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OBSERVATIONS GENERALES
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OBSERVATIONS GENERALES
Avant d'examiner l'aspect particulier de la protection contre les effets secondaires de la foudre, nous allons examiner le cas général de la protection contre la foudre d'un site quelconque, non tenu de répondre à une règlementation précise à ce sujet.
NORMALISATIONS SUR LA PROTECTION CONTRE LA FOUDRE
Les protections obligatoires :
- Selon la législation en vigueur les immeubles de grande hauteur à usage de bureaux de hauteur supérieure à 28 m doivent obligatoirement être protégés contre la foudre à l'aide d'un paratonnerre à tige selon UTE C 17 100 ou à dispositif d'amorçage (PDA) selon C 17 102 :
*Décret 67-1063 du 15-11-67
*JO du 06-12-1967 p 11 882 à 11 885
- Selon l'Arrêté du 28 Janvier 1993 et les circulaires d'application 93-17 du 28 Janvier 1993 et du 28 Octobre 96, relatifs a la mise en conformite de la protection contre la foudre des sites classés comprend aussi la protection contre ses effets secondaires.
La protection conseillée
Sans obligation, elle est conseillée pour les bâtiments dont l'affectation, le caractère ou la situation nécessite la sécurité d'exploitation.
EMPLACEMENT DES POINTES PARATONNERRES
Il est recommandé d'appliquer les règles de calculs des hauteurs et des distances protégées selon la Méthode des sphères fictives selon la norme NFC 17 102. Pour des raisons économiques, on pourra choisir des critères de protection basés sur des dimensions jusqu'à 45 m, offrant le niveau de protection III, c'est à dire capables de couvir les courants de foudre de 10 KA, qui représentent jusqu'à 80 % des coups de foudre estimés.
REMARQUES
- La simple pose de pointes paratonnerres (ou de dispositifs apparentés comme des fils tendus, cage de Faraday …) n'est pas suffisante pour assurer la protection contre la foudre. Il faut tenir compte maintenant des effets secondaires, à la fois de cette protection elle-même, et ceux des arcs parcourant l'espace qui génèrent des ondes électromagnétiques puissantes.
- Malgré une analyse fine des textes officiels relatifs à ce type de protection, il n'existe pas de doctrine claire à ce sujet, et dans de nombreux cas pratiques cette protection est considérée comme une option ou un "plus", ce qui se révèle parfois catastrophique dans les sites sensibles.
- La présentation d'un dossier peut évoluer avec le temps ou avec les organismes intéressés, mais la physique des choses reste immuable, ce qui finalement se traduit par quelques airs de famille entre différents dossiers nationaux ou internationaux sur le sujet.
- Nous n'allons pas évoquer les différentes techniques floues en vogue actuellement (les plus avancées parlent de CEM), mais faire cette étude avec l'approche claire de la Méthode de Zéro qui est scientifique et ne s'intéresse qu'à la physique des évènements.
- Bon nombre de difficultés dans la protection contre la foudre commencent avec la mise en place des pointes paratonnerres ! :
* Certains organismes refusent purement et simplement leur pose qui peut s'avérer comme un élément déclencheur d'incendie (étincelage direct par exemple en pétrochimie …). Pour eux, il ne s'agit pas simplement d'être "mis en conformité" mais d'abord de protéger le site.
* Attention ! Certains dispositifs n'ont pas l'étiquette "partonnerre" mais ils en ont le comportement : clôtures métalliques, portails métalliques, lampadaires, garde-corps, balises, girouette, câble aérien …
* Les chemins d'écoulements des courants des arcs de foudre vont contaminer directement ou indirectement d'autres circuits dans le site que l'on veut protéger.
* Enfin, un impact de foudre à bonne distance du site va créer une onde électromagnétique puissante qui va "l'illuminer" et pourra ainsi créer des perturbations diverses en tension et en courant dans ses différents circuits.
