Guide Foudre Photovoltaique

7/27/2019 Guide Foudre Photovoltaique

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Protection contre les effets de lafoudre dans les installationsfaisant appel aux nergies

renouvelables

GUIDE


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GUIDE PROTECTION FOUDRE 2

SOMMAIRE

Avant-proposIntroduction1 Objectifs de l'tude et domaine d'application ......................................................4

1.1 Objectifs.........................................................................................................................41.2 Lexique spcifique .......................................................................................................5

2 Constats sur le terrain ................................................................................................52.1 Enseignements .............................................................................................................62.2 Dgts rencontrs sur les installations .....................................................................62.3 Exemples .......................................................................................................................72.4 Conclusion.....................................................................................................................9

3 Dispositifs de protection foudre ............................................................................103.1 Principe de la protection............................................................................................103.2 Protection contre les coups directs .........................................................................103.3 Protection contre les coups indirects ......................................................................153.4 Evaluation du risque foudre......................................................................................24

4 Prconisations de protection contre la foudre ..................................................264.1 Protection contre les effets directs ..........................................................................264.2 Protection contre les effets indirects .......................................................................274.3 Evaluation du risque foudre pour les installations ................................................36

5 Mesures de protection pour les installations.....................................................375.1 Systme d'lectrification photovoltaque individuel (SEI) ....................................38

5.2 Gnrateur photovoltaque pour habitat. ...............................................................405.3 Refuge de montagne.................................................................................................435.4 Systme pour tlcommunications (relais radio) ..................................................455.5 Systme de t lcommunications (faisceau hertzien) ...........................................485.6 Gnrateur photovoltaque avec couplage rseau. .............................................515.7 Pompage photovoltaque ..........................................................................................545.8 Arognrateur pour alimenta tion autonome ........................................................57

Annexe A ...............................................................................................................................60A.1 Formation et structure d'un nuage orageux ..........................................................60A.2 Caractristiques d'un coup de foudre.....................................................................60A.3 Effets dus la foudre................................................................................................62

Annexe B ...............................................................................................................................66B.1 Normes ........................................................................................................................66B.2 Bibliographie...............................................................................................................66B.3 Quelques fournisseurs de parafoudres ..................................................................67


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AVANT-PROPOS

Ce guide de protection contre les effets de la foudre dans les installations deproduction dlectricit partir des nergies renouvelables (photovoltaque, olien) at rdig par M. Grard Moine, ingnieur systmes photovoltaques chez

Transnergie la demande, et pour le compte du Dpartement des nergiesRenouvelables de l'Agence de l'Environnement et de la Matrise de l'nergie(ADEME). Certains aspects techniques du contenu de ce guide ont t valids parM. Alain Charoy, ingnieur expert en compatibilit lectromagntique au sein de lasocit AEMC.

Avec ce guide, lADEME a souhait faire bnficier les professionnels duphotovoltaque et de lolien des connaissances acquises par les auteurs dans cedomaine.

Cependant, l'ADEME et les auteurs rappellent que les recommandations proposes

sont donnes titre indicatif et ne peuvent en aucun cas engager leur responsabilitdans la mesure o les prconisations ne peuvent pas garantir une protection absoluecontre des effets destructifs.

Mots clefs : Protection foudre - nergies renouvelables Systme photovoltaque arognrateur Photovoltaque olien

Summary:For most of the professionals involved in renewable energy sources,lightning protection is often an issue. The aim of this document is to provide readerswith state-of-the-art information on the subject and propose recommendations for

renewable energy sources installations validated by lightning experts.

ADEME / DERAndr Claverie500 route des Lucioles06560 SOPHIA ANTIPOLIS

TRANSENERGIEGrard Moine3 D Alle C. Debussy69130 ECULLY

AEMCAlain Charoy86, rue de la libert38 180 SEYSSINS

ADEME, Sophia Antipolis, 2001

Toute reprsentation ou reproduction intgrale ou partielle faite sans le consentement de lauteur ou de ses ayants droit ouayants cause est illicite selon le code de la proprit intellectuelle (Art. L122-4) et constitue une contrefaon rprime par lecode pnal. Seules sont autorises (Art. L122-5) les copies ou reproductions strictement rserves lusage priv du copiste etnon destines une utilisation collective, ainsi que les analyses et courtes citations justifies par le caractre critique,pdagogique ou dinformation de luvre laquelle elles sont incorpores, sous rserve, toutefois, du respect des dispositionsdes articles L122-10 L122-12 du mme Code, relatives la reproduction par reprographie.


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INTRODUCTION

Spectaculaire dcharge lectrostatique disruptive, la foudre frappe en moyenne enFrance 1,6 millions de fois par an soit environ trois foudroiements au kilomtre carr.

Les installations de production d'lectricit autonomes (systmes photovoltaques ouarognrateurs, particulirement en sites isols) sont soumises, comme toutsystme lectrique, aux risques induits par la foudre. Rgulirement, descomposants de ces installations sont dtruits (rgulateurs, onduleurs), entranant unebaisse de fiabilit, et une hausse des cots d'exploitation pour palier aux dgts.

Lexprience montre que les protections installes contre la foudre, quand ellesexistent, ont souvent t mises en place sans tude srieuse sur leur efficacit. Aveclaccroissement du nombre dinstallations de production dlectricit par nergierenouvelable, il semble important d'examiner le problme avec attention, afin depouvoir proposer des solutions adaptes et efficaces.

Toutefois, les recommandations proposes sont donnes titre indicatif et nepeuvent pas garantir une protection toute preuve contre des effets destructifsmais devraient gnrer une diminution sensible des dgts occasionns.

1 OBJECTIFS DE L'ETUDE ET DOMAINE D'APPLICATION

1.1 Objectifs

L'objectif gnral de ce guide est dapporter une aide lusage des concepteurs etinstallateurs qui ont mettre en uvre des dispositifs de protection contre les effetsde la foudre dans les installations de production dlectricit par nergiesrenouvelables.

Le domaine dapplication se limite essentiellement aux systmes les plus courantsutilisant llectricit dorigine photovoltaque ou olienne.

Sept exemples sont traits dune manire trs pratique :

Alimentation par gnrateur photovoltaque : Habitat isol ; Refuge de montagne ; Systme de pompage ; Habitation raccorde au rseau ; Relais radio ; Relais de tlcommunication par faisceau hertzien.

Alimentation par arognrateur : Habitat isol.

Les prconisations proposes concernent la protection sur les liaisons lectriques dechaque systme et supposent que chaque composant constituant le gnrateur ait


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Existence ou non de protection foudre sur les installations ; Phnomnes observs : nature, frquence, dgts occasionns.

Dune manire gnrale, tous les installateurs ont t plus ou moins confronts aufoudroiement dinstallations si bien que la plupart se sentent concerns par la mise

en uvre de protection efficace contre les effets de la foudre.

2.1 Enseignements

La plupart des dgts occasionns sexpliquent par une mconnaissance de lapart des concepteurs et installateurs des rgles de lart en terme de protectionfoudre (absence de protection approprie ou mauvaise mise en uvre )

Parmi les installations touches la plupart se situent des altitudes leves(suprieures 1000 m), ce qui nest pas surprenant.

Certains gnrateurs sont plus frquemment victimes de la foudre pour un type

dapplications (exemple : installations de tlcommunications, refuges demontagne,..). Ceci sexplique essentiellement par les particularits du site :prsence dantennes sur des points hauts, altitude, prsence de liaisonsextrieures, etc.

Dune manire gnrale, les installations autonomes sont moins sensibles lafoudre que des installations raccordes au rseau lectrique arien. A titredexemple, des relais radio ont t aliments par des gnrateursphotovoltaques autonomes pour saffranchir, avec succs, des dgts de lafoudre induits de manire rcurrente par le rseau dalimentation.

