Si vous travaillez suffisamment longtemps à proximité des systèmes électriques, vous commencez à développer un respect sain pour la foudre. Ce n’est pas le genre de respect romantique que les gens ont lorsqu’ils regardent une tempête s’abattre sur les montagnes. Le type pratique, le genre qui vous oblige à vérifier-vos connexions de mise à la terre avant un travail et à demander à l'ingénieur du site si la ligne de distribution est aérienne ou souterraine.
Les parafoudres font partie de ces dispositifs auxquels la plupart des personnes extérieures à l’industrie électrique n’ont jamais pensé, même s’ils protègent silencieusement presque tous les bâtiments, sous-stations et tours de communication dans le monde. Cet article explique ce qu'ils sont, comment ils fonctionnent, quels types existent et pourquoi le choix du parafoudre est plus important que de nombreux acheteurs ne le pensent.
Parafoudres
Ce que fait réellement un parafoudre
À la base, un parafoudre est un dispositif de limitation de tension-. Il est connecté entre un conducteur électrique et la terre et ne fait absolument rien dans des conditions normales de fonctionnement. Au moment où une surtension arrive, que ce soit à cause d'un coup de foudre direct sur une ligne électrique ou d'un pic de tension qui se produit lorsqu'un gros transformateur s'éteint, le parafoudre s'active, crée un chemin temporaire à faible résistance vers la terre et canalise l'énergie de surtension loin de tout ce qui est en aval. Une fois la surtension passée et la tension de ligne retombant à la normale, le parafoudre revient à son état inactif.
Cette dernière partie mérite d’être notée. Contrairement à un fusible, qui se sacrifie pour protéger un circuit, un parafoudre correctement évalué est conçu pour gérer les surtensions répétées sans s'éteindre. Il se réinitialise automatiquement et, dans la plupart des cas, l'équipement qu'il protège n'enregistre même jamais que quelque chose s'est passé.
La comparaison que je trouve la plus utile est celle d’un drain dans un évier. L'eau s'écoule à un rythme normal et le drain continue sans aucun effort. Mais lorsque quelqu’un y jette un seau plein d’un coup, le drain gère la montée subite et l’évier ne déborde pas. Le parafoudre est le drain. Le transformateur, l’appareillage, l’électronique sensible à l’intérieur du bâtiment constituent l’évier.
Où le nom prête à confusion
L’une des premières choses que les gens rencontrent lorsqu’ils commencent à faire des recherches sur ce sujet est un tas de terminologies qui se chevauchent. Parafoudre, parafoudre, parasurtenseur, inverseur de surtension, isolateur de foudre. Ces termes sont parfois utilisés de manière interchangeable, et parfois ils signifient des choses vraiment différentes selon qui parle et dans quel contexte.
Voici une façon pratique de réfléchir aux distinctions :
Un paratonnerre (techniquement appelé aérogare) est un dispositif externe monté au sommet d'une structure. Son travail consiste à intercepter une frappe directe et à donner au courant un chemin contrôlé vers le sol via un conducteur de descente. Il protège la structure du bâtiment contre l’incendie ou les dommages physiques. Cela ne fait rien pour l’équipement électrique à l’intérieur.
Un parafoudre au sens traditionnel fait référence aux appareils installés sur les pylônes de transmission et les lignes de distribution extérieures. Ceux-ci interceptent l’énergie de pointe circulant le long de la ligne et la détournent avant qu’elle n’atteigne une sous-station ou un bâtiment. Dans de nombreuses conceptions, le parafoudre n'établit pas de contact direct avec le conducteur de ligne. Il est placé en parallèle et ne s'active que lorsque la tension dépasse un seuil défini.
Un parafoudre ou un parasurtenseur est installé à l’intérieur d’un bâtiment, généralement au niveau du panneau électrique principal. Il gère les surtensions transitoires qui ont déjà traversé les couches de protection extérieures.
Une protection complète nécessite les trois. Un paratonnerre sans parafoudre sur la ligne d'arrivée laisse toujours le système électrique exposé aux surtensions transportées le long des conducteurs. Un parafoudre sur la ligne sans parasurtenseur au niveau du panneau- laisse le dernier kilomètre sans protection. Ignorer complètement le paratonnerre signifie qu’une frappe directe sur le bâtiment peut submerger tout le reste. Chaque couche gère une menace différente et est censée fonctionner ensemble.
Comment fonctionne l'appareil à l'intérieur
La plupart des parafoudres modernes sont construits autour de varistances à oxyde métallique, communément appelées MOV. Le matériau actif est de l'oxyde de zinc, comprimé en disques et empilé à l'intérieur du boîtier du parafoudre. L'oxyde de zinc a une propriété utile : sa résistance électrique change considérablement en fonction de la tension appliquée à ses bornes.
À tension secteur normale, l’oxyde de zinc présente une résistance extrêmement élevée. Presque aucun courant ne le traverse et le parafoudre est effectivement invisible pour le circuit. Lorsqu'une surtension pousse la tension au-dessus du niveau de protection du parafoudre, la résistance de l'oxyde de zinc chute de plusieurs ordres de grandeur en microsecondes. Le courant traverse le parafoudre et pénètre dans le sol, contournant l'équipement protégé. Lorsque la surtension se termine et que la tension revient à la normale, la résistance remonte et le parafoudre redevient silencieux.
