Les parafoudres pour les nouveaux marchés du XXIe siècle

17/07/2017
Publication REE REE 2017-3 Dossier La foudre
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-3:19464
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Les parafoudres pour les nouveaux marchés du XXIe siècle

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80 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 Introduction En ce début de XXIe siècle, les nou- velles technologies se multiplient dans tous les domaines (énergie, communica- tion, sécurité, éclairage…) et conduisent à un déploiement exponentiel d’équipe- ments électriques sur les réseaux. Les bénéfices évidents de cette évolution sont indiscutables mais peuvent être limités par une perte de fiabilité, sou- vent inacceptable, de ces équipements due à leur sensibilité à des surtensions transitoires. La technologie du parafoudre apporte des solutions efficaces pour ac- compagner le déploiement de ces nou- veaux réseaux. Principes généraux Risque surtension et nouveaux réseaux L’ensemble des réseaux qui sont uti- lisés dans notre univers technologique est peuplés d’équipements performants, communicants mais de plus en plus sensibles aux perturbations électriques de tout ordre et notamment, aux surten- sions transitoires d’origine foudre. Cette tendance ne fait que s’aggraver, aussi la prise en compte du risque surtension par les opérateurs et utilisateurs de ces diffé- rents réseaux est-elle nécessaire pour en assurer la fiabilité attendue. Prise en compte normative Plusieurs normes et guides ont été élaborés afin d’informer le marché sur la problématique spécifique de l’expo- sition des matériels aux surtensions transitoires. Les documents initiaux sur les protections contre les surtensions étaient destinés aux installations inté- rieures à basse tension mais au fil du temps, des documents spécifiques aux « nouveaux » marchés ont été émis, tels que le photovoltaïque, l’éolienne, l’éclai- rage extérieur, etc. La technologie parafoudre Les parafoudres proposés aujourd’hui répondent aux exigences de protection et assurent correctement leurs fonc- tions, c’est-à-dire limiter les surtensions impulsionnelles à un seuil acceptable par les équipements terminaux et écou- ler les courants transitoires de façon répétitive. Les cas où la fonction de protection n’est pas assurée sont bien identifiés : mauvaise mise en œuvre du parafoudre (qualité du raccordement en mode parallèle entre les réseaux actifs et le réseau de masse), mauvaise loca- lisation du parafoudre (distance para- foudre/équipement excessive), mauvais dimensionnement du parafoudre par rapport au risque (non-prise en compte de l’impact direct). Toutes les informa- tions relatives à ces problématiques sont disponibles dans les guides spé- cifiques. Néanmoins, dans certains cas, des problèmes de « coordination » entre parafoudre et équipement peuvent ap- paraître du fait de la présence d’étage « parafoudre » intégré ou de très faible impédance d’entrée de l’équipement à protéger : dans ces cas spécifiques, des calculs ou des tests devront être réalisés pour valider une protection efficace. Le photovoltaïque Avec l’émergence massive de la tech- nologie photovoltaïque sur le marché à la fin des années 2000, le besoin de sécuriser ces installations vis à vis du risque de surtensions a vite été iden- tifié. La fragilité des matériels, l’exposi- tion ainsi que l’exigence de continuité de service ont rapidement conduit des professionnels à proposer des solutions. Le guide UTE C15-712-1 (installations PV raccordées au réseau de distribu- Les parafoudres pour les nouveaux marchés du XXIe siècle Christian Macanda Responsable Produits & Normalisation CITEL For decades, the risk of failures on surge vol- tages has been increasing due to the sensitivity of various electrical equipment connected to networks. Now, new technology is widely spreading and numerous devices are installed in risky conditions: outside and connected to several networks. Surge protectors (SPD) are becoming im- portant safety devices to guaranty the requested operation. This paper lists the different types of new networks and the relevant “surge protection” standards to apply. ABSTRACT Depuis des décennies, le risque de surtensions s’est accru en raison de la sensibilité des di- vers équipements électriques connectés aux