Les dgts sont trs variables selon les sites et le type de protection mis enuvre

2.2 Dgts rencontrs sur les installations

Parmi les dgts rencontrs : modules photovoltaques dtruits par amorage entre une polarit du module et

le cadre (gnralement 1 seul par site). Consquences : verre bris, destructiondes bornes de connexion

destruction des diodes by-pass ou/et anti-retour explosion de la bote de jonction destruction de protection type disjoncteur ou parafoudre

explosion de la batterie daccumulateurs destruction des quipements lectroniques (rgulateur, acquisition de mesures,onduleur,)

Les quipements lectriques (onduleur, rgulateur, acquisition de mesures,rcepteurs, diodes,) sont les plus souvent endommags, plus rarement lesmodules ou le parc batterie.

Le montant des dgts engendrs est trs variable selon les circonstances defoudroiement. Nanmoins, le cot de remise en tat est de l'ordre de quelquesmilliers quelques dizaines de milliers deuros, sans compter les frais de

dplacement qui sont souvent trs levs compte tenu de lisolement des sites et lesconsquences indirectes dabsence dalimentation.


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2.3 Exemples

A partir du retour dexprience, deux exemples sont donns ci-dessous pour montrerla nature des dgts occasionns dans deux contextes diffrents : un exemple en Rpublique Dominicaine pour les petits systmes photovoltaques

dlectrification individuels ; un exemple en France pour un systme photovoltaque situ sur un point haut

proximit dquipements de tlcommunication.

2.3.1 Installations de type individuel

Contexte : Rpublique Dominicaine Constat : 3 ou 4 cas de foudroiement sur 800 systmes ont t rpertoris sur

3 ans Site : faible altitude (quelques centaines de mtres) avec un niveau de

foudroiement moyen Caractristiques du gnrateur photovoltaque : module 50 W, batterie 105 Ah

12 V Module fix sur toit en zinc de lhabitation Absence de protection foudre spcifique hormis la prsence de varistances dans

le rgulateur

Dgts occasionns : destruction du module : verre bris, connexions fondues (Photo 1) destruction du rgulateur (transistor MOSFET) (Photo 2) explosion d'une bote de jonction (Photo3) et de la batterie (Photo 4)

Photo 1: Destruction du Photo 2: Rgulateur endommagmodule


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Photo 3: Bote de connexions Photo 4: Batterie explosedtruite

2.3.2 Installation photovoltaque alimentant une tour de guet pour surveillance defeu de fort

Contexte : Site : France, point haut (1 400 m) avec niveau de foudroiement important Caractristiques du gnrateur photovoltaque : 10 modules 50 W, batterie de

capacit 600 Ah 24 V, onduleur rcepteurs 24V : lampes, fluorescentes, surpresseur, Absence de protection foudre spcifique hormis la prsence de varistances dans

le rgulateur

Dgts occasionns (voir photos 5 9):

destruction dun module destruction de la bote de jonction explosion dun disjoncteur et des varistances explosion du bton support du surpresseur

Photo 5: Amorage entre un conducteur Photo 6: Explosion de la bote deactif et le cadre du module jonction


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Photo 7: Explosion d'une varistance Photo 8: Explosion de disjoncteurs

Photo 9: Explosion du bton, chape du surpresseur

Ces deux exemples mettent en vidence que les effets de la foudre sont desproblmes rels quelle que soit la taille des gnrateurs photovoltaques et leursituation.

2.4 Conclusion

Chaque cas rencontr serait tudier particulirement, toutefois, dune maniregnrale, il est constat :

la mconnaissance ou la difficult, de la part des concepteurs ou installateurs, detransposer les normes existantes en matire de protection foudre aux installationsENR;

labsence dvaluation au pralable du risque foudre; labsence ou la mauvaise mise en uvre de dispositifs de protection contre les

effets de la foudre, selon les diffrentes configurations rencontres.


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3 DISPOSITIFS DE PROTECTION FOUDRE

On se reportera lannexe A pour des rappels sur le phnomne de la foudre avecses caractristiques et ses effets.

3.1 Principe de la protection

La foudre est un phnomne que lon ne peut empcher de se produire, engendrantainsi un champ lectromagntique perturbateur. Toutefois, on peut en limiter leseffets en respectant les trois principes de base suivants :

Canaliser le courant de foudre vers la terre par le trajet le plus direct ; Rduire les surfaces de boucle de masse ; Limiter l'onde de surtension par des parafoudres.

Elle implique la mise en uvre de deux systmes distincts :

La protection par les installations extrieures (dont dventuels paratonnerres)pour les effets directs ;

La protection contre les effets indirects : limitation des surtensions par le biais deparafoudres.

Ces deux protections peuvent tre complmentaires mais pour une relle efficacit,ces quipements doivent tre associs une prise de terre unique. Dans ce contextele rseau de terre est l'lment fondamental d'une bonne protection.Dautre part, il y a lieu de complter, si ncessaire, la protection dquipements

sensibles par des dispositifs contre les perturbations lectromagntiques (blindageou utilisation de fibres optiques).

3.2 Protection contre les coups directs

La protection des installations contre les effets directs de la foudre consiste installer des dispositifs constitus par un systme conu pour capter le courant defoudre et lcouler vers la terre, sans causer de dommage la structure ni auxquipements.

Parmi les structures ncessitant des installations extrieures de protection contre lafoudre, il convient de citer notamment :

Les btiments recevant du public tels que refuges de montagne, restaurantsdaltitude

Les constructions leves telles que, clochers, antennes, Les installations ou btiments trs exposs comportant des quipements

sensibles, Certaines installations classes Etc.

Il existe trois grands types de protection contre les effets directs :


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Le paratonnerre tige Le paratonnerre cage maille (cage de Faraday) Le paratonnerre fils tendus

3.2.1 Le paratonnerre tige

Le principe d'un paratonnerre est fond sur la notion de distance d'amorage. Il s'agitd'difier, en haut des structures protger, une tige gnralement effile, relie laterre par le chemin le plus direct. La protection offerte dpend de la situation de cettetige sur la structure (mergence, lieu d'implantation).Lors d'un orage, la tige simple (dite de Franklin) prsente une amplification de champtelle qu'une dcharge ascendante puisse y prendre naissance. La capture de ladcharge descendante permet l'coulement travers la pointe et la descente laterre du courant de l'arc en retour.

La mthode de la sphre fictive est une loi empirique qui prdit la zone expose lafoudre. Il dfinit pour un choc ngatif une distance d'amorage . Cette distancecorrespond la longueur prsume de l'arc en retour. Elle ne dpend que du courantcrte du premier choc. Cette distance pour un courant crte I, vaut sensiblement10 fois I exprim en kA lev la puissance deux tiers. Ce rayon d'amorage dfinitune sphre virtuelle, la zone protge est celle sous la sphre.

Figure 1: Zone de protection avec paratonnerre tige

paratonnerre

Zone de protection d'une tigeverticale selon la mthode de lasphrefictive.

R = 10 I2/3

R en m

I en kAR

I


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3.2.2 Le paratonnerre cage maille (cage de Faraday)

La protection par cage maille consiste en la ralisation la surface du btiment protger d'une cage de Faraday larges mailles (10 20 m de ct), relies au solpar des prises de terres. Des tiges de faible dimension (0,5 m), ou pointes de choc,

sont disposes aux nuds des mailles, l'aplomb des descentes et ventuellementsur les parties mergentes telles que les chemines, dicules, etc.

Les descentes sont places l'extrieur des btiments, particulirement aux anglessaillants, espaces de 20 m au plus. Elles aboutissent des prises de terre reliesentre elles par une structure conductrice enterre formant le rseau terre.

Constituer une cage de Faraday est la solution la mieux adapte pour assurer laprotection contre la foudre, mais la plus coteuse.

