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Comment intégrer efficacement les parafoudres ?

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L’efficacité d’un concept de protection antisurtension ne dépend pas uniquement de la qualité et du choix d’un parafoudre car sa mise en œuvre joue un rôle prépondérant.

Un concept de protection global prend en compte aussi bien l’alimentation en énergie, les signaux de mesures/commandes/régulations ainsi que les réseaux de données.

 

Les surtensions transitoires peuvent avoir pour origine des couplages électromagnétiques ou encore des décharges atmosphériques. Les perturbations à hautes fréquences sont difficilement reproductibles compte tenu de l’origine aléatoire des phénomènes. Néanmoins, la normalisation permet d’en évaluer les risques, leurs effets sur les équipements et d’en estimer les grandeurs physiques.

Pour permettre de comparer les systèmes de protection antisurtension et de déterminer les paramètres du parafoudre en fonction des applications, des impulsions normalisées sont  définies. L’onde 10/350μs est prise en compte pour les courants de choc de foudre directs ou proches de l’installation suivant la norme EN 62305-1. Elle permet de vérifier la tenue aux chocs des parafoudres de Type 1 selon la norme EN 61643-11. L’onde 8/20µs est utilisée pour mesurer la tenue aux chocs des parafoudres de Type 2.

 

Pour définir une protection fine, pour des signaux de commandes/mesures/régulations ou de données, on utilise également ses ondes d’essais.

L’onde de choc répond à différents paramètres tels que le front de montée et la durée à mi valeur. L’origine de ce type de perturbation est le couplage qui peut être galvanique, inductif ou capacitif.

Chaque circuit nécessite un schéma de protection particulier. De capacité et d’inductance définie, les schémas permettent une adaptation idéale en fonction de fréquences transmises.

La définition des caractéristiques d’une protection contre les surtensions repose sur l’analyse et l’estimation des perturbations attendues. L’analyse du risque foudre selon EN 62305-2 permet de calculer le niveau de protection à réaliser en fonction des facteurs environnementaux et de la criticité des systèmes à protéger.

Si le front de montée représente la crête d’une demi-alternance d’une oscillation sinusoïdale (T/4), il en résulte par exemple pour une impulsion de 8/20 μs une durée d’une période d’oscillation de T»4×8 μs=32μs. Avec f=1/T on considère une fréquence maximale de f=31,25 kHz.. Avec ces hautes fréquences, l’étude ohmique d’un circuit ne semble pas suffisante.

Principe du schéma de protection à étage : Eu égard aux Zone de Protection Foudre qui matérialisent des volumes dans lesquels le niveau de perturbation doit être limité à des valeurs normalisées et non dangereuses pour les équipements, on devra prévoir un ou des parafoudres.

Plusieurs principes sont possibles en fonction de la configuration de l’installation. La Figure ci-dessous montre le principe général.

Principe général de protection foudre

Différents Types de parafoudres peuvent être nécessaires. Ils peuvent être coordonnés avec un raccordement en étage (parafoudres séparés) ou multi-étages (parafoudre combiné) .

Système multi-étage – Parafoudres séparés

Système multi-étage – Parafoudre combiné

Selon la norme EN 61643-21, différents types d’essais peuvent être réalisés.

Détails des ondes de chocs en courant et en tension, utilisées pour évaluer la tenue aux chocs des parafoudres courants faibles.

Comment estimer l’amplitude d’une perturbation ?

Chaque circuit représente une inductance en plus de sa résistance. Pour un conducteur en cuivre rond, on considère une inductance L’=1 μH/m.

Cela signifie que l’on calcule l’inductance totale d’un conducteur de longueur « I » selon L=L.1 μH/m.

On constate des chutes de tension inductive selon la loi d’induction U=L.di/dt, où di/dt donne la vitesse de variation du courant.

Cela est bien représenté par la tangente d’évolution, sur laquelle le quotient différentiel ∆i/∆t remplace le quotient différentiel di/dt.

L’étude suivante montre que l’efficacité d’une protection de mesures/commandes/régulations repose sur la prise en compte des chutes de tension inductive du câblage.

L’alimentation de l’électronique peut accepter jusqu’à 4kA suivant l’onde de courant  8/20μs définie selon EN 62305-1. Cela représente une valeur importante. L’onde de choc a un temps de montée de t=8μs. On atteint approximativement la valeur de courant maximum i = 4kA en 8μs soit i /∆t = 4kA/8μs. Trop en théorie.

