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Parafoudre

Parafoudre à varistance sur ligne de transmission 110 kV
Selon le vocabulaire électrotechnique international, un parafoudre est un appareil destiné à protéger le matériel électrique contre les surtensions transitoires élevées et à limiter la durée et souvent l'amplitude du courant de suite. On emploie aussi le terme parasurtenseur.
La fonction du parafoudre est différente de celle d'un paratonnerre : alors qu'un paratonnerre a pour rôle de protéger une structure contre les coups directs de la foudre, le parafoudre protège les installations électriques et de télécommunications contre les surtensions en général qui peuvent avoir pour origine la foudre ou la maoeuvre d'appareils électriques.
Le terme de parafoudre désigne normalement les dispositifs contre les surtensions à base de varistance, d'éclateur ou de diodes Zener. On désigne sous le nom de parasurtenseur l'ensemble des dispositifs contre les surtensions : parafoudre, éclateurs, circuits RC, Cependant, l'usage courant confond ces terminologies.
Son nom de parafoudre vient du fait que, historiquement, le foudroiement était la première cause de surtension contre laquelle on désirait se protéger. Ce nom est aussi plus parlant et plus vendeur d'un point de vue commercial. Une surtension ne provient pas nécessairement d'un effet direct de la foudre. Parfois, voire toujours, dans un contexte industriel, le parafoudre est dimensionné pour protéger contre un éventuel coup direct de la foudre sur les lignes d'alimentation électrique ou téléphonique. Il justifie dans ce cas pleinement son nom. Mais plus généralement un parasurtenseur protège contre toute surtension, causée par la foudre ou non. Il convient de noter que la foudre peut générer des surtensions sur les installations électriques de façon indirecte par induction magnétique et / ou couplage capacitif sans qu'il n'y ait de contact entre l'éclair et les conducteurs électriques.
Un parafoudre est un composant électrique dont le rôle est de dévier l'énergie des ondes de surtension, il est donc en général connecté entre chacun des conducteurs à protéger et la terre. Ce montage convient aussi bien pour les circuits de puissance que pour les circuits téléphoniques, les bus informatiques, etc.
infos
La façon de câbler cette protection est importante, sans quoi elle devient inutile voire peut aggraver la situation. La longueur des câbles de raccordement des parafoudres joue un rôle important.
Ce composant a une caractéristique fortement non-linéaire : en dessous de son seuil d'amorçage, il doit présenter une impédance très élevée et donc un très faible courant de fuite. Au-dessus de son seuil, il doit permettre d'évacuer le courant facilement donc avoir une impédance très faible.
Autre particularité, les surtensions provoquées par la foudre ou de certains défauts électriques sont particulièrement brèves ( de 10 à 500 µs par exemple pour la foudre ). Il en résulte que ce composant doit avoir un temps de déclenchement le plus faible possible pour assurer la protection. L'échelle de temps de réaction des parafoudres / parasurtenseurs est la suivante : les diodes sont 1000 fois plus rapides que les varistances et 1000000 fois plus rapides que les éclateurs.
symbole de parafoudre
Technologie
Au moins trois sortes de composants protègent des surtensions : les éclateurs, les varistances et les diodes Transil.
Courbes V(I) des composants parafoudres en basse tension
Les éclateurs sont composés de deux électrodes face-à-face dans un milieu qui peut être l'air ambiant, de l'air mais dans un milieu clos ou du gaz. Au-delà d'une certaine tension entre les bornes, donc d'un certain champ électrique entre les électrodes, un amorçage se produit et le courant passe en formant un arc électrique. Les éclateurs sont très robustes et permettent de dévier des courants de foudre importants ; cependant l'arc électrique qui apparaît lors du fonctionnement est maintenu par le courant que débite le réseau : il faut donc prévoir la coupure de ce court-circuit. C'est le principe des cornes d'amorçage que l'on voit sur les équipements de distribution d'électricité mais ils sont également utilisés en basse tension. La lenteur à l'amorçage (environ 1 µs) est un défaut de ce type de composant pour la protection : les parafoudres à éclateur sur les lignes de télécommunications sont d'une efficacité toute relative pour protéger les équipements mais permettent de ne pas filtrer de manière indésirable les signaux grâce à une capacité parasite très faible.