Figure 2: La cage de Faraday

3.2.3 Le paratonnerre fils tendus

Le principe consiste capturer la foudre avant qu'elle ne touche des personnes oudes quipements.Parfois la protection d'une zone par un paratonnerre pointe est inefficace. Mieuxvaut mettre en uvre la solution des rseaux suspendus qui consiste tendre descbles au-dessus du site protger. On dtermine la hauteur et le rseau decblage par la mthode du modle lectro-gomtrique qui permet de simulerl'influence de la foudre par une sphre fictive de rayon fonction du courant crte dupremier arc en retour.


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Figure 3 : Le paratonnerre fils tendus

3.2.4 Prise de terre de paratonnerre

Toute descente doit tre relie une prise de terre dont lintrt de la ncessitdune faible valeur est relativiser.En effet, supposons quun paratonnerre soit raccord la terre par un conducteur dedescente fix au mur dun btiment et isol des masses. Un cble de masse setrouve situ en tage proximit du mur supportant le conducteur de descente.Dterminons la diffrence de potentiel (d.d.p.) entre ce cble de descente et le cblede masse lors dun coup de foudre direct (di/dt = 40 kA/s).La d.d.p. entre conducteur de descente et masse vaut : U= Ldi/dtTout cble prsente une inductance linique denviron 1 H/m soit 10 H pour le

conducteur de descente.La d.d.p. induite est de 400 kV ce qui peut provoquer un amorage travers le muret ceci quelque soit la rsistance de terre du btiment.

Figure 4 : D.d.p. entre conducteur de descente et masse

Installation

protger

Sphre fictive


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En consquence, pour limiter llvation de potentiel, il y a intrt de diviser lecourant de foudre en multipliant les conducteurs de descente (exemple : cagemaille).Toutefois, que ce soit pour la scurit des personnes ou la scurit des quipementslectriques et lectroniques, c'est l'quipotentialit des masses qui est dterminante

et non pas la valeur de rsistance de terre.Une prise de terre de paratonnerre est constitue :

Soit par trois conducteurs de 2 3 m de longueur disposs en patte d'oie etenfouis horizontalement au moins 50 cm de profondeur (Figure 5),

Soit par un ensemble de deux piquets verticaux dune longueur totale de 2 mdistants d'au moins 2 m et relis entre eux par un conducteur enterr en tranche au moins 50 cm de profondeur.

Figure 5 : Patte d'oie et piquets verticaux

Lorsque le btiment comporte une prise de terre fond de fouille, il y a lieu de larelier aux prises de terre des installations de paratonnerre par un conducteur demme nature et de mme section que les conducteurs de descente.

Figure 6 : Prise de terre de fond de fouille

0,6 m

min

2 3 m

2 m


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On se reportera utilement aux indications de la norme internationale CEI 61024-1-2(ou NFC 17-100) pour la mise en uvre de la protection des structures contre lafoudre.

3.3 Protection contre les coups indirectsLes effets indirects de la foudre sont caractriss par les surtensions gnres pardes coups de foudre directs ou proximit des circuits dalimentation dnergielectrique ou de tlcommunication et propages par les rseaux de distribution etles installations. Ces surtensions, dont la valeur dpend notamment de lintensit ducourant de foudre et de la distance du point dimpact linstallation lectrique,peuvent provoquer des dommages des quipements lectriques distants et desdysfonctionnements de matriels lectroniques sensibles.

Pour des installations lectriques et lectroniques soumises aux effets induits par la

foudre, il est ncessaire de mettre en uvre simultanment plusieurs mesures deprotection, pour que celle-ci soit efficace :

Unicit de la prise de terre Ralisation dun rseau quipotentiel reliant toutes les masses des matriels

lectriques et les lments conducteurs du btiment avec liaison la terre ; Mise en place de parafoudres relis la masse des appareils protgs ; Cheminement des cbles de faon viter les boucles susceptibles de favoriser

la gnration de surtensions dues au champ magntique rapidement variable ; Blindage des cbles de tlcommunications et de transmission dinformations.

On a tout intrt penser la protection contre les surtensions ds la phase del'tude, car c'est ce niveau que l'on peut agir au maximum sur la rduction descots. Ces dispositions ont pour objectif dassurer la fois :

La scurit pour la protection des personnes et des matriels ;

La rduction des perturbations sur les quipements sensibles .

3.3.1 Principes gnraux servant la conception dun rseau de terre

Le rseau de terre est tel un drainage qui vacue la terre les courants parasites. Ilcre une zone quipotentielle afin que la conduction d'un fort courant (foudre, dfaut)ne donne pas lieu l'apparition de potentiels transitoires dangereux.Il joue aussi le rle de rfrence de potentiel pour les crans et blindages.

Unicit de la prise de terre

Des terres spares sur un mme site peuvent tre prsumes assez proches pourtre au mme potentiel. Toutefois, elles ne garantissent jamais une quipotentialitaussi bonne et aussi sre que celle obtenue aprs leur raccordement direct.Le seul rseau de terre adapt une installation est un rseau unique,

quipotentiel et si possible maill.


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En consquence, sur un mme site, les prises de terre de diffrentes installationsdoivent tre relies par des conducteurs de prfrence en cuivre nu de sectionminimum 25 mm. Ces liaisons peuvent tre ralises en utilisant, par exemple, lestranches cres pour la pose dautres canalisations ou cbles lectriques. Il est noter que ces liaisons, si elles sont enterres peuvent ventuellement suffire pour

servir de prise de terre commune.

Ralisation dune prise de terre

Pour raliser un rseau de terre, il est inutile de forer le sol grands frais surtout si lesol se trouve tre rocheux.

Plusieurs solutions sont possibles pour raliser un rseau de terre satisfaisant :

Piquet verticaux :Enfouissement dun ou plusieurs piquets verticaux en acier galvanis (longueur 2 m

environ, diamtre 19 mm minimum). Cette solution lavantage dtre simple etpratique mettre en uvre dans la mesure o le sol nest pas rocheux.

Toutefois, pour amliorer lquipotentialit du site, il est prfrable de disposer lesconducteurs lhorizontale :

Boucle fond de fouille :Pour un btiment neuf, la prise de terre idale est la pose dun cble cuivre nu desection minimum 25 mm en fond de fouille et formant une boucle autour dubtiment.

Ceinturage dun btiment :Pour des btiments existants et sil est impossible de creuser une tranche enpriphrie du btiment pour y dposer la ceinture de terre, il y a lieu de ceinturer sabase un plat de cuivre 30 mm x 2 mm, avec raccordement au moins 4 piquets deterre rpartis sur la priphrie.

Conducteurs enfouis horizontalement en tranche :Une solution facile mettre en uvre pour raliser une prise de terre satisfaisanteest lenfouissement dun cble cuivre nu de section minimum 25 mm dans unetranche en profitant par exemple de lexcution dautres travaux (pose de

canalisations ou cbles enterrs)Le cble doit tre enfoui une profondeur suffisante (de lordre de 50 80 cm) pourque le sol ne soit jamais gel. La tranche devrait tre comble par de la terre arablede faible rsistivit pour assurer un contact intime avec la surface des conducteursenterrs.

Massif btonPour un mt, le massif bton peut tre admis comme prise de terre, cest dire quela mise la terre du mt mtallique sera ralise par une liaison raccorde auferraillage du massif.

Les connexions serres ne devraient jamais tre enterres car la corrosionaugmente leur rsistance dans le temps. Les raccordements et drivations


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effectues entre liaisons quipotentielles seront de prfrence ralises par brasageou soudage.

Valeur de prise de terre

Une faible rsistance de terre est parfaitement inutile au bon fonctionnement dessystmes lectriques et lectroniques (quelle chance pour les avions !).Seules quelques cas de terres exceptionnelles (terre de poste THT, etc.) peuventgagner tre de faible impdance.