réseaux. De nos jours, les nouvelles technologies se développent rapi- dement ce qui conduit à ce que de nombreux dispositifs soient installés dans des conditions à risque, qu’ils soient à l’extérieur ou connectés à divers réseaux. Les disposi- tifs de protection contre les surtensions (SPD en anglais) deviennent un important outil de sécurité pour garantir le fonctionnement requis. Cet article liste les différents types de réseaux et les normes pertinentes de protection contre les surtensions. RÉSUMÉ REE N°3/2017 Z 81 Les parafoudres pour les nouveaux marchés du XXIe siècle tion) décrit la contrainte et impose l’évaluation du risque de surtension : en fonction du type d’installation PV, du niveau de foudroiement local et de la longueur de déploiement des chaines de panneaux PV, la mise en œuvre des parafoudres à différents niveaux pourra être obligatoire. Les guides UTE C15- 712-2 (installations PV isolées) et UTE C15-712-3 (installations PV hybrides) publiés ultérieurement reprennent la même approche. En association, le guide CLC/TS50539- 12 définit la sélection des parafoudres en fonction de l’installation ainsi que leur mise en œuvre appropriée. Enfin, la norme de test des parafoudres destinés à la protection de l’accès DC de l’installa- tion PV, NF EN 50539-11, extrapolée de celle dédiée aux parafoudres pour réseau BT, définit les paramètres particuliers à la mise en œuvre des parafoudres sur le ré- seau de production PV (voir parafoudres « T1 PV » dans la figure 1). Bien évidemment, la protection de la partie AC devra être aussi considé- rée. Les articles 443 et 534 de la norme NF C15-100 et le guide CLC/TS61643-12 s’appliquent dans ce cas. Les parafoudres installés sur le réseau BT devront être conformes à la norme NF EN 61643- 11 (voir parafoudres “T1 AC” et “T2 AC” dans la figure 1). De plus, de nombreux incidents ont été répertoriés sur les interfaces de monitoring des sites PV de grande di- mension : en effet, les guides abordent peu cet aspect du risque alors qu’il convient de le traiter particulièrement. Des parafoudres appropriés doivent être mis en œuvre sur ces réseaux de données (voir parafoudres « Réseaux de Figure 1 : Protection « parafoudre » d’une installation photovoltaïque. PARAFOUDRE DC DE TYPE 1 ARAFOUDRE PARAFOUDRE AC TYPE 1 PARAFOUDRE AC TYPE 2 PARAFOUDRES POUR RÉSEAUX ONNÉES PARAFOUDRES POUR RÉSEAUX DE DONNÉES Réseau PV Réseau PV Réseau AC Réseau AC Réseau DATA Réseau DATA POUR R DE DO COFFRET PA 82 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 données » dans la figure 1). Le guide CLC/TS 61643-22 et la norme pro- duit NF EN 61643-21 seront les do- cuments de référence pour protéger correctement les réseaux de commu- nications. L’éolien Les sites de production d’énergie éo- lienne doivent aussi considérer le risque de perturbation par les effets indirects de la foudre. Mais plus que toute autre installation, le risque de foudroiement direct, du fait de leur évidente exposi- tion, doit être considéré. Concernant la protection contre les effets indirects de la foudre, un guide CENELEC est disponible (guide CLC/TS 50539-22). Celui-ci décrit le dimension- nement des parafoudres en fonction de leur localisation dans l’installation. Une attention particulière est requise pour la sélection des caractéristiques des parafoudres au niveau de la génératrice, qui peut créer en fonctionnement des surtensions de manœuvre répétitives et des surtensions temporaires en cas de défaut : les parafoudres devront être dimensionnés en conséquence. De plus les parafoudres pouvant être sou- mis au courant partiel de foudre direct, ils devront être de type 1. De multiples réseaux irriguent les éoliennes, tels que les réseaux d’alimentation basse tension 230/400V et de production 690V, les réseaux d’alimentation 48 V continu et de transmission de données : des para- foudres appropriés devront alors être mis en œuvre sur tous ces systèmes (figure 2). La protection contre les effets directs de la foudre est traitée dans le docu- ment IEC 61400-24. Le réseau d’éclairage LED extérieur Les réseaux d’éclairage extérieurs sont particulièrement soumis aux per-rr turbations électriques de toute nature : permanente, temporaire ou transitoire. Ces perturbations sont des menaces pour les équipements reliés à ces réseaux. De plus l’ancienneté, voire la vétusté de ces réseaux