Des risques différents exigent des solutions différentes

Qui n'est pas fasciné par les éclairs? L'approche d'un orage, un flash lumineux et un grondement inquiétant: pour beaucoup, c'est le signal pour tourner le regard vers le ciel dans l'espoir d'apercevoir ce phénomène naturel spectaculaire. Malheureusement, les orages ont évidemment aussi leurs mauvais côtés, et chaque année, la foudre provoque des incendies et des dégâts aux installations électriques. Une protection ciblée peut éviter bien des désagréments à ces dernières.

Le risque est faibles, mais pas inexistant

Cela peut rappeler des questions de jeux télévisés, mais vous êtes-vous déjà demandé combien d'éclairs frappent notre pays chaque année? Pour avoir la réponse, il suffit de se renre à l'IRM, qui nous apprend qu'il y a en moyenne environ 215 000 éclairs recensés par an, dont la plupart s'avèrent heureusement inoffensifs. Seuls 10% d'entre eux touchent effectivement la surface de la terre. La grande majorité de ces 18.000 impacts se produisent dans les espaces ouverts, mais les bâtiments sont aussi sporadiquement touchés. Bien sûr, quand on pense aux dangers potentiels, on pense immédiatement à l'incendie en raison de la température extrême d'un coup de foudre (jusqu'à 30.000 °C), mais les dégâts des équipements électriques dus à une surtension constituent un risque tout aussi réel et peuvent entraîner des dommages considérables, notamment pour les entreprises, si des temps d'arrêt ou des pertes de données sont également concernés.

Seuls 10% des éclairs touchent effectivement la surface de la terre

Caractéristiques électriques de la foudre

Les caractéristiques d'un coup de foudre font que la protection est différente de celle d'autres formes de surtension, comme les DES (décharges électrostatiques) ou les opérations de commutation. Lors d'un éclair, le risque électrique peut être à la fois direct et indirect. Un impact direct est le plus grave, car il affecte directement l'équipement.

En revanche, les dangers de la foudre indirecte sont beaucoup moins connus du grand public. Dans le cas d'un coup indirect, un courant de foudre pénètre dans un bâtiment par l'intermédiaire d'un conducteur et provoque de nombreux dégâts. Ce type d'impact peut à son tour être divisé en trois sous-types, en fonction du couplage:

• Couplage galvanique ou ohmique: la différence de tension entre le lieu de l'impact de la foudre et les niveaux de tension présents provoque l'impact.
• Proximité du coup de foudre: un impact sur ou près d'un bâtiment, mais aussi sur ou près d'une ligne entrante peut causer des dommages. Au demeurant, le couplage ne doit pas a priori se faire par une ligne électrique, il peut tout aussi bien se faire par un câble internet ou encore des canalisations de gaz ou d'eau.
• Couplage inductif: l'impact énorme d'un coup de foudre crée un champ magnétique qui provoque, par couplage, une surtension et une surintensité dans les lignes électriques existantes.

La plupart des postes consommateurs ne peuvent pas résister à ces surtensions. Les conducteurs et les câbles qui sont touchés par un impact peuvent propager l'augmentation locale du potentiel jusqu'à plusieurs centaines de mètres, atteignant ainsi des installations éloignées du point d'impact.

La plupart des postes consommateurs ne sont pas résistants
à ces surtensions

La conclusion générale de tout ceci est qu'un système de protection contre les surtensions doit être bien conçu et dimensionné afin de minimiser tous les types de danger.

Que dit le RGIE?

La section 4.5.1 stipule que "Les personnes et les biens sont protégés d’après les règles de l’art en la matière contre les conséquences nuisibles:

• d’un défaut pouvant intervenir entre les parties actives de circuits de tensions différentes;
• de surtensions dues à d’autres causes comme par exemple des phénomènes atmosphériques ou
  d’éventuelles surtensions de manœuvre."

Une protection appropriée

Pour protéger une installation électrique contre la foudre (appelée LEMP - Lightning Electro Magnetic Pulse), il faut tenir compte de trois facteurs principaux: le pic de tension, le pic de courant et la durée de l'événement. On peut être bref sur la hauteur de la tension et du courant: le potentiel de 300 millions de volts et 30.000 ampères d'un coup de foudre donne aussi le vertige, au sens figuré. La durée relativement courte - de quelques centaines de microsecondes à quelques millisecondes - est le seul 'point positif' de cette sainte trinité. Ces caractéristiques constituent la base de l'onde de choc de 10/350 µs utilisée pour tester les composants de sécurité. Le premier chiffre représente la raideur de la courbe, le second la durée du choc. Mais ce n'est pas tout, car des surtensions supplémentaires apparaissent dans le système en raison de l'influence inductive. Les composants de protection doivent également résister à ces impulsions heureusement plus limitées et sont testés à cet effet à l'aide de la courbe 8/20 µs. Cette courbe est également utilisée comme base pour la protection contre les effets des impacts indirects et pour le traitement des opérations de commutation (SEMP - Switching Electro Magnetic Pulse).