En terme de scurit des personnes, la valeur de la prise de terre dpend duschma de liaison la terre retenue.Dans le cas dun schma de liaison la terre de type TN, la valeur de la prise deterre est compltement indiffrente puisquelle nintervient pas pour la scurit despersonnes, le courant de dfaut ventuel passant par le conducteur de protection.

Toutefois dans le cas dun schma de liaison la terre de type TT, une rgle descurit impose une rsistance de terre du btiment o se trouve la distribution telleque le courant de dclenchement du diffrentiel nlve pas le potentiel de la terrepar rapport une terre lointaine plus dune tension limite de scurit (50 V).Avec un diffrentiel 500 mA, la valeur maximale de la prise de terre ne devra pasdpasser 100 ohms.Avec un diffrentiel 30 mA, la valeur maximale de la prise de terre ne devra pasdpasser 1 600 ohms.

3.3.2 Equipotentialit des masses

Lquipotentialit des masses importe la fois pour la scurit des personnes etpour le bon fonctionnement des systmes. En effet, lors dun coulement de foudredans un conducteur, il peut y avoir perte momentane dquipotentialit entrediffrentes masses se traduisant par des surtensions dangereuses.

En consquence, toutes les masses des quipements lectriques doivent tre reliesentre elles par des conducteurs dquipotentialit ramens une barredquipotentialit.

Si les liaisons sont longues, lquipotentialit est encore amliore en ralisant deprfrence, un rseau de masse maill surtout si les quipements protger sontsensibles.

La barre dquipotentialit est elle-mme relie la terre par une barrette de mesureventuelle.


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Figure 7: Mise la terre en toile Figure 8: Mise la terre mailleA viter A conseiller

Dautre part, il faut considrer les autres masses mtalliques en prsence telles que :

Structures mtalliques, Enveloppes, armatures, portes mtalliques, Chemin de cbles, Rseau de canalisation, etc.

Elles gagnent tre relies lectriquement entre elles et connectes la barredquipotentialit par des conducteurs les plus courts possibles.Comme indiqu prcdemment, en cas de prsence de paratonnerre, ses prises deterres doivent tre relies galement la prise de terre du btiment.

3.3.3 Les parafoudres.

Le parafoudre est un dispositif destin limiter le niveau de surtensions (parexemple dorigine atmosphrique) transmises par les cbles un niveau compatibleavec la tension de tenue aux chocs des matriels de linstallation et des matriels

aliments par cette installation.Il est gnralement plac entre un conducteur actif et la masse de lquipement protger, elle-mme relie la terre et parfois entre conducteurs actifs.

Figure 9 : Le courant de mode commun qui traverse les crteurs se referme par laterre (source: A. Charoy)

Sous une tension normale, le parafoudre se comporte pratiquement comme une

Armoires

lectriques

Rpartiteurde terre

Armoires

lectriques

Rpartiteurde terre


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rsistance infinie et le courant qui le traverse est nul ou ngligeable.Par contre, lapparition dune surtension, ds que la tension aux bornes duparafoudre dpasse un certain seuil, le parafoudre devient conducteur, laissants couler un courant, ce qui limite la tension ses bornes et protge ainsilinstallation et les rcepteurs.

Pour chaque cas dutilisation, le parafoudre est choisi principalement en fonction desparamtres suivants :

Tension de seuil Surtension admissible par les appareils protger Intensit du courant que le parafoudre devra supporter pendant la dure de

surtension (la dure normalise du courant foudre est de 20 s)

Constituants de parafoudres :

Les lments gnralement utiliss pour la fabrication de parafoudres sont les :

Eclateurs gaz ; Varistances ; Diodes Zener.

On choisira les composants en fonction du niveau de protection souhait et ducourant couler, ceux-ci tant utiliss seuls ou combins.

clateur gaz :

Les clateurs gaz (Photo 10), dans leur version courante, sont capables d'couler la terre des courants transitoires jusqu' 10 kA.

Photo 10: clateur gaz

L'clateur gaz, dont le temps d'amorage se situe dans la plage des centaines denanosecondes et qui est dj utilis depuis plusieurs dcennies dans le domaine destlcommunications, ne prsente pas que des avantages.

Un inconvnient, c'est l'apparition d'un ventuel courant de suite. En cas d'amoragede l'clateur, un circuit lectrique basse impdance avec des tensions de plus de


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24 V est en mesure de maintenir l'clateur amorc, ce qui entrane sa destruction.C'est pourquoi, dans les circuits utilisant des protections contre les surtensionsfaisant appel des clateurs, on monte un fusible supplmentaire ou une varistanceen srie qui coupe alors rapidement le circuit ds la fin de surtension.

Varistance

A peu prs de mme taille que les clateurs gaz, certaines varistances (Photo 11)sont dsormais capables d'couler des dizaines de kA. Elles ne connaissent pas leproblme du courant de suite. Pour protger les circuits de commande et decontrle, on utilise des varistances pour la protection moyenne avec des courants dedcharge de l'ordre de 2,5 kA 50 kA. Elles sont alors dj plus encombrantes queles clateurs gaz avec une capacit de dcharge de 10 kA.

Photo 11: Varistance

Mais les varistances prsentent aussi des inconvnients, qu'il importe de ne pasngliger, savoir leur vieillissement progressif chaque surtension. Cela provoqueun courant de fuite qui cre un chauffement du composant par la tensionpermanente, jusqu la ncessit dtre remplac.

Diode Zener ( grosse jonction)

Trs souvent, malgr la prsence de parafoudres type varistances, la tensionrsiduelle est encore trop leve pour les dlicats montages lectroniques trssensibles aux surtensions. Il faut donc intgrer un nouvel tage dans le circuit de

protection.On utilise pour cela des diodes Zener bidirectionnelles (Photo 12), qui prsententl'avantage de limiter la tension environ 1,8 fois la tension nominale avec un tempsde raction extrmement rapide. Un de leur inconvnient majeur est leur trs faibledissipation dnergie (de lordre de 1J).


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Photo 12: Diode bidirectionnelle

Parafoudres combins

Pour assurer une bonne protection, une combinaison de plusieurs lments estparfois ralise afin de pouvoir exploiter les avantages des diffrents composantsclateur, varistance et diode. Pour cela on ralise un montage indirect en mettant enparallle des composants avec des impdances de dcouplage.

Figure 14: Montage combin

Caractristiques dun parafoudre :

Les parafoudres sont essentiellement caractriss par :

Uc: tension maximale en rgime permanent aux bornes du parafoudre sansaffecter son fonctionnement Up : niveau de protection (tension de crte aux bornes du parafoudre pendant

le passage du courant nominal de dcharge) In :courant nominal de dcharge (valeur de crte du courant de forme donde

8/20s que le parafoudre peut couler 20 fois) Imax: courant maximal de dcharge (valeur de crte du courant de forme

donde 8/20 s que le parafoudre peut couler 1 seule fois)

Choix dun parafoudre :

Le choix des parafoudres seffectue en fonction des critres suivants :

entre sortieInductance de

dcouplage ou

rsistance


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Uc: Tension maximale de fonctionnement aux bornes du parafoudre Up : niveau de protection dpendant des appareils protger. Pour tre

efficace, Up doit tre infrieure la tension de tenue aux chocs des appareilset des circuits protger.

In : La valeur de In est fonction du risque et de la densit de foudroiement (de

5 20 kA)

Installation de parafoudres :

Les parafoudres sinstallent, dune manire gnrale, sur toutes les lignes arrivant ousortant du btiment abritant les quipements protger.

Un seul parafoudre peut protger lensemble de linstallation, sur une mme ligne, sila longueur de canalisation entre le parafoudre et le matriel le plus loign estinfrieure 10 m.

Dans le cas contraire, il y a lieu dinstaller des parafoudres chaque extrmit de laliaison.