Les exemples pratiques suivants montrent les avantages et inconvénients relatifs aux différentes configurations d’installation. Dans les 3 cas, le pied métallique du parafoudre est en équipotentialité directe avec le rail Din qui établit une bonne référence de potentiel pour les équipements à protéger montés sur un châssis commun.

L’entrée de l’appareil à protéger est raccordée du côté « OUT » de la protection. Les liaisons équipotentielles à la masse sont modélisées par des inductances afin de réaliser une étude dynamique.

La tension UE correspond à la valeur aux bornes de l’électronique. Lors d’une onde de choc, cette tension doit être toujours inférieure à la tension de tenue aux chocs de l’électronique à protéger.


Dans la figure ci-dessous, le raccordement à la masse de l’électronique est réalisé séparément vers la référence équipotentielle.

D’après la loi de mailles, il en résulte pour UE :

Schéma inadapté – Non efficace (figure 7)

Après amorçage de l’éclateur à gaz, aucun courant ne circule au travers de l’inductance L2 donc la tension UL2 reste ici à 0V.

Une liaison de raccordement à la masse de 3m entre le parafoudre et la référence équipotentielle est fréquemment réalisée dans la pratique. Il en résulte pour UE :

Pour la tension résiduelle UGDT du parafoudre, la tension s’additionne ainsi UL1=1500V.  Pour les éclateurs à gaz, la tension varie entre 10 et 35V. Si UE dépasse la tension de tenue aux chocs de l’appareil à protéger, il y a destruction de matériel.

 

 


Ici, le raccordement à la masse de l’appareil à protéger est également réalisé séparément mais une interconnexion est réalisée entre l’appareil à protéger et la référence du parafoudre.

Schéma pratiqué habituellement – Non efficace ! (figure 8)

On suppose ici que le courant de choc se divise symétriquement sur les deux connexions de masse L1 et (L2+L3) avec IST=I/2.

Selon la loi des mailles, on en déduit que :

Si l’on considère une longueur d’interconnexion de 3m entre le parafoudre et l’appareil à protéger, pour la tension résiduelle UGDT du parafoudre, la tension s’additionne, ainsi ULI=750V. Si cette valeur dépasse la tension de tenue au choc de l’appareil à protéger, il y a destruction.

 

 


Dans cette dernière figure, le raccordement à la masse de l’appareil à protéger est réalisé directement depuis le parafoudre.

Schéma idéal – Le seul efficace ! (figure 9)

Selon la loi des mailles, il en résulte que :

Aucun courant ne circule au travers de l’inductance L3, si bien que la tension UL3 a une valeur nulle.

Ainsi UE=UGDT. Pour que la protection soit efficace, le niveau de protection du parafoudre doit toujours être inférieur à la tension de tenue aux chocs de l’appareil à protéger.

 

 

 

En conclusion : protéger efficacement un appareil électronique ne repose pas seulement sur le choix d’un parafoudre de bonne qualité !

  • Si le raccordement est réalisé comme décrit dans la fig.7, il y aura systématiquement destruction de l’appareil. On trouve cette configuration lorsque les protections sont situées à l’extérieur de l’armoire où sont implantés les appareils à protéger.
  • La configuration de la fig.8 est fréquemment constatée dans la pratique. C’est à dire que le raccordement à la terre de l’équipement est réalisé directement par le câble de l’alimentation. Dans ce cas, il est impératif de limiter au maximum la distance entre la protection et l’électronique.
  • Seule la configuration de la fig.9 permet de garantir une bonne protection. On devra tout de même veiller à limiter la distance entre la protection et l’électronique afin d’éviter les risques de couplage.

Voici le mode de raccordement idéal d’un parafoudre.

L’équipotentialité de l’appareil à protéger est directement issue du secondaire du parafoudre. Cette astuce permet de façon sûre de garantir que le parafoudre détectera la surtension en premier. La tension aux bornes de l’appareil ne dépassera pas la tension de limitation du parafoudre raccordé en amont. Mais on devra veiller à limiter la longueur de câble (<10 mètres) entre le parafoudre et l’appareil afin d’éviter tout risque d’induction dû à l’inductance des câbles de liaison.

 

Pour plus d’informations, contactez notre expert foudre Olivier Pellissier à opellissier@phoenixcontact.fr