Varistance
Les varistances sont des composants électriques ou électroniques. Au-delà d'un certain seuil de tension, l'impédance de la varistance chute pour permettre 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 donc sans courant de fuite. Lors de ce fonctionnement, elle reçoit de l'énergie qui va la faire vieillir : les varistances ont une durée de vie limitée. Cela se traduit par une consommation propre, courant de fuite qui tend à augmenter jusqu'à provoquer une forte élévation de la température du composant. Pour limiter cet emballement thermique, les varistances de puissance basse tension sont parfois équipées d'un déconnecteur thermique. Le courant de fuite de la varistance a une autre conséquence : ce composant ne peut être utilisé pour la protection de circuits de communication car il dévierait à la terre tout ou partie des signaux.
Diodes Transil
Les diodes Transil sont des semi-conducteurs qui utilisent l'effet Zener. Le fonctionnement des diodes Transil est comparable à celui des varistances mais leur caractéristique courant / tension est plus fortement non-linéaire, ce qui permet d'obtenir de meilleurs niveaux de protection. Les diodes Transil ont une durée de vie quasi illimitée et leur temps de réponse est très faible, quelques centaines de picosecondes. Ces composants sont très utilisés pour la protection des équipements de télécommunication, car des montages faible capacité sont possibles. On les utilise également sur le réseau basse tension car certaines diodes Transil permettent d'écouler plusieurs dizaines d'ampères en impulsions sans détérioration et de maintenir la protection en fin de vie. On les trouve aussi montées entre le 0 V et le + ( 5 V, 12 V, 24 V ) à l'entrée d'alimentation TBT de montage électronique sensible système embarqué, carte mère de micro-ordinateur. Si une surtension dépasse les caractéristiques maximales du composant, il se met définitivement en court-circuit.
Elle est capable de laisser passer des courants pouvant aller jusqu'à quelques centaines d'ampères crête, selon la taille de la puce et la forme d'onde appliquée. Si la surtension appliquée dépasse les caractéristiques maximales du composant, son mode de défaillance préférentiel est le court-circuit, attention, ce n'est pas toujours le cas si la protection n'est pas adaptée, ce qui assure une protection maximale des circuits au prix d'une défaillance fonctionnelle.
il existe des versions
unidirectionnelles, passante dans un sens, écrêteuse dans l'autre, qui ont rigoureusement le comportement d'une Zener surdimensionnée, offrant une protection maximale aux signaux unipolaires
bidirectionnelles, écrêteuse dans les deux sens, équivalentes à deux Zener en opposition montées en série, mieux adaptées à la protection de signaux alternatifs et à la capacité parasite moindre
une diode TVS est caractérisée par
courant de fuite : quantité de courant traversant la diode pour la valeur de tension d'avalanche inverse maximale
tension d'avalanche inverse maximale : tension en dessous de laquelle la diode est bloquante
tension de claquage : tension pour laquelle la diode est significativement conductrice
tension limite : tension pour laquelle la diode laisse passer le courant maximum
capacité parasite : valeur de la capacité de la diode en mode blocage
Conseils de câblage

illustration du conseil de câblage.
Dans tous les cas, un parafoudre pour être efficace doit être correctement installé : suivant la norme NF C 15-100 et le guide UTE C 15-443. A savoir : l'équipotentialité du site à protéger est impérative, à défaut une valeur de terre la plus basse possible permet de diminuer les effets des différences de potentiel qui peuvent apparaître lors de l'écoulement d'un courant de foudre. Les liaisons doivent être les plus courtes et directes possibles, éviter les boucles et les coudes et de section suffisante pour la liaison à la terre, 6 mm² minimum.