Mise hors service du parafoudre en fin de vie

Les lments entrant dans la construction de parafoudres sont susceptibles de sedtriorer par vieillissement provoquant gnralement un court circuit.Pour que cela ne mette pas en danger le circuit et la scurit dexploitation, il y a lieude prvoir une protection entranant sa dconnexion :

soit par systme de dconnexion thermique interne soit par disjoncteur ou fusibles en amont du parafoudre,

Lorsque le dispositif de coupure mettant hors service le parafoudre a fonctionn, laprotection contre les surtensions nest plus assure et le parafoudre doit treremplac. Lutilisateur doit tre inform de la situation par le fonctionnement dunsignal visuel ou par tltransmission. Certains parafoudres possdent un dispositifrefltant ltat du parafoudre et permettant de le remplacer avant sa dure de vie afindassurer la continuit de la protection. La norme NF 61-740 exige des parafoudressecteur de mourir en circuit ouvert.

Figure 15: Mise hors service d'un parafoudre

Protectionthermique

interne

Signalisation

Appareil protger


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Montage des parafoudres

Le nombre de parafoudres dpend du schma des liaisons la terre delinstallation car on distingue deux modes de protection :

Mode commun : protection entre conducteurs actifs et terre; Mode diffrentiel : protection entre conducteurs actifs (entre phase et neutre

ou entre polarit positive et ngative)

ImportantPour quune protection foudre soit efficace, les liaisons entre le parafoudre et lesconducteurs actifs dune part et la liaison entre le parafoudre et la masse del'quipement protger doivent tre aussi courtes que possible (longueur totale< 50 cm), limpdance de ces liaisons rduisant la protection assure par leparafoudre.

Figure 16: Montage des parafoudres (schma type TT)

L

N

PE

Equipement

protger

Parafoudre

*

P/L

N

PE

Equipement protgProtected equipment

ParafoudreSurge protective device

*

L1

L2

Mauvais montage car L1+L2 > 50 cm

Bon montage car L1+L2 = 0


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On se reportera utilement aux indications du guide UTE C 15-443 pour dterminerles parafoudres appropris aux installations lectriques basse tension.

3.3.4 Cheminement des cbles

Pour limiter les effets du champ magntique lors dun coulement de foudre, lecheminement des canalisations doit tre ralis de manire rduire le plus possiblela surface de boucle :

Dune part, entre les cbles de linstallation lectrique et les liaisons courantfaibles,

Dautre part, entre les cbles et conducteurs de masse.

En pratique, ces boucles de masse seront dautant plus faibles que le rseau demasse sera maill.

3.3.5 Blindage

Le blindage des liaisons est un excellent moyen pour viter, entre autres, lessurtensions induites. Compte tenu du cot lev des cbles blinds, ils sontessentiellement utiliss pour des circuits de tlcommunication et de transmissiondinformations. Pour tre efficace, le blindage doit tre reli ses deux extrmits aurseau quipotentiel.

3.4 valuation du risque foudre.

La ncessit ou non dinstaller un paratonnerre ou des parafoudres pour protgerdes quipements ou une installation lectrique des surtensions atmosphriquesdpend des lments suivants :

Evaluation du foudroiement de la zone; Nature du rseau de distribution dnergie lectrique; Topographie du lieu; Niveaux de tenue aux surtensions des diffrents matriels; Emplacement des matriels dans le circuit; Valeur et importance des matriels protger; Consquences de dfaillances ventuelles.

Diffrentes mthodes ont t dveloppes pour apprcier les risques de la foudre,notamment :

Norme CEI 1662 Norme NF 61024-1 Guide UTE C 15-443 (de 1996) Guide Merlin Grin (1995 - La protection des installations lectriques contre la

foudre)

La norme europenne EN 61024-1 propose une mthode de calcul de la probabilitde foudroiement direct. La mme norme dfinit galement les caractristiques dun


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choc foudre en fonction de 4 niveaux defficacit.

Niveaux de protectionParamtres Symbole UnitI II III IV

Efficacit E % 98 95 90 80

Valeur crte du courant I kA 200 150 100 100Charge totale Qtot C 300 225 150 150Charge impulsionnelle Qimp C 100 75 50 50Energie spcifique SE kJ/ohm 10 000 5 600 2 500 2 500Raideur moyenne di/dt kA/s 200 150 100 100Rayon de la sphre fictive R m 20 30 45 60Distance moyenne entreles descentes

D m 10 15 20 25

Le principe de la mthode est le calcul dun paramtre reprsentant le risquersultant dune formule prenant en compte les diffrents lments prcits.Selon le rsultat obtenu, on peut en dduire si linstallation de parafoudres est utileou ncessaire, ainsi que leurs caractristiques.

Aucune des mthodes ne garantit une protection absolue contre la foudre.Lessentiel est que ltude du risque soit faite justifiant ou non la mise en place deprotection.


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4.2 Protection contre les effets indirects

Il est rappel que la protection contre les effets indirects ncessite la mise en placesimultane de plusieurs mesures : Unicit de la prise de terre, Ralisation dun rseau quipotentiel reliant toutes les masses des matriels

lectriques et les lments conducteurs du btiment avec liaison la terre, Cheminement des cbles de faon viter les boucles susceptibles de favoriser

la gnration de surtensions dues au champ magntique rapidement variable, Mise en place de parafoudres relis la masse des appareils protgs, Blindage des cbles de tlcommunications et de transmission dinformations.

En consquence, pour les installations nergies renouvelables, la mise en uvrede ces mesures pourra se traduire pratiquement de la manire suivante :

4.2.1 Unicit de la prise de terre et quipotentialit des masses.

L'exprience montre que les problmes d'quipotentialit sont frquents et qu'ils sont l'origine de la majorit des dysfonctionnements. L'interconnexion des masses estd'une importance fondamentale pour le bon fonctionnement des protections contre lafoudre et les surtensions.Lensemble des masses mtalliques des quipements constituant linstallation deproduction et de distribution de llectricit, y compris entre btiments diffrents, doittre interconnect et reli une prise de terre unique.

a) Mauvais

Diffrence de potentiel Diffrence de potentiel

Champ photovoltaque LocalTechnique Habitation

b) Bien

Champ photovoltaque LocalTechnique Habitation

-+ N

P

>16mm


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Figure 18: quipotentialit des masses

Ralisation pratique :

Liaison quipotentielle extrieure :

Linterconnexion des masses entre le champ photovoltaque et les quipementslectriques peut tre ralise soit : avec le conducteur de protection vert/jaune sil est prsent dans le cble de

liaison sous rserve que sa section soit au minimum de 16 mm avec du cble de cuivre nu de section minimale de 25 mm. Celui-ci na pas

besoin dtre enterr si la longueur est infrieure 50 m. Au del de 50 m, leconducteur de masse doit tre obligatoirement enterr pour viter tout risquedamorage avec la terre ce qui endommagerait les cbles. La proximit duconducteur de masse avec les conducteurs actifs est fortement conseille pourlimiter la surface de boucle.

Lorsque la liaison quipotentielle est enterre, la section du cble en cuivre nu nedoit pas tre de section infrieure 25 mm pour des problmes de corrosion.

Lorsque plusieurs structures de modules photovoltaques sont prsentes, on pourrales relier entre elles avec de la tresse de masse ou du cble vert/jaune de sectionminimale 16 mm.

Dune manire gnrale, toutes les canalisations conductrices doivent tre mises laterre proximit de leur point d'entre dans le btiment (cas de goulottes mtalliqueset de cbles blinds). Toutes les structures mtalliques conductrices du btimentainsi que celles des modules (supports) devraient tre mises la terre.

N.B. Pour les installations photovoltaques dont les modules photovoltaques sont surun toit de btiment quip dun paratonnerre, et pour viter tout risque damorageentre les parties mtalliques des modules et les conducteurs de descente, une

liaison directe entre ces conducteurs et les parties mtalliques des modules devratre effectue.