aggravent les pro- blèmes. Les menaces sont multiples : la foudre et ses effets secondaires, les sur-rr tensions dues aux manœuvres, les pro- blèmes de distribution réseau (rupture de neutre, erreur de branchement), les phénomènes électrostatiques, les har-rr moniques de tension. Toutes ces pertur-rr bations sont potentiellement présentes sur les réseaux extérieurs mais dans le passé les appareillages connectés aux réseaux d’éclairage extérieurs dispo- saient d’une robustesse suffisante pour les tolérer sans incident majeur. L’introduction de technologies à fonc- tionnement électronique, les LEDs, sur ces réseaux extérieurs change radica- lement le problème : les perturbations deviennent désormais une menace ma- jeure et réelle. Ces nouveaux réseaux d’éclairage cumulent l’ensemble des risques : d’alimentation électroniques, compo- sants LEDs) ; piètre qualité/vétustes ; - bateurs (HT, traction) ; - gueur ; - séminés en extérieur ; à la qualité du service qui a nécessité un investissement initial important. Figure 2 : Protection « parafoudre » d’une éolienne. 5 4 4 4 4 4 1 2 6 8 6 5 4 4 3 1 3 12 Réseau AC 690V PARAFOUDRE TYPE 1 690V TRIPHASÉ PARAFOUDRE TYPE 2 690V TRI- PARAFOUDRE TYPE 2 690V TRIPHASÉ 5 6 Réseau AC 230V / 400V PARAFOUDRE TYPE 2 230V MONOPHASÉ PARAFOUDREO TYPE 2 400V TRIPHASÉ Lignes de données PARAFOUDRES POUR RÉSEAUX DE DONNÉES 4 Réseau DC 48V 8 PARAFOUDRE TYPE 2 48VDC REE N°3/2017 Z 83 Les parafoudres pour les nouveaux marchés du XXIe siècle Ces matériels LED vont donc être soumis a un ensemble de perturba- tions, qui vont gravement dégrader leur performances et leur durée de vie qui est l’un des arguments majeurs de mi- gration vers cette technologie. La mise en œuvre de dispositifs para- foudres s’avère donc nécessaire pour assurer la fiabilité de ces réseaux. La né- cessité d’utilisation du parafoudre est dé- sormais intégrée dans la version 2016 de la norme NF C17-200, article 534 (règles pour Installations des réseaux basse tension extérieurs, dont l’éclairage) et basée sur une analyse de risque simpli- fiée. Trois critères simples sont retenus : la robustesse déclarée de l’équipement considéré, la densité de foudroiement de la zone d’installation et la longueur de déploiement du réseau (de l’armoire de distribution au point le plus éloigné). Des parafoudres devront être intégrés dans l’armoire de commande et à chaque point lumineux, ainsi que sur les réseaux de commande/supervision si ceux-ci sont filaires (figure 3). A noter que certains réseaux d’éclai- rage sont contrôlés par des réseaux de données spécifiques (DALI, DMX, 0-10V), parfois distribués par voie fi- laire : dans ce cas, la protection contre la surtension de ces liaisons est fortement recommandée. Les bornes de recharge de véhicules électriques A l’instar des réseaux d’éclairage exté- rieurs, les bornes de recharges sont sou- mises aux mêmes problématiques et se réfèrent au même document normatif (NF C17-200). De ce fait, les mêmes règles s’appliquent, avec néanmoins quelques différences dans l’évaluation du risque : la robustesse des équipe- ments est généralement plus faible mais les longueurs de déploiement, ré- duites. Donc la mise en œuvre des pa- rafoudres sera soit recommandée, soit obligatoire. En terme de risque, en plus du risque de dégradation des appareil- lages de la borne (commande, supervi- sion...), le pire des cas est l’incident se produisant durant un cycle de recharge avec transmission de l’agression au véhi- cule connecté... Les parafoudres seront généralement des parafoudres de type 2 pour réseau BT triphasé, et si possible de dimension compacte pour s’adapter aux dimensions réduites de la borne. La vidéosurveillance A l’instar du domaine de l’éclairage qui a subi une rupture technologique importante en basculant vers les com- posants LED, les caméras de vidéosur-rr veillance connaissent une évolution qui impacte leur comportement vis à vis du risque surtension : le passage massif en transmission PoE (Power over Ethernet). L’avantage technologique certain de la transmission numérique et la mise en œuvre simplifiée d’un conducteur unique supportant le signal et l’alimen- tation sont des gages d’amélioration évi- dents mais la conséquence négative est une nette dégradation de la robustesse en surtension de ces équipements. Le recours accru aux réseaux de surveillance