HYPOTHESES DE BASE CONDUITES PAR LA METHODE DE ZERO
Rappelons que la Méthode de Zéro impose l'absence de tension et de courants perturbateurs autour d'un équipement sensible : v=0 & i=0.
Les courants de foudre n'en font pas exception et en simplifiant, on se demande s'il est raisonnable de faire circuler les courants de foudre dans les circuits de masse des appareillages sensibles par exemple, à cause de la recherche de l'équipotentialité simple.
On obtient un raisonnement similaire pour les phénomènes induits lors de l'illumination du site par un impact de foudre lointain.
ETUDE DE PROTECTION CONTRE LES EFFETS SECONDAIRES DE LA FOUDRE
Une étude commence par le développement des risques que présente le site à protéger vis à vis de la foudre, et quels sont les facteurs aggravants ou déclenchants. Une étude des dangers latents dans le site peut être une étape préliminaire plus en amont encore.
Les conclusions de cette étude débouchent un certain nombre de protections indispensables à mettre en place, en tenant compte des compromis technico-économiques de réalisation et de faisabilité. De manière concrète les éléments ci-après se rencontrent assez fréquemment.
ELEMENTS TYPES DE PROTECTION CONTRE
LES EFFETS SECONDAIRES DE LA FOUDRE
POINTES PARATONNERRES (POUR RAPPEL)
La pointe paratonnerre étant localisée, elle sera raccordée à une descente de 30 x 2 mm en cuivre étamé isolée ou un câble isolé de section équivalente pour le raccordement à la Terre foudre. La disposition conciliera l'esthétique, des longueurs minimum et des rayons de courbures supérieurs à 20 Cm.
ORIGINALITES DE L'ECOULEMENT DU COURANT DE FOUDRE
L'écoulement des charges électriques de foudre s'effectue au plus court par des plaques enterrées pour la HF, et par le réseau maillé traditionnel de Terre pour l'énergie en BF. Le Séparateur de Terre TER 80 A effectue l'aiguillage HF/BF. Il a le comportement d'un morceau de câble de terre qui serait placé dans le champ d'un noyau magnétique. Lorsque des masses métalliques importantes existent à proximité de la descente et qu'il est nécessaire de les raccorder à celle-ci pour respecter la normalisation et la sécurité, cette interconnexion se réalise aussi à l'aide d'autres Séparateurs de terre de calibres appropriés.
Cette technique évite de choisir un éloignement spécifique pour l'interconnexion sur le réseau maillé de terre comme il est recommandé de procéder à cette liaison obligatoire (Normalistion et sécurité des personnes).
La descente sera isolée à l'aide d'une enveloppe en matière isolante à la remontée du sol jusqu'à une hauteur de 2 m pour éviter tout contact électrique éventuel. Un joint de contrôle permet de vérifier la résistance de terre qui doit être inférieure à 10 Ohms.
PRISES DE TERRE PAR PLAQUES
Les prises de Terre foudre seront réalisées exclusivement en enterrant 2 plaques métalliques en acier inoxydable ou en cuivre, du type plaque perforée de 1 à 2 mm d'épaisseur, et d'une surface de 1 à 1,5 m2. Elles font office de condensateur dans le sol pour diffuser le spectre HF du courant de foudre. Les plaques seront enterrées en oblique à 45°, dans une profondeur minimum d'un mètre, selon les possibilités du terrain. Elles seront disposées selon un triangle équilatéral d'environ 3 m de côté, la jonction se faisant au sommet, sur une bride à 3 voies, pour faciliter des mesures de contrôle d'isolement et de résistance.
Les emplacements recommandés évitent les promiscuités indésirables avec d'autres masses métalliques, des canalisations etc ….
Le remplissage des trous se fera de préférence en terre végétale mélangée à de la poudre graphitée pour obtenir un bon contact électrique et une faible résistance de Terre après arrosage d'eau et tassement.