Champ photovoltaque LocalTechnique Habitations

-

+ N

P

Cu nu >25mm

c) Excellent

Cu nu >25mm


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Si la toiture est en tle, il y a lieu de connecter celle-ci avec le conducteur assurant laliaison quipotentielle.

Les masses mtalliques des quipements lectroniques (rgulateur, onduleurchargeur, etc.) distantes les unes des autres de moins de deux mtres se feront, de

la manire suivante:

si la distance est infrieure 2 m entre quipements et barredquipotentialit, chaque masse dquipement sera directement raccorde la barre dquipotentialit par des conducteurs de masse de section minimale10 mm.

si la distance est suprieure 2 m entre quipements et barredquipotentialit, chaque masse dquipement sera directement raccorde la cblette cuivre nu commune proche des quipements elle-mme relie labarre dquipotentialit,.

De prfrence, ces connexions, seront ralises mme si un conducteur PE (vertjaune) relie dj deux quipements via un cble dalimentation.Dune manire gnrale, linterconnexion des masses se fera de prfrence dunemanire maille, plutt quen toile, surtout si les cbles dinterconnexion sont longs.

Figure 19: Liaison extrieure quipotentielle

Rgulateur=

Onduleur TGBT

Vers champphotovoltaque

Barrette dquipotentialit

Goulotte mtalliqueou cablo-fil

Cuivre nu 25 mm Cuivre nu 25 mm

Prise de terre locale

Cuivre nu 25 mm

PN

PEV/J 10mmV/J 10mm V/J 10mm

PN

Si L> 2 m


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Figure 21: Schma de potentiel reli la terre

Le schma de la figure 21 est recommand dune manire gnrale car il prsenteles avantages suivants :

Bonne protection vis vis des perturbations lectromagntiques, y compris leseffets engendrs par la foudre

Protection contre les surcharges sur une seule polarit Protection des personnes pour les installations de tension nominale 48 V et au

del Pas de contrleur permanent disolement (CPI).

La polarit positive ou ngative peut tre indiffremment mise la terre,toutefois il est prfrable de relier le + la terre pour viter des phnomnesde corrosion lectrolytique au niveau de certains quipements (modulesphotovoltaques).Cette lectrocorrosion est dautant plus probable que la tension nominale defonctionnement est leve et que lair ambiant est humide et salin.Cette configuration est dj applique dans le domaine des tlcommunications en48V.La mise la terre dun conducteur actif (une polarit continue ou cration du neutreen alternatif) doit se faire en un seul point pour viter quun courant de dfaut necircule dans le conducteur de protection. Il sera de prfrence effectu au niveau desquipements lectriques (armoire de rgulation ou sortie onduleur).

Polarit (+) relie la massePlus linked to the mass

+

-

+

-

Boite de jonctionJunction box

Rgulateur ou onduleurRegulator or inverter

Champ photovoltaquePV array


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Important:

Avant de fixer une polarit la terre, et pour viter tout risque de court-circuit, ilfaut imprativement vrifier la compatibilit des quipements avec laconfiguration retenue, car lalimentation de certains appareils est dj rfrence

en interne la masse. Dans le cas o une polarit est relie la terre, et pour assurer leur fonction en

cas de dfaut disolement, les organes de protection (fusibles, disjoncteurs,..) oude contrle (relais, interrupteurs lectroniques,) doivent tre placs sur lautrepolarit.

Emplacement des parafoudres

Afin de protger les quipements (modules photovoltaques ou arognrateur etlectronique) contre les coups de foudre indirects, des parafoudres (type varistancesde zinc) doivent tre installs de part et dautres des diffrentes liaisons.

Si le cble de liaison nexcde pas 10 m, linstallation de parafoudres au niveau duchamp photovoltaque ou de larognrateur nest pas indispensable.

Note : Pour les gnrateurs photovoltaques, les diodes anti-retour et by-passdoivent pouvoir supporter une tension inverse compatible avec le seuil de tension deprotection du parafoudre afin quelles ne soient pas dtruites lors dune surtension(attention aux faibles valeurs de tension inverse des diodes Schottky).

Dune manire gnrale, tous les cbles entrant et sortant du btiment (puissance,donnes, tlphone) doivent bnficier d'une protection contre les surtensionsrfrence la masse locale.Note : Bien quune liaison souterraine soit moins expose aux surtensions induitesquune liaison arienne, une protection par parafoudre reste ncessaire.

Important :Il y a lieu de prendre des prcautions pour la mise en uvre de la protection foudredes modems sur la ligne tlphonique. En effet, une liaison suprieure 50 cm entrele parafoudre tlphone et la masse rend la protection inefficace.


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Choix du parafoudre sur circuit courant continu (liaison champ photovoltaque)

Les caractristiques du parafoudre sont dtermins par les critres suivants :

Un : la tension doit tre choisie de telle sorte que la varistance ne conduisepas en tension de circuit ouvert des modules (Un > 1,4 x Uco)

Up : Niveau de protection : infrieur 1,5 kV selon la tenue aux chocs desquipements protger.

In : >= 2 kA 15 kA en onde 8/20 s ou Imax >= de 6 kA 40 kA selon leniveau de protection souhait.

Plutt que de prendre des varistances oxyde de zinc seules, on choisira deprfrence des parafoudres avec signalisation et dconnexion thermique intgrepour viter tout risque de court circuit en cas de vieillissement.

Note: L'clateur gaz seul est proscrire en courant continu car sa tension d'arctant faible, il peut ne pas steindre.

Choix du parafoudre sur circuit courant alternatif

(exemple : liaison groupe lectrogne / habitation ou liaison rseau / onduleur ouliaison arognrateur / chargeur)Le type de parafoudre (unipolaire ou multipolaire) est fonction du schma de liaison la terre .Pour un site isol, le schma de neutre est gnralement de type TNS.Pour un site photovoltaque raccord au rseau, le schma de neutre estgnralement de type TT.Pour faire le bon choix des parafoudres correspondants, on se reportera utilementaux indications du guide UTE C 15-443 et la norme NFC 61-740 pour dterminerles parafoudres appropris aux installations lectriques basse tension.


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Boucle induite par les conducteurs actifs et le conducteur de masse

Une autre boucle peut se former entre les conducteurs actifs du circuit continu et leconducteur dinterconnexion des masses si ceux-ci ne sont pas joints lors ducheminement des cbles vers les quipements lectriques (voir Figure 22). Cette

surtension peut provoquer un claquage destructif des quipements lectriques oudes modules photovoltaques.

Figure 22: Boucle induite: attention cette boucle de masse

En consquence, on veillera ce que les cbles de liaison entre le champphotovoltaque et les quipements lectriques soient plaqus sur toute leur longueurcontre le cble de masse. Une protection complmentaire, type blindage permetd'augmenter le degr de protection. Ce blindage peut tre ralis en utilisant desgoulottes mtalliques raccordes la masse ct capteurs et ct btiment.

Goulotte

Correct Excellent


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Figure 23: Position du cble

4.2.4 Blindage des canalisations

Pour des installations trs exposes la foudre comportant des quipementssensibles, par exemple en tlcommunication, plutt que dutiliser des cbles

blinds entre champ photovoltaque et lectronique, il est prfrable et moinscoteux de faire cheminer les conducteurs dans des chemins de cbles mtalliquesrelis au moins la masse de part et dautre (voir ci-dessus).

4.3 valuation du risque foudre pour les installations

La ncessit ou non dinstaller un dispositif de capture de la foudre ou desparafoudres pour protger des quipements aliments par des systmes avecl'utilisation des nergies renouvelables dpend des lments suivants :

valuation du foudroiement de la zone ; Topographie du lieu ; Niveaux de tenue aux surtensions des diffrents matriels ; Valeur et importance des matriels protger ; Consquences de dfaillances ventuelles.