Les conceptions antérieures utilisaient des éclateurs et des disques en carbure de silicium plutôt que de l'oxyde de zinc, et vous les trouverez encore dans les installations plus anciennes. Le parafoudre, par exemple, n'est constitué que de deux tiges métalliques rapprochées avec un petit entrefer entre elles. Lorsque la tension devient suffisamment élevée, l’air s’ionise et une étincelle franchit l’espace, fournissant ainsi un chemin de décharge. Simple et robuste, mais imprécis, et l'arc ne s'éteint pas proprement, ce qui peut entraîner des problèmes ultérieurs dans le système. Les parafoudres de type valve- ont ajouté des blocs de carbure de silicium pour aider à limiter le courant de suivi après une surtension, améliorant ainsi la conception de l'espacement des tiges tout en restant en deçà de ce que la technologie MOV pourrait éventuellement offrir.
Le tableau ci-dessous donne une comparaison rapide des principaux types de parafoudres que vous êtes susceptibles de rencontrer :
| Taper | Principe de fonctionnement | Plage de tension | Utilisation typique |
|---|---|---|---|
| Écart de tige | Ionisation de l'air à travers un espace fixe | Faible à moyen | Protection de transmission de base, systèmes plus anciens |
| Écart de corne | L'arc s'éteint à mesure que l'écart se creuse | Moyen | Distribution rurale, sous-stations existantes |
| Type de vanne (SiC) | Les limites du carbure de silicium suivent le courant après les incendies d'espacement | Moyen à élevé | Protection du réseau hérité |
| Oxyde métallique (MOV) | Varistance ZnO, sans éclateur, auto-réinitialisation | Faible à très élevé- | Sous-stations modernes, lignes de distribution, panneaux de distribution |
| Parafoudre en polymère | Noyau MOV avec boîtier en caoutchouc de silicone | Distribution à haute tension | Lignes extérieures, environnements côtiers et industriels |
| Classe de gare | MOV haute-capacité, absorption d'énergie maximale | Très élevé à ultra élevé- | Grandes sous-stations, protection des générateurs |
Pourquoi le matériau du logement n'est pas un détail mineur
Pendant la majeure partie du XXe siècle, les boîtiers des parafoudres étaient en porcelaine ou en verre trempé. Les deux matériaux font le travail de manière adéquate dans des environnements propres et stables. Mais adéquat n’est pas synonyme d’idéal, et l’expérience sur le terrain au fil des décennies a clairement montré les limites.
La porcelaine est lourde. Sur une tour de transmission traversant un terrain difficile, le poids des parafoudres en porcelaine s'additionne. Plus important encore, la porcelaine se brise violemment lorsqu'un appareil tombe en panne dans des conditions de surtension extrêmes. Un boîtier en porcelaine qui explose sur une structure de sous-station sous tension crée un grave danger pour toute personne travaillant à proximité et peut déclencher des défauts secondaires dans les équipements qui l'entourent.
Le verre a des problèmes similaires. Les deux matériaux accumulent également de la pollution au fil du temps, en particulier dans les régions côtières où les embruns salins se déposent à la surface, ou à proximité des sites industriels où les contaminants chimiques sont courants. Une surface en porcelaine ou en verre sale peut développer une conductivité suffisante pour provoquer un contournement par temps humide, ce qui va à l'encontre de l'objectif initial d'un parafoudre.
Le passage aux boîtiers en polymères, en particulier aux composites de caoutchouc de silicone, a résolu la plupart de ces problèmes de manière pratique. UNParafoudre en polymèrepèse généralement 80 à 90 pour cent de moins qu’une unité en porcelaine de même tension nominale. La surface en caoutchouc de silicone est naturellement hydrophobe, ce qui signifie que l'eau perle plutôt que de se disperser en un mince film conducteur. Cette propriété hydrophobe se rétablit même après que la surface ait été contaminée et nettoyée, ce qui est une caractéristique que les matériaux céramiques n'ont tout simplement pas.
Lorsqu'un parafoudre polymère tombe en panne, il tombe en panne de manière contrôlée. Le boîtier se fissure ou s'évapore plutôt que d'exploser. Cela est très important en termes de sécurité du personnel et de prévention des dommages en cascade aux équipements à proximité.
Rien de tout cela ne signifie que les parafoudres en porcelaine sont obsolètes. Ils fonctionnent toujours de manière fiable dans de nombreuses installations existantes et il existe des applications où leurs propriétés thermiques offrent des avantages. Mais pour les nouvelles constructions, en particulier sur les lignes de distribution extérieures dans des environnements difficiles, il est difficile de contester les arguments techniques en faveur des boîtiers en polymère.
