Nouveaux concepts de protection contre la foudre

17/07/2017
Auteurs : Régis Reeb
Publication REE REE 2017-3 Dossier La foudre
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-3:19462
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Nouveaux concepts de protection contre la foudre

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74 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 Introduction L’efficacité du système de protec- tion contre la foudre des bâtiments et de leur installation électrique dépend de plusieurs paramètres : la protection contre les impacts directs par l’instal- lation d’un système de capture adé- quat et de conducteurs de descente appropriés, respectant la distance de séparation pour éviter les cou- rants de foudre partiels entrant dans le bâtiment, mais également la prise en compte de la protection des per- sonnes. La distance de séparation est la dis- tance entre deux parties conductrices telle qu’aucune étincelle dangereuse ne puisse apparaître. Il y a deux solutions pour la respecter : - tection foudre (SPF) isolé : aucun Figure 1 : Répartition du courant de foudre dans un bâtiment avec un SPF non isolé. Nouveaux concepts de protection contre la foudre Régis Reeb Directeur technique DEHN FRANCE Lightning protection of buildings and electrical installations requires the control of separation distances to avoid uncontrolled side flashes between the different systems and also protection against contacts. The use of isolated downconductors is a proper way to ensure reliable isolation between the Lightning Protection System (LPS) and the electrical installation in a building to be pro- tected. The paper describes the application and the design rules for the use of isolated downconductors to cope with the separation distance. An appropriate test method is applied to determine an equivalent separation distance. By using calculations as well as experimental verifications, different arrangements have been validated to allow an efficient pro- tection of antenna systems or tall structures like silos. Ano- ther innovative solution to reduce the separation distance has been proved efficient: integrate lightning protection sys- tems in concrete. It is clear that new concepts open new possibilities to protect buildings. ABSTRACT La protection contre la foudre des bâtiments et des installations électriques implique le contrôle des distances de séparation pour éviter les courants de foudre incontrôlés entre les différents systèmes mais éga- lement la protection contre les contacts. L’utilisation de conducteurs isolés est un moyen approprié d’assurer une isolation fiable entre le système de protection contre la foudre (SPF) et l’installation électrique dans un bâtiment à protéger. L’article décrit l’application et les règles de conception pour l’utilisation de conducteurs isolés pour le respect de la distance de séparation. Une méthode d’essai appropriée est appliquée pour déterminer une distance de séparation équivalente. En utilisant des calculs ainsi que des vérifications expérimentales, différentes solutions ont été validées en vue de permettre une protection efficace des systèmes de radiotéléphonie mobile ou des structures hautes comme les silos. Une autre solution innovante pour réduire la distance de séparation a fait ses preuves, à savoir intégrer les systèmes de protection dans le béton. Des concepts innovants ouvrent ainsi de nouvelles possibi- lités pour protéger les bâtiments. RÉSUMÉ REE N°3/2017 Z 75 Nouveaux concepts de protection contre la foudre élément du SPF (pointes de capture, conducteurs) ne doit être relié aux équipements en toiture ou en façade ; - tion foudre non isolé : on relie tous les éléments (pointes de capture, conduc- teurs) aux équipements en toiture et en façade mais il faut alors installer des parafoudres de type 1 conformes à la norme NF EN 61643-11 pour chacun des équipements. La figure 1 montre la répartition des courants de foudre dans un bâtiment où le système de protection (SPF) non iso- lé est relié à l’équipotentielle des pièces métalliques de la construction, via les parafoudres de l’installation électrique. Pour