Que fait un parafoudre lorsqu'un éclair frappe ?

UN parafoudre Il dévie les surtensions dues à la foudre ou aux manœuvres de commutation, les éloignant des équipements et les dirigeant en toute sécurité vers la terre. Placé entre le conducteur sous tension et la terre, il est électriquement invisible en fonctionnement normal. Lorsqu'une surtension dépasse un seuil prédéfini, le parafoudre conduit instantanément, canalise le courant de surtension vers la terre et revient à un état de haute impédance une fois la surtension dissipée. Sans lui, cette même surtension se propagerait rapidement dans les transformateurs, les câbles, les appareillages de commutation ou les enroulements de moteurs, dégradant l'isolation jusqu'à provoquer une défaillance.

Comment les composants internes gèrent une surtension

Le noyau actif d'un parafoudre est constitué d'un empilement de blocs de varistances à oxyde métallique, généralement à oxyde de zinc, maintenus sous pression dans un boîtier étanche. Ces céramiques présentent une résistance fortement non linéaire, ne consommant que quelques milliampères sous tension nominale, puis s'effondrant presque instantanément lors d'une surtension pour dissiper des milliers d'ampères à la terre. Une fois la surtension terminée, la résistance remonte et le parafoudre coupe le courant de fuite sans nécessiter d'éclateur supplémentaire.

Les parafoudres à boîtier en porcelaine sont disponibles en version composite polymère. La porcelaine, éprouvée sur le terrain, résiste bien à la lumière du soleil et aux arcs électriques de surface, mais peut se briser sous la pression d'un défaut interne. Les parafoudres à boîtier polymère utilisent une enveloppe en caoutchouc silicone recouvrant un tube en fibre de verre. Plus légers, ils résistent au vandalisme et aux dommages liés à la manipulation, et ont tendance à se fendre plutôt qu'à exploser lors de défauts, réduisant ainsi le risque d'éclatement dans les postes de transformation occupés.

Où sont installés les parafoudres

Les parafoudres sont utilisés pour l'ensemble du réseau électrique, du niveau de transport jusqu'au point de distribution. Leur emplacement typique comprend :

• Postes de transport et de distribution – Les parafoudres installés sur les traversées haute et basse tension des transformateurs de puissance protègent l'équipement le plus coûteux du dépôt. Une surtension provoquée par la foudre entraîne une panne prolongée et onéreuse, un risque considérablement réduit par un système de parafoudres correctement coordonné.
• Poteaux de lignes aériennes – Des parafoudres montés sur les poteaux à intervalles réguliers et sur les poteaux de colonnes montantes de câbles interceptent les surtensions dues à la foudre qui se propagent le long des conducteurs avant qu'elles n'atteignent les sections de câbles souterrains ou les équipements vulnérables situés en haut des poteaux.
• Jonctions de câbles souterrains – Là où les lignes aériennes se transforment en câbles souterrains, les parafoudres à point ouvert contrôlent les réflexions de tension qui se produisent au changement d'impédance, protégeant ainsi la gaine et les terminaisons du câble.
• Les machines tournantes – les générateurs, les gros moteurs et les compensateurs synchrones – ont une tension de tenue aux impulsions inférieure à celle des transformateurs et nécessitent des parafoudres adaptés spécifiquement à leur classe d'isolation, souvent installés près des bornes de la machine.
• Appareillages de commutation et centres de commande de moteurs – Les parafoudres à enveloppe métallique à l'intérieur des lignes d'appareillage de commutation protègent les disjoncteurs à vide ou SF6 des surtensions de commutation qu'ils génèrent eux-mêmes pendant leur fonctionnement.
• Les installations d'énergie renouvelable – boîtiers de raccordement de centrales solaires, stations d'onduleurs et nacelles d'éoliennes – sont chacune protégées par des parafoudres côté CC et côté CA, car leur emplacement exposé et les longues distances de câblage de ces sites attirent les surtensions induites, même par la foudre lointaine.

Le principe est simple : placez le parafoudre aussi près que possible, électriquement parlant, de l’équipement qu’il protège, car l’inductance due à la longueur du câble peut engendrer une chute de tension suffisante lors d’une surtension rapide pour réduire la marge de protection.

