du temps de réponse très court des varistances (environ 20 ns), il s’agit d’une technologie privilégiée dans les dispositifs de protection contre la foudre pour l’évacuation du courant de surcharge vers la terre.

Tube à décharge gazeuse :

Il se compose de 2 électrodes conductrices séparées par une cavité remplie de gaz. Pour que le tube devienne conducteur, les électrons à l’intérieur du tube doivent atteindre une énergie suffisante. Lorsque la différence de potentiel entre les conducteurs dépasse la tension de claquage du gaz dans la cavité, les électrons libérés heurtent les molécules de gaz, ionisant le gaz, et le gaz ionisé réduit considérablement la résistance électrique. Ainsi, le courant de crête de 8/20 µs emprunte le chemin à faible impédance et s’écoule vers la terre, empêchant ainsi les dommages aux appareils.

Explications des paramètres techniques :

Tension nominale (Un) : représente la tension de fonctionnement du parafoudre dans des conditions normales.

Courant nominal de décharge (In) : c’est le courant de décharge maximal que le parafoudre peut supporter sans dommage, pour un nombre spécifié de fois (environ 20 fois) et selon la forme d’onde spécifiée (8/20µs).

Courant maximal de décharge (Imax) : c’est le courant de décharge maximal que le parafoudre peut supporter sans dommage avec une forme d’onde (8/20µs).

Même si l’on parle de la même forme d’onde pour Imax et In, Imax est la valeur maximale de décharge que le parafoudre peut supporter sans dommage, tandis que In doit être spécifié comme une valeur capable de supporter cette valeur 20 fois. (ImaxIn)

Tension maximale de fonctionnement (Uc) : indique la valeur de tension pouvant être appliquée en continu lorsque le parafoudre est en mode de protection. Cette valeur doit être déclarée au moins 10 % supérieure à la tension nominale de fonctionnement (Un).

Niveau de protection en tension (Up) : exprime la valeur de tension à laquelle la tension sera réduite dans le parafoudre lorsqu’une impulsion atteint le système.

Courant de décharge impulsionnel (Iimp) : indique la valeur du courant de crête de l’onde de foudre 10/350µs. Le parafoudre doit évacuer en toute sécurité vers la terre tous les courants de foudre jusqu’à la valeur Iimp déclarée et réduire la surtension au niveau Up.

Caractéristiques d’impulsion :

Les valeurs de protection de courant déclarées dans les parafoudres sont indiquées sur la base des formes d’onde. Alors, que faut-il comprendre lorsqu’on parle d’une forme d’onde 10/350µs ou 8/20µs ?

Le 10/350µs symbolise l’impulsion de foudre ; à 10µs le courant de foudre atteint sa valeur maximale, tandis qu’à 350µs le courant est réduit de moitié.

Le 8/20µs est une forme d’onde symbolisant les surintensités dues aux commutations dans le système. L’onde atteint sa valeur de crête à 8 µs, puis est réduite de moitié à 20 µs.

Types de parafoudre :

Parafoudre de type 1 (parafoudre de type B) : les parafoudres de type 1 doivent protéger le système contre les impacts directs de foudre, tout en assurant également une protection contre les amplitudes et les énergies spécifiques provenant des surtensions ou des courants de surtension.

Caractéristiques techniques du parafoudre de type B Sigma elektrik

Parafoudre de type 2 (parafoudre de type C) :

Caractéristiques techniques du parafoudre de type C Sigma Elektrik :

Parafoudre de type 1+2 (parafoudre de type B+C) :

Caractéristiques techniques du parafoudre de type B+C Sigma Elektrik :

Parafoudre de type 3 (parafoudre de type D) :