éviter les interférences possibles, un SPF isolé peut être érigé, qui est isolé électriquement des équipements conducteurs et des installations élec- triques situées à l’intérieur du bâtiment. Utilisation des conducteurs isolés Les conducteurs isolés ont été instal- lés plusieurs milliers de fois en France, en Europe et dans le monde. Aujourd’hui, il est rare que les dis- tances de séparation puissent être respectées en cas d‘installation de sys- tèmes de protection contre la foudre. C’est différent lorsque l’on réalise un système de protection isolé avec des conducteurs isolés qui, grâce à leur structure unique et à leur gaine spé- ciale, garantit le respect de la distance de séparation. Le conducteur isolé est composé d’un conducteur interne en cuivre doté d‘une isolation épaisse et résistante aux hautes tensions, ainsi que d’une gaine spéciale extérieure semi- conductrice résistante aux intempéries. En utilisant des conducteurs isolés con- formes au futur guide CEI TS 62561-8, l’isolement entre le SPF et les câbles électriques ou les équipements sur le toit reste efficace même s’ils doivent cheminer côte à côte. Le champ d’application est la protec- tion des installations électriques telles que l’éclairage, la ventilation, les équipe- ments en toiture, les caméras vidéo sur mât et les stations de radiotéléphonie mobiles. Conducteurs coaxiaux avec blindage semi-conducteur comme conducteurs isolés En revêtant des conducteurs mé- talliques avec des matériaux isolants à haute résistance électrique, la dis- tance de séparation peut être réduite. Cependant, la résistance électrique de l’ensemble du système de protection contre la foudre dépend toujours de l’agencement lui-même et de la pro- gression des décharges rampantes [5]. Afin de satisfaire aux exigences d’un conducteur de descente isolé et d’évi- ter les courants de foudre partiels via la gaine conductrice du câble mis à la terre, des câbles coaxiaux spéciaux re- couverts d’un revêtement semi-conduc- teur ont été développés [4], [5]. Le raccord d’entrée de ce conduc- teur est réalisé par l’intermédiaire d’une connexion au système de capture et d’une connexion spécialement conçue à la liaison équipotentielle montée à une distance dépendante de la distance de séparation (figure 3). Si aucune mesure complémentaire n’est prise, des tensions de choc éle- vées causent des contournements à la surface du matériau isolant. Cet effet est également connu sous l’appellation de décharge rampante. Si la tension de seuil de la décharge rampante est dé- passée, une décharge superficielle est amorcée qui peut facilement générer un Figure 2 : Installation de conducteurs isolés pour la protection d’un système photovoltaïque. Figure 3 : Champ électrique d’un conducteur isolé avec liaison équipotentielle. 76 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 contournement électrique sur une dis- tance de plusieurs mètres. Pour éviter la décharge rampante, les conducteurs iso- lés sont équipés d’une gaine extérieure spéciale qui permet de décharger les tensions de choc de foudre élevées à un potentiel de référence. Pour des raisons fonctionnelles, un raccordement est établi dans la zone de terminaison entre la gaine extérieure semi-conductrice et le réseau équipotentiel du bâtiment. Le raccordement au réseau équipotentiel peut être réalisé par exemple sur les structures reliées à la terre installées sur les toits métalliques situées dans le volume protégé du système de protec- tion contre la foudre, sur les éléments reliés à la terre de la structure du bâti- ment ou les pylônes de communication ne transportant pas la tension de foudre ou encore le conducteur de protection du système basse tension. La gaine semi-conductrice conduit à une répartition du champ électrique égalisée à la surface du conducteur de descente isolé et évite l’apparition des décharges rampantes (figure 4). Le re- vêtement semi-conducteur permet un potentiel égalisé et une répartition de champ sur la surface de la zone de termi- naison du conducteur de descente isolé. En se basant sur la distance de sépa- ration s requise, la longueur maximale Lmax d’un tel conducteur isolé