Face à un choc bref, les câbles ne sont pas de bons conducteurs. Il faut un certain temps pour qu'un courant s'établisse dans un câble. Et qui plus est, l'auto-induction d'une ligne soumise à une variation rapide de courant provoque une surtension indépendante du défaut, à cause du di / dt. Autrement dit, il peut y avoir plusieurs centaines de volts d'écart entre deux extrémités d'un câble. Ou entre deux câbles différents.
C'est pourquoi il faut considérer qu'un parafoudre ne protège qu'à ses bornes. L'appareil à protéger doit être câblé au plus proche et au plus court. Si on désire protéger une tête d'installation, les câbles d'arrivée doivent être rapprochés et le départ de la ligne protégée partir au plus près du parasurtenseur / parafoudre. Le guide UTE C 15-443 préconise une longueur totale maximale de 50 cm pour le câblage d'un parafoudre en dérivation entre une phase de l'alimentation et le répartiteur de terre principal du coffret, qui peut inclure le disjoncteur à placer en série de certains types de parafoudres pour couper les éventuels courants qui peuvent persister une fois que le parafoudre s'est amorcé. Si cette règle des 50 cm n'est pas respectée, on maîtrise difficilement la surtension supplémentaire induite par le passage du courant dans ces câbles, surtension qui va venir s'appliquer aux bornes des matériels à protéger, en plus de la surtension résiduelle propre au parafoudre.
Si plusieurs câbles différents doivent ensuite être reliés à un même appareil ou circuit, ils doivent pour ces mêmes raisons provenir du même point. Par exemple, les protections du réseau électrique, de l'arrivée d'antenne et de l'arrivée téléphonique doivent également être placées au plus proche depuis un même point, depuis ce point unique d'arrivée partiront tous les câbles vers les circuits à alimenter. Si possible en évitant de former des boucles.
On s'attachera également à bien séparer physiquement les conducteurs pollués, situés en amont du parafoudre et parcourus par le courant foudre à écouler à la terre, des conducteurs filtrés, situés en aval du parafoudre, afin de ne pas ajouter une surtension en aval des parafoudres par couplage inductif avec les conducteurs situés en amont. La solution la plus simple pour arriver à une bonne ségrégation entre ces câblages est de placer les parafoudres en entrée d'installation électrique dans un coffret spécifique, distinct du tableau général d'alimentation, en disposant l'entrée d'alimentation et la sortie sur deux faces opposées de ce coffret.
Bâtiments industriels et d'habitation
NF C 15-100 impose l'utilisation de parafoudre lorsque le bâtiment est situé à moins de 50 mètres de :
un paratonnerre
une antenne GSM
un clocher d'église
une grande structure métallique
en complément la norme NF C15-100, conduit à l'obligation d'une protection parafoudre lorsque l'un des critères suivants est observé :
bâtiment alimenté par une ligne totalement ou partiellement aérienne
bâtiment situé dans une zone souvent foudroyée
équipements particulièrement sensibles, PC, laboratoires, data-centers, caméras, etc...
l'interruption de l'activité dans le bâtiment entraîne des pertes financières (arrêt de processus industriel, agro alimentaire, réseau informatique inopérant, etc...
type
Type 1 : ils sont capables d'écouler un courant de foudre très important, généralement de la Terre vers le réseau de distribution d'énergie. En effet, ils sont installés dans le tableau électrique principal lorsque le bâtiment est équipé d'un paratonnerre
Type 2 : il s'agit de parafoudres destinés à écouler les courants générés par des coups de foudres indirects et provoquant des surtensions induites ou conduites sur le réseau de distribution d'énergie. Ils sont installés dans le tableau principal de distribution
Type 3 : ils caractérisent des parafoudres installés en complément des Type 2 et sont destinés à réduire la surtension aux bornes des équipements sensibles. Leur capacité d'écoulement de courant est très limitée. En conséquence ils ne peuvent être utilisés seuls
Le dimensionnement des parafoudres Type 2 dépend essentiellement de la zone d'exposition, modérée, moyenne, élevé : il existe différentes capacités d'écoulement pour chacune de ces catégories.