Parafoudre en polymère VICTORY
Installation et mise à la terre
Un parafoudre mal mis à la terre ne protège vraiment rien. L'appareil peut détourner le courant de surtension vers la borne de terre autant qu'il le souhaite, mais si l'électrode de terre a une résistance élevée ou si le conducteur reliant le parafoudre à la terre est trop long, l'énergie de surtension ne se dissipera pas assez rapidement et une tension dommageable apparaîtra toujours aux bornes de l'équipement protégé.
Le conducteur de terre doit être aussi court et direct que possible. Chaque mètre supplémentaire de conducteur ajoute une inductance, ce qui se traduit par une tension supplémentaire en cas de surtension. L'électrode de terre elle-même, qu'il s'agisse d'une tige entraînée, d'une plaque enterrée ou d'une électrode -enrobée de béton dans les fondations du bâtiment, doit atteindre une résistance suffisamment faible pour répondre aux exigences de protection du système. Dans la plupart des applications de distribution, cela signifie une résistance de terre de 10 ohms ou moins, et dans les installations électroniques sensibles, la cible est souvent inférieure à 1 ohm.
Dans les sous-stations, des parafoudres sont installés à chaque borne de transformateur et sur chaque ligne entrante et sortante. Ce positionnement garantit que les surtensions se propageant le long de n'importe quelle ligne sont interceptées avant qu'elles ne puissent atteindre les enroulements du transformateur, qui comptent parmi les composants les plus coûteux et les moins remplaçables d'une sous-station. Dans les bâtiments résidentiels et commerciaux légers, un parafoudre dans tout le bâtiment-au niveau du panneau d'entrée de service est l'approche standard, parfois complétée par des-dispositifs au point d'utilisation-sur des équipements sensibles tels que des serveurs ou des instruments médicaux.
Choisir le bon parafoudre
Choisir un parafoudre dans le commerce en se basant uniquement sur la tension nominale est une erreur courante. Plusieurs paramètres doivent correspondre à l'application.
La tension de fonctionnement continu (COV) doit être au moins égale à la tension continue maximale que le parafoudre verra pendant le fonctionnement normal du système, y compris toute augmentation de tension se produisant en cas de défaut. Un sous-dimensionnement du COV entraîne un emballement thermique, où le parafoudre chauffe sous une tension normale et finit par tomber en panne.
La classe énergétique détermine la quantité d'énergie de surtension que le parafoudre peut absorber sans être endommagé. Un appareil confronté à des impacts fréquents ou à haute énergie-, comme un parafoudre sur une ligne de transmission exposée au sommet d'une colline, a besoin d'une classe énergétique plus élevée que celui protégeant un panneau intérieur dans un environnement à faible-exposition.
Le niveau de protection, exprimé sous forme de tension résiduelle à un courant de décharge nominal, détermine la quantité de tension que l'équipement protégé verra réellement lors d'une surtension. Une tension résiduelle plus faible signifie une meilleure protection pour les équipements sensibles, mais signifie aussi généralement un prix plus élevé. Le niveau de protection doit être adapté à la résistance aux chocs de tout ce qui se trouve en aval.
La gamme de produits Parafoudre en polymère répond à bon nombre de ces exigences de sélection sur une large plage de tension. Pour les applications de distribution extérieure, la combinaison de la technologie MOV et du boîtier en caoutchouc de silicone couvre la plupart de ce que recherchent les opérateurs de réseau modernes en termes de performances, de poids et de fiabilité à long terme-dans des environnements difficiles.
Une note sur les normes
Les parafoudres destinés aux applications utilitaires et industrielles sont testés selon la norme CEI 60099 ou IEEE C62, selon le marché. Ces normes couvrent tout, depuis les tests de fonctionnement qui simulent des coups de foudre répétés jusqu'aux tests de pollution qui exposent le boîtier au brouillard salin et aux contaminants industriels sur des périodes prolongées. L'achat de parafoudres certifiés selon ces normes n'est pas facultatif dans la plupart des applications professionnelles. C'est le seul moyen d'être sûr que l'appareil se comportera réellement comme prévu lorsqu'une véritable surtension surviendra.
Acheter des parafoudres non certifiés pour économiser de l'argent sur un système de protection de sous-station est une fausse économie. Le coût d’un transformateur ou d’un appareillage de commutation défectueux éclipsera plusieurs fois le coût des parafoudres.
Pensée finale
La protection contre la foudre est l'un de ces domaines où l'ingénierie est bien comprise et où les outils nécessaires pour effectuer le travail correctement existent et sont largement disponibles. La plupart des échecs en matière de protection contre la foudre ne proviennent pas d'une technologie inadéquate, mais de raccourcis pris lors de la conception ou de l'installation, de produits inappropriés spécifiés pour l'environnement ou du système de mise à la terre négligé parce qu'il est invisible et peu glamour.
Un parafoudre installé correctement, au bon endroit, avec les valeurs nominales appropriées et connecté à une terre solide, protégera l'infrastructure électrique pendant des décennies sans pratiquement aucun entretien. Il s’agit d’un retour raisonnable sur un investissement modeste, ce qui explique probablement pourquoi ce dispositif fait partie intégrante de la conception des systèmes électriques depuis les débuts de la distribution électrique.