peut être calculée comme suit : Avec : m : facteur dépendant du matériau d’isolation électrique i : facteur dépendant de la classe de SPF c : facteur dépendant de la distribu- tion du courant de foudre Au cours des dernières années, les conducteurs de descente isolés qui ont été conçus étaient capables d’assurer des distances de séparation équiva- lentes dans l’air jusqu’à s ) 0,90 m. Pour obtenir la résistance électrique requise, la rigidité diélectrique de l’isolant du conducteur dans la zone de terminaison doit être ajustée avec précaution. Le re- vêtement semi-conducteur est relié au système de capture et au système de liaison équipotentiel par l’intermédiaire de bornes spécialement conçues. Des exemples de mise en œuvre : à protéger comme par exemple des groupes froids, il sera préférable de développer un concept global pour l’ensemble du bâtiment et non indivi- duellement pour chaque équipement ; être utilisé comme conducteur naturel et il servira alors à distribuer le courant c ). Lors de la connexion des conducteurs isolés à l’acrotère, il ne faut pas oublier de mettre en œuvre la zone de termi- naison sur le conducteur isolé ; lement être utilisés pour protéger les antennes omnidirectionnelles (c'est- à-dire émettant leurs signaux sur 360 °). Dans cette application, l'unité à protéger doit être située dans la zone de protection de la pointe de capture. Avec la mise en œuvre de conduc- teurs isolés en parallèles, il peut se pro- duire des interactions magnétiques et il faut veiller à ce qu’une distance minimale soit conservée. Le coefficient de distribu- c peut être calculé. Il est nécessaire de respecter les notices d’installation des différents fabricants pour la mise en œuvre des conducteurs isolés. Les essais sur les conduc- teurs isolés selon le guide IEC TS 62561-8 Un dispositif d’essai approprié a été décrit dans différentes contributions [3], [5], [6] et est actuellement proposé à la CEI [2] pour être mis en œuvre dans le cadre d'une procédure d’essai normalisée qui permet une comparaison de la rigidité diélectrique du conducteur isolé soumis à une certaine tension d’impulsion avec celle d’un éclateur dans l’air (figure 5). Figure 4 : Construction du conducteur isolé (avec contrôle de champ). Figure 5 : Essai de la résistance diélectrique utilisant un arrangement de comparaison. REE N°3/2017 Z 77 Nouveaux concepts de protection contre la foudre Pour les essais diélectriques, deux sections potentielles, l’une au début et à la fin du conducteur isolé sont requises et testées. Le volume du matériau isolant testé est défini par la longueur l2 du tuyau métallique mis à la terre (figure 6). La figure 7 montre la configuration d’essai et la tension appliquée à un conducteur isolé (distance de séparation équivalente 0,75 m) testée avec des ten- On peut s’assurer par ces essais qu’une telle décharge est contrôlée de manière sûre et répétée par le revête- ment semi-conducteur et le conducteur lui-même. En plus de l’essai diélectrique, les conducteurs isolés, y compris leurs raccords, doivent être testés pour sup- porter un courant de foudre. La figure 8 montre le dispositif d’essai en labora- toire et la figure 9 est une vue schéma- tique de la configuration d’essai. Enfin la figure 10 illustre l’essai réussi d’un conducteur isolé comprenant ses bornes et connecteurs pour un courant Figure 6 : Conducteurs isolés - préparation des échantillons. Figure 7 : Configuration d’essai pour le test diélectrique sur un conducteur isolé. Figure 8 : Dispositif d’essai en laboratoire pour tester la capacité de charge. Figure 9 : Vue schématique de la configuration d’essai. Figure 10 : Courant d’impulsion appliqué au test. 78 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 Protection foudre intégrée dans le béton Une installation de protection foudre intégrée dans le béton selon la norme NF EN 62305-3 constitue pour les nou- veaux bâtiments une solution viable financièrement prenant en compte des exigences d’esthétisme croissantes, tout en garantissant la sécurité et les fonctionnalités d’un bâtiment mais éga- lement en limitant les distances de sé- paration. Cette solution est