Choisir le bon dispositif d'arrêt pour l'application

Sélectionner un parafoudre Cela implique d'adapter plusieurs paramètres clés aux conditions du système. Les principaux paramètres sont les suivants :

• La tension de fonctionnement continue est la tension maximale entre phase et terre à laquelle le parafoudre est constamment exposé. Un dimensionnement trop proche de la tension nominale du réseau entraîne une conduction excessive et un vieillissement prématuré.
• La capacité de protection contre les surtensions temporaires doit supporter les surtensions à fréquence industrielle lors de défauts à la terre sur des phases saines. Une capacité insuffisante entraîne un emballement thermique et une défaillance pendant le défaut.
• Le courant de décharge nominal correspond à l'onde de choc standard que le parafoudre peut supporter de manière répétée. Les parafoudres de distribution sont généralement dimensionnés pour 5 kA ou 10 kA ; les parafoudres de poste pour 10 kA ou 20 kA.
• La capacité d'absorption d'énergie permet de supporter les surtensions de longue durée dues à la commutation de condensateurs ou aux surtensions des lignes de transmission. Le parafoudre doit disposer d'une capacité thermique suffisante pour absorber l'énergie sans surchauffer les varistances.
• Le matériau du boîtier et la distance de fuite dépendent du niveau de pollution du site. Les boîtiers en polymère à profils alternés permettent d'obtenir une longue distance de fuite sur une longueur réduite tout en conservant leurs propriétés hydrophobes dans les zones polluées et côtières.

Il est également important d'adapter le parafoudre à la mise à la terre du système. Dans un système non mis à la terre ou à une impédance de terre, une tension phase-phase maximale peut apparaître entre phase et terre sur les phases saines lors d'un défaut. Les parafoudres standard conçus pour les systèmes mis à la terre de manière directe peuvent ne pas résister à cette condition sans une tension nominale accrue.

Pratiques d'installation ayant une incidence sur les performances

L'installation influe directement sur les performances de la protection. La longueur des câbles entre la borne de ligne et le parafoudre, ainsi qu'entre le parafoudre et la terre, induit une inductance qui génère une tension lors des surtensions rapides. Cette tension augmente la tension résiduelle du parafoudre et la tension totale perçue par l'équipement. L'utilisation de câbles courts et rectilignes, ainsi que la mise à la terre du parafoudre directement sur l'enveloppe de l'équipement, minimisent cet effet.

Installez le parafoudre fermement sans déformer le boîtier ni exercer de contrainte sur les embouts. Sur les modèles à boîtier polymère, laissez le sectionneur de terre pendre librement afin qu'il puisse isoler un parafoudre défectueux du circuit. Le bloquer annule son rôle. Serrez tous les raccords au couple prescrit pour éviter les arcs électriques au niveau des joints desserrés. Après la mise sous tension, un contrôle thermographique rapide des bornes et du corps permet de détecter les connexions desserrées ou une dégradation précoce avant toute défaillance.

Des contrôles de routine qui prolongent la durée de vie

Les parafoudres se dégradent progressivement. Chaque surtension dissipe de l'énergie dans les blocs de varistances, et le courant de fuite à la tension de fonctionnement peut augmenter avec le temps. Un contrôle courant sur le terrain mesure le courant de fuite total et, si possible, sa composante résistive. Une augmentation du courant résistif lors des contrôles signale le vieillissement des varistances et la nécessité de les remplacer avant une défaillance thermique.

Lors d'un contrôle visuel, il convient de rechercher des fissures dans le boîtier, des traces de corrosion sur les calandres et des connexions corrodées ou desserrées. Sur les parafoudres à boîtier polymère, un farinage important, une érosion des calandres ou un décollement entre le boîtier et les joints d'extrémité indiquent des infiltrations d'humidité. Un sectionneur partiellement actionné ou produisant des arcs électriques suggère un défaut antérieur ayant probablement endommagé le parafoudre, même s'il paraît encore intact.

Un appareil qui reste silencieux jusqu'à ce qu'on en ait besoin.

UN parafoudre Pendant la majeure partie de sa durée de vie, ce dispositif reste invisible, et c'est précisément son rôle. Il reste en état de haute impédance et, en cas de surtension, il réagit plus rapidement que n'importe quel interrupteur mécanique, déviant l'énergie avant que l'isolation des équipements connectés ne cède. Pour tout responsable de la fiabilité des réseaux électriques, installer le parafoudre adéquat au bon endroit et l'inspecter régulièrement constitue l'un des moyens les plus rentables de prévenir les défaillances en cascade qui se répercutent sur le réseau et sont consignées dans les rapports de pannes.