vidéo, l’exposition aux perturbations des matériels (montage extérieur) ainsi que l’impératif de continuité de service imposent le recours à des solutions de protection appropriées. Des parafoudres adaptés aux liaisons PoE, notamment en termes de débit, ainsi qu’à la mise en œuvre généralement en extérieur, sont disponibles sur le marché. Les réseaux M2M L’Internet des objets (IoT : Internet of the Things) est une évolution majeure de Figure 3 : Protection « parafoudre » d’un réseau d’éclairage LED extérieur. PARAFOUDRES POUR ÉCLAIRAGES ARCHITECTURAUX PARAFOUDRE POUR PIED DE POTEAU PARAFOUDRES POUR LANTERNE PARAFOUDRE POUR ARMOIRE DE COMMANDE PARAFOUDRES POUR RÉSEAUX DE DONNÉES 84 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 Annexe Liste des documents normatifs dédiés à la protection contre les surtensions NF C15-100 art 4-443 Protection surtensions de l’installation BT NF C15-100 art 5-534 Sélection des parafoudres pour BT Guide UTE C15-443 Sélection et installation des parafoudres pour BT Guide CLC/TS 61643-12 Sélection et installation des parafoudres pour BT Guide CLC/TS 61643-22 Sélection et installation des parafoudres pour courant faible CLC/TS 50539-12 Sélection des parafoudres pour installation PV UTE C15-712-x Installation des sites PV NF EN 62305-4 Protection contre les surtensions de l’installation interne NF C17-200 art 534 Protection surtension des installations BT extérieures Guide CLC/TS 50539-22 Protection effets indirects foudre des éoliennes NF EN 61643-11 Normes d’essai parafoudres pour BT NF EN 61643-21 Normes d’essai parafoudres pour courant faible NF EN 50539-11 Normes d’essai parafoudres pour PV notre monde de plus en plus connecté. Pour communiquer avec des objets, des capteurs, des équipements éparpillés sur un territoire, l’utilisateur s’appuie sur les réseaux M2M (Machine to Machine). Ces réseaux sont souvent des réseaux radio faible puissance/longue portée (LPWAN), constitués de bases d’émis- sion/réception disséminées sur le terrain. Plusieurs milliers de bases sont néces- saires pour couvrir un pays de la taille de la France. Ces systèmes qui sont reliés à un réseau d’information par Ethernet, communique avec les « objets » par radio et sont aussi parfois dotés d’une fonction de géo-localisation ou d’une connexion au réseau de télécommunication mobile. Ces multiples connexions à des liens ex- térieurs accroissent forcément les risques de perturbation. Les opérateurs de ces réseaux ont pris rapidement conscience de ces risques et traitent le problème en disposant des parafoudres dédiés sur les accès, assurant ainsi une fonctionnalité accrue de leurs services. Les microgrids Les microgrids sont des réseaux électriques de taille réduite, conçus pour alimenter électriquement de façon autonome une faible population, sou- vent isolée, de façon fiable, pérenne, avec la qualité requise. Ces réseaux additionnent des connexions à de mul- tiples réseaux de production, tels que le photovoltaïque, l’éolien, les hydro- générateurs, les groupes électrogènes... mais aussi des installations de stoc- kage. Ces réseaux peuvent fonctionner en mode îloté mais être raccordés par intermittence à un réseau de distribu- tion classique. La connexion multiple à des réseaux extérieurs augmente de fait le risque de perturbations : la mise en œuvre de parafoudres sur les différents accès s’avère donc nécessaire. Les para- foudres appropriés seront adaptés au type de réseau à protéger. Conclusion Toutes les évolutions technologiques actuelles et futures tendent à accroitre le besoin de sécuriser les équipements contre le risque « surtensions transi- toires » dû à la foudre. La normalisation s’adapte à cette exigence en faisant évoluer les documents. Du côté des fabricants de protection, un effort par- ticulier est réalisé pour proposer des parafoudres spécifiques et performants. L'AUTEUR Christian Macanda, après des études supérieures en électrotech- nique, a intégré la société CITEL, alors fabricant uniquement de com- posants « éclateur à gaz », dans le courant des années 80, afin de dé- velopper la gamme « Parafoudre ». Expert en protection contre les sur- tensions, il participe à la normalisa- tion nationale et internationale dans ce domaine. Détenteur de plusieurs brevets, il dispense aussi des forma- tions techniques et participe aux col- loques internationaux.