Une mthode dvaluation du risque foudre inspire de la norme NF 61024-1, estprsente dans le document dit par la Commission Europenne Lightning andovervoltage protection in photovoltaic and solar thermal systems .

Cornire

Non Meilleur Excellent


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5 MESURES DE PROTECTION POUR LES INSTALLATIONS

Comme indiqu prcdemment, il existe galement des mthodes empiriquesbases sur les statistiques et expriences qui permettent dapprocher la ncessit demettre en place des protections contre les surtensions.

Toutefois, pour tre pratique, il est propos des mesures de protection foudre selondeux niveaux pour les installations intgrant des nergies renouvelables :

Niveau A (risque moyen de foudre) Interconnexion des masses et mise la terre Protection par varistances type In>=2 5 kA (ou Imax>=6 kA 15kA) sur

liaisons extrieures (circuit continu et alternatif) Protection spcifique sur autres lignes extrieures (tlphone,...)

Niveau B (risque important de foudre):

Interconnexion des masses et mise la terre Protection par varistances type In >=10 kA 15 kA (ou Imax>=40 kA) surliaisons courant continu

Protection tage sur rseau arien alternatif (si existant) Protection spcifique sur autres lignes extrieures (tlphone,...) Protection externe par dispositifs de capture Blindage des cbles sensibles

A titre dexemple, il est donn un niveau de protection envisag selon diffrentesapplications couramment rencontres dans le domaine de la production dlectricitpar nergies renouvelables et dont lexposition au risque foudre est troitement lie

aux conditions rencontres (point haut, consquence en cas de dfaillance,). Il estentendu que ce niveau de protection est donn titre indicatif. Dans le cas de sitestrs exposs, il y a lieu daugmenter le niveau de protection.

Niveau de protection A BSystme photovoltaque individuel (SHS)Refuge de montagne avec PV rGnrateur PV pour l'habitat isol rRelais tlcommunications aliment en PV rStation pompage PV rSystme PV avec couplage rseau urbain rSystme avec arognrateur autonome r

Sept cas pratiques sont traits titre dexemple pour le choix du type de protection etsa mise en uvre.

Aspects conomiques :Il est noter que les mesures proposes sont dun cot faible par rapport au cotglobal de linstallation de production dlectricit (de lordre de 1 % 3 % selon lessystmes). Au regard de ce faible investissement relatif, ces dispositions sont mettre systmatiquement en uvre ds que la probabilit de surtensions nest pas

ngligeable.


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5.1 Systme d'lectrification photovoltaque individuel (SEI)

Caractristique de linstallation tudie :

Gnrateur photovoltaque autonome faible puissance (SEI ou SHS comme "SolarHome System") : un deux modules de 50 W, fixs sur le toit ou sur un mt proximit de

lhabitation tension nominale de la batterie : 12 V

application : alimentation dune habitation isolesite dimplantation : plainematriel protger : rgulateur , rcepteurs 12 V (valeur faible)prjudices en cas de dfaillance : faible

Principe de protection foudre retenu :

Aucun

Conclusion : Dune manire gnrale, les petites installations SEI sont dessystmes de faible puissance constitus dun ou deux modules, faible distance delhabitation, donc avec un faible risque de surtension. Dautre part le cot desdommages d une surtension reste faible ce qui explique que beaucoup degnrateurs SEI ne disposent daucune protection spcifique. Nanmoins, si le siteest particulirement expos, le principe de protection retenu sera identique celui du

gnrateur photovoltaque alimentant un relais radio (voir exemple suivant), maissans mise en place de paratonnerre.

Rgulateur/regulator

DC

Batterie / Battery 12V

Champ photovoltaqueSolar Array< 200 Wc / Wp

RcepteursLoad


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REGULATEUR CHARGE/DECHARGE /CHARGE DISCHARGE REGULATIOR

ZONE PEU SENSIBLENO EXPOSED AREA

+

-

12 V

Figure 10 EXEMPLE SHS / SEI EXAMPLE

12 V

ZONE SENSIBLEEXPOSED AREA

REGULATEUR CHARGE/DECHARGECHARGE DISCHARGE REGULATOR

+

-


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5.2 Gnrateur photovoltaque pour habitat.


Gnrateur photovoltaque autonome moyenne puissance (1 000 2 000 W): modules fixs au sol 30 m du btiment tension nominale de la batterie : 24 V

application : alimentation dune rsidence principalesite dimplantation : plainematriel protger : rgulateur , onduleur, rcepteurs 24 V et 230 V (valeurimportante)prjudices en cas de dfaillance : moyen


interconnexion des masses par cble cuivre nu de 25 mm enterr en trancheentre champ photovoltaque et armoire de rgulation. Liaison entre onduleur,chargeur, groupe lectrogne

Mise la terre des masses Polarit + la masse et la terre Parafoudres sur circuit courant continu:

bipolaire dans la bote de jonction unipolaire dans larmoire de rgulation varistance oxyde de zinc de type modulaire avec signalisation de

dfaut et dconnexion thermique intgre Caractristiques : Uc: 100 V, Up= 300V, In= 2 kA

Parafoudres sur circuit courant alternatif: Type modulaire pour rgime TNS de part et dautre de la liaison

groupe lectrogne/btiment (si groupe dans local techniquedistant)

Parafoudre sur arrive ligne tlphonique avec mise la masse et la terre Valeur de prise de terre non critique

Conclusion : Compte tenu du risque moyen de foudroiement, on retiendra laprotection de niveau A.


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Boite de jonctionJunction box

Batterie24 V

Battery

+

- +

P/L

N

-

+

+

-

PE

R

Rgulateur

Regulator

Onduleur

Inverter

+

-

Support

mtallique

Champphotovoltaque

PV array

*

*

* Non indispensable si / if L


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+ - PFL


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5.3 Refuge de montagne


Gnrateur photovoltaque autonome moyenne puissance (1 000 W 2 000 W): modules fixs sur le toit du refuge tension nominale de la batterie : 24 V

application : alimentation dun refuge de montagnesite dimplantation : haute montagne (2 000 m)matriel protger : rgulateur , onduleur, rcepteurs 24 V et 230 V (valeurimportante)prjudices en cas de dfaillance : important

frais de dplacement lev (hliportage)


Mise en place dune installation extrieure de protection contre la foudre (IEPF)par cage maille sur le btiment de manire ce que tous les modules setrouvent dans la zone de protection.

interconnexion des masses par cble cuivre nu de 25 mm entre champphotovoltaque, armoire de rgulation, onduleur, chargeur, groupe lectrogne

Mise la terre des masses Interconnexion de la prise de terre btiment et de la prise de terre paratonnerre Polarit + la masse et la terre Parafoudres sur circuit courant continu:

bipolaire dans les botes de jonction modules unipolaire dans larmoire de rgulation varistance oxyde de zinc de type modulaire avec signalisation de

dfaut et dconnexion thermique intgre Caractristiques : Uc= 100 V, Up = 450 V, In = 10 kA

Parafoudres sur circuit courant alternatif: Type modulaire pour rgime TNS de part et dautre de la liaison

groupe lectrogne/btiment (si groupe dans local techniquedistant) Parafoudre sur arrive ligne tlphonique avec mise la masse et la terre Valeur de prise de terre non critique

Conclusion : Compte tenu du risque important de foudroiement, on retiendra laprotection maximale de niveau B.


