Système de Protection contre la Foudre
Comprendre le Système de Protection contre la Foudre
Vous êtes un ingénieur en électricité chargé de concevoir un système de protection contre les surtensions pour un bâtiment résidentiel. Le bâtiment est situé dans une région avec une densité de foudre moyenne, où le nombre moyen d’orages par an est de 25. Le bâtiment comporte trois étages, avec des équipements électriques sensibles tels que des ordinateurs, des systèmes de sécurité, et des appareils électroménagers qui doivent être protégés.
Objectifs : Votre tâche consiste à choisir et dimensionner un système de parafoudres (SPD : Surge Protection Device) adapté pour protéger le bâtiment des impacts directs et indirects de la foudre, en minimisant les risques pour les équipements et les occupants.
Données
- Localisation et climatologie :
- Nombre moyen annuel de jours d’orage : 25
- Niveau de kéraunique (nombre moyen de jours d’orage par an) : 20
- Caractéristiques du bâtiment :
- Surface au sol : 200 m² par étage, 3 étages
- Matériaux de construction principaux : béton et acier
- Présence d’équipements électroniques sensibles dans tous les étages
- Normes de sécurité :
- Tension maximale admissible pour les équipements sensibles : 1500 V
- Normes applicables : NF C 15-100 et les recommandations de la IEC 62305
- Paramètres de la foudre (basés sur les statistiques locales) :
- Courant de foudre de pointe moyen : 30 kA (forme d’onde 10/350 µs)
Questions:
1. Calcul de l’exposition au risque:
- Évaluer le niveau de risque de foudre.
2. Sélection du SPD:
- Choisir un SPD adapté} qui peut gérer un courant de foudre de 30 kA.
- Justifier le choix en fonction des caractéristiques du SPD (tension de protection, courant nominal, etc.).
3. Calcul de la protection nécessaire:
Déterminer la capacité minimale de l’installation de protection nécessaire} pour prévenir les dommages aux équipements sensibles, en utilisant la formule: \( U_p = K \times U_0 \) où \(U_p\) est la tension de protection du SPD, \(U_0\) est la tension maximale admissible pour les équipements, et \(K\) est un coefficient de sécurité (par exemple, 0.8).
4. Schéma de l’installation:
- Dessiner un schéma simple montrant l’intégration du SPD dans le système électrique du bâtiment.
Correction : Système de Protection contre la Foudre
1. Calcul de l’exposition au risque
La zone de risque nous indique à quel point la foudre est susceptible de frapper dans la région. Pour la déterminer, on compte le nombre moyen de jours d’orage par an (appelé kéraunique). Plus ce nombre est élevé, plus la probabilité d’être affecté par la foudre est grande.
- \(N_g\) : nombre moyen annuel de jours d’orage.
- Zone 1 : \(< 15\) jours d’orage/an.
- Zone 2 : \(15 \le N_g < 40\) jours/an.
- Zone 3 : \(\ge 40\) jours/an.
Formule
\[ \begin{cases} \text{Zone 1 si }N_g < 15,\\ \text{Zone 2 si }15 \le N_g < 40,\\ \text{Zone 3 si }N_g \ge 40. \end{cases} \]
Données
- \(N_g = 20\) jours/an.
Calcul
Comme \(15 \le 20 < 40\), le bâtiment se trouve en Zone 2, c’est-à-dire un risque modéré qui nécessite des protections adaptées.
2. Sélection du SPD
Un SPD (Surge Protection Device) est un dispositif qui détecte la surtension causée par un coup de foudre et dévie ce courant vers la terre pour protéger les équipements en aval (ordinateurs, systèmes de sécurité, etc.). Pour qu’il soit efficace, il doit pouvoir supporter l’intensité du coup de foudre et fonctionner rapidement.
Formule
\[ I_n = 1{,}25 \times I_{\text{imp}} \]
Données
- \(I_{\text{imp}} = 30\ \text{kA}\) (courant de pointe de la foudre).
Calcul
\[ I_n = 1{,}25 \times 30 = 37{,}5\ \text{kA}. \]
On arrondit à 40 kA pour disposer d’une marge de sécurité.
Choix du SPD
Type : SPD Type 2 (idéal pour une installation résidentielle)
3. Calcul de la protection nécessaire
Même si le SPD peut supporter un fort courant, il faut vérifier que la tension résiduelle \(Up\) qu’il laisse passer reste inférieure à ce que peuvent tolérer les équipements sensibles.
Formule
\[ U_p = K \times U_0 \]
Données
- \(U_0 = 1500\ \text{V}\)
- \(K = 0{,}8\) (recommandé pour une marge suffisante)
Calcul
\[ U_p = 0,8 \times 1500 = 1200\ \text{V}. \]
Ainsi, le SPD choisi doit garantir \(Up \le 1200\ \text{V}\) pour protéger efficacement les appareils.
4. Schéma de l’installation
(TGBT)
In=40kA
Up≤1200V
(Disj.)
électroniques sensibles
Explication du schéma
Chaque bloc coloré représente un élément du système. Les flèches indiquent le chemin de la surtension : elle part du réseau EDF, traverse le tableau général, passe par le SPD puis le fusible, se répartit sur les lignes phase et neutre, et enfin est déviée vers la terre pour protéger les équipements sensibles.
Système de Protection contre la Foudre
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