Pour les parafoudres Type 1, la capacité d'écoulement minimum est de Iimp=12,5kA ( 10 / 350 ) par branche. Des valeurs plus élevées peuvent être requises par l'analyse du risque lorsque celle-ci est demandée.
Enfin le disposition de protection associé au parafoudre, disjoncteur ou fusible sera choisi en fonction du courant de court circuit au lieu d'installation. Autrement dit, pour un tableau électrique d'une habitation, on choisira un dispositif de protection avec un Icc <6kA
Pour des applications de bureau, l'Icc est généralement <20kA
Les constructeurs doivent donner la table de coordination entre parafoudre et dispositif de protection associé. De plus en plus de parafoudres intègrent déjà ce dispositif de protection dans le même boitier
exemple de parafoudre

Paratonnerre

Le paratonnerre est un dispositif qui, selon l'histoire officielle, est inventé le 15 juin 1752 par Benjamin Franklin à Philadelphie. Il est conçu afin d'écouler à la terre le fluide électrique contenu dans le nuage orageux et ainsi empêcher la foudre de tomber. Depuis, ces notions portent le nom d'effet de pointe en électrostatique et de cage de Faraday. Pour établir une protection contre la foudre, il faut construire une cage de Faraday enveloppant l'édifice à protéger.
Historique
Benjamin Franklin se passionne pour l'électricité et pense que la foudre est un phénomène électrique. Si le physicien est le premier à émettre l'idée, le 29 juillet 1750 de se protéger de la foudre au moyen de tiges de métal fixées vers le ciel et reliées au sol, Franklin n'est pas le premier à mener cette expérimentation. L'histoire officielle rapporte l'expérience du cerf-volant de Franklin qui a lieu le 15 juin 1752 mais il est fort probable qu'il n'ait pas réellement conduit cette expérience et en outre, il est précédé par le français Thomas-François Dalibard qui utilise une barre de fer le 10 mai 1752 et M. Delor qui répète l'expérience à Paris une semaine plus tard. Par ailleurs, Jacques de Romas réalise le 7 juin 1753 l'expérience où il prouve publiquement la nature électrique de la foudre en envoyant son cerf-volant vers la nuée orageuse. De la corde (entourée d'un fil métallique) qui le retenait au sol, il obtient des étincelles de plus de dix pieds de long et d'impressionnantes détonations. Jacques de Romas a décrit dès 1752 le processus à mettre en place avec son cerf volant électrique avant que Franklin ne réalise son expérience. C'est par une facheuse erreur de l'académie des sciences de Bordeaux que l'invention ne lui a pas été attribuée. Erreur reconnue et réparée par les rapports du 1er et 4 février 1764. Même benjamin Franklin a reconnu l'antériorité des conclusions de Jacques de Romas. Mais pour la postérité, c'est Benjamin Franklin qui restera l'inventeur.
Principe de fonctionnement
Son fonctionnement est aujourd'hui mieux connu. La structure d'un paratonnerre est composée d'une tige placée en hauteur puis connectée à la terre par un ou plusieurs éléments métalliques appelés conducteurs de descente, capables de conduire cette électricité : ces conducteurs peuvent faire partie de la cage de Faraday.
Le paratonnerre n'attire pas la foudre mais rend plus probable, grâce à l'effet de pointe, le parcours d'un claquage du diélectrique que constitue l'atmosphère. Ce claquage suit un parcours souvent initié par un précurseur. Le paratonnerre captera donc la foudre dans sa zone d'influence, mais les éclairs qui auraient eu tendance à tomber en dehors de cette zone continueront à le faire.
Différents types de paratonnerres existent mais les trois plus courants sont : la pointe simple, dite pointe de Franklin, le paratonnerre à dispositif d'amorçage, la cage maillée type cage de Faraday.