représentée sur la figure 11. La planification et la conception d‘un système de protection foudre intégré au béton doivent être effectuées avec une attention particulière. Par conséquent, la phase de planification doit se faire en étroite collaboration avec les archi- tectes, les spécialistes de génie civil et les bureaux d‘études spécialisés dans la protection foudre. Les composants de protection utili- sés pour l’installation de systèmes ex- térieurs de protection contre la foudre (paratonnerre) doivent satisfaire à cer- tains critères mécaniques et électriques pour garantir à la fois fiabilité et péren- nité. Les normes NF EN 62305 et NF C17-102 imposent l’utilisation de com- posants conformes à la série de normes NF EN 62561. Protection contre la tension de contact avec un conduc- teur isolé Toucher un conducteur de descente nu pendant l’impact de foudre signifie « danger de mort » même si le système de protection contre la foudre respecte les normes en vigueur. Des risques existent en particulier aux endroits très fréquentés comme des centres com- merciaux, des universités, des écoles maternelles, des théâtres et des cinémas surtout si des conducteurs de descente nus sont installés au niveau des entrées. La zone dangereuse est définie par une hauteur de trois mètres du sol et une dis- tance de trois mètres autour du conduc- teur de descente. Dans cette zone, le risque qu’une personne soit blessée en touchant le conducteur de descente peut être réduit par l’isolation du conducteur de descente au moyen d’une gaine d’au moins 3 mm d’épaisseur en polyéthy- lène réticulé avec une tension de choc Conclusion Les normes de protection contre la foudre exigent clairement la vérification des installations de protection foudre Figure 11 : Protection contre la foudre intégrée dans le béton. Figure 12 : Mise en œuvre d’un conducteur isolé pour la protection contre les tensions de contact. REE N°3/2017 Z 79 Nouveaux concepts de protection contre la foudre extérieure et intérieure, cependant dans la pratique cela n’est pas toujours fait ou n’est pas toujours correctement effec- tué du fait d’un manque de formation et d’information. Les systèmes de protection contre la foudre partiellement isolés sont éprou- vés et largement développés. Dans les grands systèmes complexes de protec- tion contre la foudre, le contrôle des dis- tances de séparation s’avère difficile et partiellement impossible. Les conducteurs de descente isolés sont testés pendant les essais pour prou- ver la tenue mécanique et thermique qui est déterminée par le conducteur interne, l’isolant et la gaine. Les applications présentées avec les conducteurs isolés et la protection foudre intégrée au béton offrent aux bureaux d’études et aux spécialistes une large gamme de possibilités pour main- tenir les distances de séparation entre le SPF et les installations électriques. Références [1] NF EN 62305-3, Ed.2: Protection contrelafoudre-Partie3:dommages physiques sur les structuresetrisques humains. [2] CEI TS 62561-8, Ed 1.0 Composants des systèmes de protection contre la foudre (CSPF) - Partie 8 : exigences pour les composants isolés SPF. [3] Zischank W., Wiesinger J., Hasse P., Insulators for Isolated or Partly Isolated Lightning Protection Systems to Verify Safety Distances, 23rd International Conference on Lightning Protection (ICLP), Firenze (1996), pp. 513-518. [4] D’Alessandro, F., On the applicability of isolated downconductors, VIII InternationalSymposiumonLightning Protection (SIPDA), Sao Paulo (2005), pp. 300-306. [5] Brocke, R., Zahlmann, P., Requi- rements on Isolated Downcon- ductors, Proceedings of the VIII International Symposium on Light- ning Protection (SIPDA), Sao Paulo (2005), pp. 295-300. [6] Beierl, O, Brocke, R., Rother, C., Simplified electrical test procedure for components of isolated LPS, Proceedings of the 30th International Conference on Lightning Protection (ICLP), Cagliari (2010), pp. 1109- 1–1109-9. L'AUTEUR Régis Reeb est directeur technique, France depuis sept ans. Il est forma- teur qualifié Qualifoudre niveau 4 et exerce des fonctions d’expert en normalisation dans les comités UF 81, UF 37 et U15-GT15.