En général, un parafoudre doit être capable de dissiper l'énergie de la tension d'impact et de garantir un niveau résiduel inférieur au niveau d'isolation de l'équipement à protéger. Les parafoudres sont subdivisés en 3 types, selon la capacité de déviation en fonction de l'amplitude et de la durée du courant de choc. Il est important de garder un œil sur la coordination énergétique de plusieurs conducteurs dans un circuit. Si le premier conducteur d'un circuit est moins bien dimensionné qu'un autre conducteur du circuit, le premier conducteur peut être endommagé avant que la protection suivante ne s'active. En outre, le parafoudre doit bien sûr toujours être connecté après l'interrupteur de perte de courant. La longueur de la connexion à la barre de mise à la terre est également importante, car plus la distance est grande, plus le niveau de protection est faible. S'il est impossible de respecter la longueur maximale de câble - spécifiée par le fabricant - le conducteur peut également être mis à la terre sur le boîtier de la carte mis à la terre.

Focus sur le zonage

Pour déterminer quelle protection est nécessaire, nous pouvons utiliser la norme IEC 62305-4. Un bâtiment peut être divisé en zones qui indiquent dans quelle mesure les équipements peuvent souffrir des rayonnements électromagnétiques - quelle qu'en soit la source. Ainsi, le renforcement déjà présent peut fonctionner comme un zonage ou la mise en place de parois métalliques peut créer une zone de protection contre la foudre.

La désignation de cette zone - appelée LPZ - déterminera quels dispositifs de protection doivent être installés sur les tuyaux qui la traversent. Outre la compensation de potentiel et la protection contre les surtensions des câbles électriques et informatiques, la protection externe contre la foudre - voir ci-dessous - s'inscrit également dans cette démarche de zonage. En fonction des exigences et des charges imposées aux dispositifs de protection contre les surtensions, on distingue les paratonnerres, les parafoudres et les parafoudres combinés (types 1, 2 et 3). Les exigences les plus élevées en termes de conductivité sont imposées aux conducteurs de courant de foudre et aux conducteurs combinés, qui assurent le passage de la zone de protection contre la foudre 0A à 1 et de 0A à 2. Ces conducteurs doivent être capables de conduire des courants partiels de foudre de forme d'onde 10/350 μs plusieurs fois sans défaillance, afin d'empêcher les courants partiels de foudre dévastateurs de pénétrer dans l'installation électrique d'un bâtiment.

Protection externe: à charge de l'électricien?

Pour les bâtiments ou structures présentant un certain risque - en raison de leur hauteur, de leur emplacement ou de la nature des activités - une protection purement électrique n'est pas suffisante. Dans ce cas, un système externe de protection contre la foudre (SEPF), communément appelée paratonnerre, peut également être nécessaire. Celle-ci se compose de 3 piliers:

• Le dispositif de réception: une combinaison de tiges de réception (y compris les ornements métalliques fixés déjà présents sur la structure) et de conducteurs maillés qui forment une cage de Faraday au sommet du bâtiment ou de la structure.
• Les conducteurs descendants: des conducteurs métalliques - autant que possible verticaux - qui dévient les courants de foudre du dispositif récepteur vers la terre par des chemins différents et parallèles. Ils peuvent également être frappés directement par la foudre.
• L'installation de mise à la terre: conducteurs métalliques enterrés dans le sol, dont le but est d'assurer un contact électrique avec la terre afin que le courant de foudre puisse se dissiper. La compensation de potentiel doit éviter les différences de tension entre différentes parties conductrices, qui peuvent à leur tour provoquer des étincelles.

Pour savoir quelle protection est nécessaire, les entreprises peuvent suivre la norme NBN 62305 depuis 2017. Elle précise notamment les étapes à suivre pour réaliser une analyse qualitative des risques qui détermine le degré de protection. Le document normatif HD60364-4-443 de 2016 est également encore souvent utilisé comme guide ici. En principe, toutefois, cette tâche n'incombe pas à l'électricien, mais plutôt au gestionnaire du bâtiment.