Le PDA a une plus grande zone de protection.
infos
La pointe simple
Le système de protection est constitué, outre l'organe de capture, d'une ou deux descentes associées chacune à une prise de terre. La pointe d'une tige est entourée d'un champ électrique en période orageuse. Si l'arc électrique se dirige vers l'une des pointes, alors il finira sa course dans les câbles de descente . Une pointe unique a une utilité réduite, car rien ne garantit que l'éclair tombera à cet endroit et il existe de nombreux témoignages confirmant que la foudre peut tomber juste en dessous ou à côté d'un paratonnerre, dégradant ainsi le bâtiment supposé être protégé.
Le paratonnerre à dispositif d'amorçage
L'amélioration du paratonnerre de Franklin consiste à créer une ionisation nettement supérieure à celle qui résulte de l'effet couronne spontané ou à maîtriser cet effet couronne pour optimiser sa production
Sur cette base, les paratonnerres à dispositif d'amorçage ont fait leur apparition en 1984 en France puis en Espagne qui furent également les premiers pays à adopter des normes spécifiques. Aujourd'hui, ce type de paratonnerres est proposé par un large nombre de fabricants
Ces dispositifs à pointes actives reposent sur la théorie scientifique de l'avance à l'amorçage : le dispositif d'amorçage permet d'accroître la distance d'amorçage en générant un traceur ascendant précoce et ainsi la zone de protection du paratonnerre. L'analyse du développement des traceurs ascendants, effectuée avec le convertisseur d'image, met clairement en évidence une avance à l'amorçage des traceurs, lorsque le dispositif auxiliaire est en fonctionnement
Cependant l'efficacité de tels dispositifs est établie par notamment, mais pas seulement le Ministère de l'Environnement Français, après la publication en 2017 par l'INERIS qui souligne la forte implication de la France mais aussi de l'Espagne dans des recherches, permettant de valider l'efficacité à l'appui d'essais en laboratoires, voire sur site. Ces essais sont réalisés sous protocole normatif. Les produits industriels associés à ces recherches, ont pour caractéristiques d'améliorer l'efficacité de capture d'une décharge ascendante par rapport à un paratonnerre à tige simple, L'AFNOR a mis à jour en septembre 2011, la norme PDA NFC 17-102 qui caractérise les performances, les essais et les conditions de mise en oeuvre d'un paratonnerre à dispositif d'amorçage. Les dernières évolutions technologiques ont vu apparaître des PDA testables par communication radio : il permet de vérifier que le paratonnerre est toujours en état de marche après avoir capté un coup de foudre
Les recherches dans le domaine de la foudre montrent par ailleurs qu'aucune démonstration scientifique ne peut valider la solution technique retenue, celles-ci, comme les phénomènes météorologiques sont basés sur un retour d'expérience et sur l'objectif de réduire la vulnérabilité des sites. Seule l'expérience fait foi à ce jour.
La cage maillée
La cage maillée est utilisée depuis près de 300 ans. Dans les deux cas, les échecs à la protection sont rarissimes, sachant qu'aucune solution ne garantit 100 % de protection. Rappelons le véritable intérêt d'un paratonnerre : il s'agit surtout, au cas où la foudre passerait, par hasard, à proximité et risquerait de toucher le bâtiment, de capter et écouler la décharge dans les conducteurs de descente et ainsi de préserver la structure du bâtiment
Le système de protection est constitué de plusieurs pointes, couvrant toute la toiture et les arêtes du bâtiment à préserver. Les pointes sont reliées entre elles par des filins conducteurs interconnectés, reliés à la terre et formant une cage de Faraday. Il est inutile de l'élever très haut. Il existe tout autant de témoignages montrant des coups de foudre à l'intérieur de la maille de la cage... En vérité ces cas d'échec de capture sont très rares quel que soit le type de protection. Que la pointe soit seule n'a pas d'importance en termes de capture... ce qui compte c'est que la structure à protéger soit bien dans la zone de protection du paratonnerre.