CREATION DE PLUSIEURS RESEAUX DE TERRE ET DE MASSE PSEUDO-ISOLES
Rappelons que l'inductance spécifique Séparateur de Terre a le comportement d'un morceau de câble de terre qui serait placé dans le champ d'un noyau magnétique. Elle n'agit qu'en Haute-Fréquence, et sa présence en Basse-Fréquence est un court-circuit fait par le câble qui la compose. Une certaine multiplication des Ter garantie la bonne efficacité du maillage pour la sécurité des biens et des personnes. Elle ne gène pas le comportement HF. L'avantage de cette technique réside dans la pose d'éléments à constantes localisées qui est plus précise que les techniques habituelles dont les constantes sont réparties.
Cet artifice permet de disposer localement de plusieurs circuits indépendants au plan des perturbations radioélectriques tout en étant maillés au plan de la protection des personnes et de la règlementation. Dans un gas général, on peut envisager les plans de masses pseudo-isolés suivants :
- Réseau maillé traditionnel du bâtiment - PE
- Réseau de Terre sensible (totalement pseudo-isolé) -PES
- Réseau de Terre foudre (totalement pseudo-isolé) - PEF
- Réseau de Terre pollué en électronique de puissance (une extrémité pseudo-isolée) PEI
DISTRIBUTION D'ENERGIE SECTEUR TRIPHASE 230 / 400 V eff
Le durcissement des sources d'énergie électrique du secteur ou d'une tension Onduleur se fera à l'aide de condensateurs de rattrapage cos Ø disposés aux nœuds principaux de cette distribution dont la fonction est de filtrer les perturbations HF. Ce filtrage est complété en mode commun par une cellule Filtre Amortisseur d'Ondes FAO qui constitue le dernier étage d'un filtre passe-bas, utilisant les constantes réparties des principaux équipements en amont (capacité de liaison, inductance sub-transitoire …).
Lorsque la source provient d'un transformateur d'isolement BT/BT par exemple, ce dernier sera avantageusement du type :
- Primaire en Triangle 400 V, Neutre non utilisé, isolement renforcé au primaire
- Secondaire en Etoile 230 V, Neutre à la Terre, distribué.
Schéma du dispositif de filtage et de durcissement de la distribution (Exemple en Régime de Neutre IT)
Le filtrage global est effectué par un jeu de condensateurs de cos Ø développant au total environ 5% (de 3 à 8 %) de la puissance nominale du transformateur séparateur, impérativement câblés en Etoile et protégés par des fusibles gi (Les disjoncteurs présentent des inductances élevées, sont à proscrire).
Au départ de la source en Régime de Neutre TNS, le FAO est inutile.
On retrouvera ce schéma partiellement ou en totalité à l'intérieur de la distribution, en fonction des longueurs de câbles et des équipements raccordés. Cette protection intermédiaire sera alors aussi valable pour le régime de Neutre TNS dont les performances se dégradent avec l'éloignement de la source.
Généralisation des calculs, exemple de tableau en Triphasé
Mnémotechnique en Triphasé 230/400 V
On peut remarquer dans ce tableau que :
- La valeur du condensateur en µF égale la valeur de la puissance en KVA.
- On peut remarquer aussi que la valeur du condensateur en µF égale 0,7 fois la valeur du courant nominal d'utilisation en Ampères.
DISTRIBUTION D'ENERGIE EN COURANT CONTINU
Certaines configurations mettent en œuvre des sources flottantes à courant continu 12 - 24 - 48 - 125 … V Cc pour des fonctions diverses (ES d'automates, relayages etc …). Ces sources constituent aussi des nœuds de distribution que l'on doit traiter de manière analogue aux sources d'énergie secteur.
Il faut prévoir la pose d'un FAO C sur les sources dont la distribution utilise des longueurs de fils importantes. Selon les circonstances, d'autres cellules doivent être installées à mi-chemin, ou en extrémité de distribution.