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ChargeLoad

12V

R

+ -

+

-

++++

----

+

-

*

BatterieBattery

12V


Figure 14 GENERATEUR PV POUR RELAIS RADIO 12 VPV GENERATOR FOR RADIO RELAY 12 V

Rgulateur/regulator

DC

Batterie / Battery 12V

Champ photovoltaqueSolar Array

RcepteursLoad


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FIGURE 15 : RELAIS RADIO ALIMENTE EN PHOTOVOLTAIQUE

BJ

AntenneAntenna

Pylone = paratonnerreLightning protection

LOCAL TECHNIQUE / TECHNICAL ROOM

RgulateurRegulator Relais

RadioRelay

+ - + - + -

P/L B U

+ -PF

Boucle en fond de fouilleUnderground loop

Conduit mtalliqueMetallic sheath

Cu nu 25 mm2


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5.5 Systme de tlcommunications (faisceau hertzien)


Gnrateur photovoltaque autonome de moyenne puissance (1 000 W 2 000 W): modules fixs au sol 30 m du btiment tension nominale de la batterie : 48 V (+) la terre

application : alimentation dun faisceau hertzien avec antennes sur pylne mtalliquesite dimplantation : point hautmatriel protger : rgulateur , quipements tlcom (valeur trs importante)prjudices en cas de dfaillance : considrable


Le pylne fait office de paratonnerre Prise de terre du paratonnerre ralise en patte doie Installation des modules photovoltaques dans la zone de protection du

paratonnerre interconnexion des masses par cble cuivre nu de 25 mm (ou mieux par plat de

cuivre 30 x 2 mm) entre champ photovoltaque et rgulation, Pose des cbles dans goulottes mtalliques relies la masse de part et dautre

de la liaison interconnexion des masses entre quipements Prise de terre du btiment ralis en fond de fouille Mise la terre des masses au niveau du local technique Polarit + la masse et la terre Parafoudres sur circuit courant continu:

bipolaire dans les botes de jonction modules unipolaire dans la rgulation varistance oxyde de zinc de type modulaire avec signalisation de

dfaut et dconnexion thermique intgre Caractristiques : Uc: >125 V, U p= 450 V, In = 10 kA

Valeur de prise de terre la plus faible possible mais non critique Interconnexion de la prise de terre du paratonnerre et des quipements

Conclusion : Compte tenu du risque important de foudroiement, on retiendra laprotection maximale de niveau B.


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FIGURE 17 : FAISCEAU HERTZIEN ALIMENTE EN PHOTOVOLTAIQUE

BJ+PF*

+ - + - + -P B U

RgulateurRegulator

PF

boucle

Undergro

Boite dejonctionJunctionbox

PF=Parafoudre / Surge protection device* : non indispensable si L< 10m



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5.8 Arognrateur pour alimentation autonome


Arognrateur Gnratrice triphase Chargeur olien Batterie 48 V Onduleur 48 V / 230 V

application : alimentation dune habitation en site isolsite dimplantation : plainematriel protger : gnratrice, chargeur, onduleurprjudices en cas de dfaillance : important


Mise la terre de la masse de la gnratrice par le biais du conducteur deprotection du cble dalimentation (4 conducteurs dont 1 vert/jaune)

Mise la terre du neutre de la gnratrice en pied de mt Mise la terre du mt par une patte doie Interconnexion des masses par cble cuivre nu de 25 mm entre mt de

larognrateur et les quipements lectriques (chargeur, onduleur,..) Polarit + de la batterie la masse et la terre Parafoudres sur circuit CA:

tripolaire la sortie de larognrateur si la distance entrelolienne et le chargeur est >10m (varistance oxyde de zinc aveccaractristiques : Uc: >440 V, Up= 1,5 kV, In >= 15 kA)

Parafoudre tripolaire sur arrive de cble entre chargeur(varistances oxyde de zinc avec caractristiques : Uc: >440 V,Up= 1,5 kV, In >= 15 kA)

Conclusion : Compte tenu du risque moyen de foudroiement, on retiendra le niveaude protection de type B.

N.B. Pour des sites trs exposs la foudre, il y aurait lieu de prendre desdispositions complmentaires : Installation dun paratonnerre de plus grande hauteur que lolienne avec

interconnexion des prises de terre.


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du nuage, voit ses branches se rallumer les unes aprs les autres. La dure de ladcharge subsquente peut atteindre une seconde, coulant des intensits decourant de quelques dizaines de kiloampres, en des temps de monte infrieurs la microseconde. Issu d'une rgion champ moyen faible, le traceur ascendant sedveloppe alors dans un espace dont le champ lectrique crot avec l'altitude.

A.2.2 Coup de foudre descendant.

Cette configuration est de loin la plus probable en particulier en terrain plat. Letraceur est gnralement de courant ngatif et progresse vers le sol par bonds (entredeux bonds, le temps d'arrt peut atteindre 100 s). Ds que la pointe du traceurapproche le sol, un autre traceur, ascendant celui-l, issu d'un obstacle conducteur(arbres, paratonnerre, etc.), monte sa rencontre.La jonction des deux traceurs tablit un court-circuit entre le nuage et le sol. Lescharges superficielles du sol remontent alors vers le nuage (arc en retour). Cet arcen retour est souvent suivi de r-allumages successifs, un courant permanentpersiste qui dcharge la plus grande partie de la charge du nuage. Il y a quelquefoisplus d'une dizaine r-allumages.

Figure 1: Forme et amplitude des coups de foudre descendants (source: A. Charoy)

Les coups de foudre ngatifs prsentent une succession d'impulsions de courant trsvari. La premire impulsion (dont le front de monte est compris entre 5 et 20 s etle temps de descente de l'ordre de 100 s) est suivie d'impulsions rgulires et plusrapides, d'amplitude de crte infrieure celle de la premire dcharge (voir ci-aprs.).

Les coups de foudre positifs sont constitus d'une dcharge unique. Le front demonte de l'impulsion est compris entre 20 et 50 s, mais l'amplitude peut dpasser

100 kA.


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Figure 2: Les impulsions d'un choc foudre (source : A. Charoy)

A.3 Effets dus la foudre.

Sans voquer les effets particuliers sur les tres vivants, l'impact de la foudreengendre plusieurs effets susceptibles daffecter le fonctionnement des installations

lectriques, notamment :

Les effets thermiques et lectrodynamiques, Les effets de diffrence de potentiel entre terres, Les effets lectromagntiques.

A.3.1 Les effets thermiques et lectrodynamiques :

Le passage brutal, sur une structure, d'un courant lectrique trs intense peutprovoquer un incendie ou une fusion par effet Joule, en particulier aux pointsdimpact de la foudre et aux points de jonction et connexions le long du cheminemprunt par le courant de foudre.Dautre part, lorsque le courant de foudre emprunte des conducteurs parallles, ilsexerce entre ces conducteurs des forces lectrodynamiques importantes pouvantentraner des ruptures ou dformations importantes.

A.3.2 Les effets de diffrence de potentiel entre terres

Monte de potentiel de sol

Lorsquun point de la terre reoit le courant de foudre, le potentiel de ce point slvetrs fortement par rapport aux autres points du sol distants du point dimpact. Ilapparat un gradient de potentiel dans le sol, pouvant crer des situationsdangereuses notamment pour les tres vivants (tension de pas).


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Figure 3: Montes en potentiel du sol (source: APAVE)

La rsistivit dun sol moyen est de lordre de 1000 ohm.m, et qui peut atteindre10 000 en montagne donc p =100 dans la formule ci-dessus.Si un courant de foudre de 25 kA se produit 100 m dun tre vivant, la tension depas est de 500 V sur 1 m.

Tension entre deux terres distinctesSupposons une ligne lectrique ou tlphonique reliant deux quipements distantsayant chacun une terre distincte (schma TT).

Figure 4: Surtension par la terre en schma TT (source: Schneider)


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A simple method for ligtning protection of PV systems (H. Haberlin und R.Minkner) April 1994

Protection contre les effets de la foudre (Directives pour lutilisation des ENRdans llectrification rurale dcentralise EDF / ADEME - Juin 1997)

La foudre: un risque traiter (journes techniques APAVE- mai 2000)

B.3 Quelques fournisseurs de parafoudres

SOULE : www.domofoudre.com CITEL : www.citel.fr PHOENIX CONTACT : www.phoenixcontact.com DEHN : www.dehn.de

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