Pour les constructions individuelles, les spécialistes en CEM, compatibilité électromagnétique, connaissent des techniques simples, efficaces et peu coûteuses sur les façons de câbler l'installation électrique pour protéger les matériels. Ces conseils font souvent partie des normes actuelles, en particulier pour des constructions nouvelles :
infos
liaison équipotentielle
absence de boucles sauf sur les masses
recâbler le réseau électrique est plus efficace qu'un paratonnerre pour protéger les matériels
Pour protéger également le bâtiment, il faut un paratonnerre à plusieurs pointes ou la pose d'une ceinture conductrice sur les arêtes du bâtiment. Cela est contraignant et peu esthétique dans le cadre d'une habitation individuelle. La pose est donc essentiellement rencontrée en milieu industriel. Il est en revanche conseillé de poser une pointe au point d'impact si le bâtiment a déjà été touché par un choc direct.
La bonne nouvelle : il est possible, mais très rare d'être touché directement par la foudre, que le bâtiment soit ou non protégé. En revanche, lutter contre les effets indirects électromagnétiques est prioritaire car il y a régulièrement des orages.
Paratonnerres à pointe active
Il s'agit de paratonnerres équipés sur leur pointe d'un dispositif visant à accroître la zone de protection, également appelés PDA, pour paratonnerres à dispositif d'amorçage.
Paratonnerres radioactifs
Dès 1914, le physicien hongrois Béla Szilárd propose de renforcer l'ionisation naturelle autour des installations de protection foudre avec des sources radioactives placées à proximité de la pointe des paratonnerres. L'idée aboutit à la commercialisation de paratonnerres radioactifs, plus simplement surnommés parads. Les doutes sur la validité du procédé, compte tenu de la difficulté de prouver son efficacité, émergèrent dans les années 1970 et conduisirent de nombreux pays à les interdire à partir des années 1980, en 1985 en Belgique et 1987 pour la France.
Conscientes du risque de dissémination des radioéléments radium 226 et américium 241, les autorités interdirent leur fabrication, leur vente et leur installation, les Parads ayant une activité de quelques dizaines de MBq pour les émetteurs alpha, et pouvant atteindre 1 GBq pour d'autres.
Il est fréquent d'en trouver sur les toits ou les clochers, notamment en France et dans ses anciennes colonies.
Après démontage ou chute accidentelle, les paratonnerres radioactifs sont considérés par l'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs comme étant des déchets radioactifs de faible activité à vie longue.
L'arrêté du 15 janvier 2008 impose leur retrait des ICPE, installations classées pour la protection de l'environnement avant le janvier 2012. La dépose et le transport de ces sources radioactives ne peuvent être réalisés que par les entreprises agréées par l'autorité de sûreté nucléaire. Pour obtenir son agrément, les entreprises doivent disposer de locaux d'entreposage provisoire sécurisés et d'un personnel spécialement formé aux techniques de radioprotection.
exemple de paratonnerre

Densité de foudroiement

La densité de foudroiement peut être déterminée de 2 manières :
Par les relevés statistiques sur plusieurs années d'organismes spécialisés.
Ces données sont souvent payantes et sont précises du fait qu'elles donnent la densité de foudroiement à l'échelle d'une ville.
Par les cartes de foudroiement disponibles dans les normes.
Niveau kéraunique et densité de foudroiement
L'étude d'une protection contre la foudre nécessite la prise en compte des conditions géographiques locales, notamment du degré d'exposition de la structure au risque de foudre afin de dimensionner la puissance nécessaire des dispositifs de protection aux vents en tenant compte de son architecture afin de déterminer la tenue mécanique nécessaire des dispositifs à installer.
Niveau kéraunique NK
Le niveau kéraunique Nk exprime la valeur annuelle moyenne du nombre de jours d'orages, jours où l'on entend le tonnerre en un lieu donné.
Densité de foudroiement NG
La densité de foudroiement Ng exprime la valeur annuelle moyenne du nombre d'impacts de foudre par km². En France, les valeurs de la densité de foudroiement sont déterminées par le réseau Météorage. Lorsque la densité n'est pas connue pour un site donné, elle peut être déduite de Nk selon la relation suivante
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