BLINDAGES DES CABLES, FEUILLARDS, CABLES DE RESERVE
Lorsque les câbles d'interconnexions, généralement à multiples brins isolés torsadés et blindés ou encore coaxiaux, relient un matériel sensible à des circuits extérieurs lointains, on a intérêt à bien utiliser la fonction isolante de l'interface éloignée en ne raccordant pas la masse du côté du potentiel lointain pour éviter des courants de circulation dans le blindage qui fausseraient les signaux.
Par contre il faut impérativement raccorder ce blindage à la masse du côté automate de manière à étendre la protection des écrans de masse sur les ramifications de l'automate.
Cette connexion (contre-poids électrique) doit être courte et de bonne qualité, raccordée elle-même au point de masse du châssis qui met ce châssis au potentiel de la Terre du local immédiat, dite Terre de fait. Elle fait circuler du courant par effet d'antenne, qui ne doit pas emprunter d'autres chemins vers la Terre.
Il en va de même pour les feuillards qui peuvent armer un ensemble de câbles de transmissions de données, blindés ou non, mais pour respecter la sécurité des personnes, et par tronçons, il convient de les connecter aussi à la Terre du réseau maillé mais au travers d'inductances Séparateur de Terre de manière à conserver l'isolement fictif en HF.
Le raccordement à la masse des 2 côtés ne peut se faire qu'à 3 conditions :
- Si la distance de séparation est relativement courte (il y a peu de chances de recevoir un courant de circulation)
- S'il est possible d'interposer autour du câble blindé transportant des signaux un élément magnétique (ferrites) créant une inductance fictive sur tous les conducteurs afin de limiter le courant de circulation. Cette technique arrive à être satisfaisante en antiparasitage, mais n'est pas performante pour la protection contre les forts courants de foudre.
- S'il ne passe pas de courant de circulation dans le blindage (cas des installations saines)
- S'il s'agit de transmissions inertes (énergie, auxiliaires à haute immunité au bruit, signaux pollueurs …).Dans ce cas, le blindage et/ou le feuillard participent au renforcement du maillage du réseau de masse.
Les câbles de réserve doivent être considérés comme des antennes et à ce titre impérativement raccordés au même plan de masse "Contre-poids" des feuillards et blindés.
Variante
Dans l'hypothèse où les dispositifs qui sont connectés aux 2 extrémités d'un câble blindé par exemple, ont le comportement intégral d'un équipement sensible, et non pas pour l'un des deux au moins, celui d'une interface isolée, il est obligatoire de créer cette fonction interface à l'aide de plusieurs artifices :
- Transformateur à isolement renforcé
- Relayage
- Modem
- Fibre optique
- Inductance de Choc
Le schéma ci-avant montre une telle fonction interface pour une liaison par une paire téléphonique aérienne, où l'Inductance de Choc acceptera quelques KV entre Entrées et Sorties en mode commun.
SURVEILLANCE DE LA QUALITE "ELECTROMAGNETIQUE"
Elle ressemble à la surveillance des isolements pour la sécurité d'exploitation et des personnes, aussi bien sur le fond que sur la forme. Une vérification après travaux permet de définir les performances d'origine. Ensuite, les mesures datées sont consignées.
La mesure de cette qualité électromagnétique se réalise selon l'organisation suivante :
- Aux départs des sources d'énergie entre Neutre et phases et Terre, idem pour les sources à courant continu, entre polarités et polarités et la Terre.
- Aux divisions des sources d'énergie dans les coffrets ou armoire divisionnaires, entre les points précédemment décrits,
- Dans les systèmes, entre les Zéros de référence et les bâtis métalliques.
- A l'utilisation des signaux entre les fils supportant les potentiels de référence et la masse.
Toute valeur supérieure à un seuil de l'ordre du Volt est suspecte et impose une recherche et une interprétation.
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