Guide de mise à la terre pour les dispositifs de protection contre les surtensions : garantir une dissipation efficace de l'énergie de surtension

Guide de mise à la terre pour les dispositifs de protection contre les surtensions : garantir une dissipation efficace de l'énergie de surtension

 

Les parafoudres (PARF) sont des composants essentiels pour protéger les systèmes électriques et électroniques contre les surtensions transitoires. Cependant, l'efficacité d'un PARF est fondamentalement dépendante d'un système de mise à la terre et de liaisons électriques bien conçu et mis en œuvre. Ce guide décrit les principes, exigences et bonnes pratiques essentiels de mise à la terre, spécifiquement liés à l'installation de PARF, en mettant l'accent sur la création d'un chemin à faible impédance pour la dissipation des surtensions, la minimisation des différences de tension et la sécurité du système.

Introduction

Les surtensions transitoires, causées par la foudre (directe ou indirecte) ou par des manœuvres de commutation sur le réseau électrique, peuvent induire des courants destructeurs dans les installations électriques. Les parafoudres agissent comme des protecteurs sacrificiels, détournant ces courants de surtension des équipements sensibles. Le facteur critique de la réussite d'un parafoudre est la mise à la terre. Sans connexion de terre à faible impédance, l'énergie de surtension détournée ne peut être dissipée en toute sécurité, ce qui peut entraîner une défaillance du parafoudre, des dommages matériels ou des tensions de contact dangereuses. Ce guide détaille les exigences de mise à la terre essentielles au bon fonctionnement d'un parafoudre.

 

Le rôle de la mise à la terre dans la fonctionnalité des parafoudres 

Un SPD fonctionne en modifiant rapidement son impédance en réponse à une surtension :

1. Limitation de tension : elle fixe la tension à un niveau de protection (Up) acceptable pour les équipements en aval.

2. Déviation de courant : elle fournit un chemin à faible impédance pour que le courant de surtension massif (Iimp, In) s'écoule loin du circuit protégé.

3. Dissipation d'énergie : Le courant de surtension doit être conduit en toute sécurité dans la masse terrestre via le système de mise à la terre.

 

Les principales fonctions du système de mise à la terre des parafoudres sont :

Fournir un chemin à faible impédance : minimiser la résistance et l'inductance sur le chemin entre le SPD et l'électrode de terre pour permettre un flux de courant de surtension rapide avec une augmentation de tension minimale.

Établir un potentiel de référence : créez un point de référence stable (potentiel de terre) pour que le SPD puisse limiter efficacement les tensions.

Prévenir les différences de potentiel dangereuses : Assurez-vous que toutes les pièces conductrices (boîtiers d'équipement, boîtiers SPD, structures métalliques) sont reliées entre elles et à la terre, minimisant ainsi le risque de tensions de contact dangereuses lors d'une surtension.

Dissipez l'énergie en toute sécurité : laissez l'énergie de surtension se disperser sans danger dans le sol.

Principes fondamentaux de mise à la terre pour les parafoudres

1. Une faible impédance est primordiale : La résistance et l'inductance (impédance) combinées de la connexion à la terre du parafoudre doivent être aussi faibles que possible. Une impédance élevée provoque une chute de tension importante (V = I * Z) lors d'une surtension, augmentant la tension perçue par l'équipement protégé et pouvant dépasser le niveau de protection (Up) du parafoudre.

Short and Direct Paths: Earth conductors connecting the SPD must be as short and straight as possible. Avoid sharp bends and loops, as inductance increases with conductor length and loop area. Inductance is the dominant factor for fast-rising surge currents.

2.Adequate Conductor Size:Conductors must have sufficient cross-sectional area (CSA) to handle the maximum prospective surge current (Iimp or In as per the SPD classification and risk assessment) without fusing or causing excessive heating. Minimum requirements are typically defined in standards (e.g., IEC 62305, IEC 60364-4-44, NFPA 70/NEC) but often start at 6mm² (10 AWG) copper for Type 2 SPDs, increasing significantly for Type 1 SPDs (16mm² / 6 AWG or larger). Always consult SPD manufacturer specifications and relevant standards.

Minimizing Earth Loop Area:Connecting SPDs at different points (e.g., service entrance, sub-distribution) to different earth electrodes or long, separate earth paths can create large earth loops. Magnetic fields induced by surge currents flowing in these loops can couple voltages into sensitive data or control cables. Equipotential Bonding is the solution (see below).

3.Bonding is Integral: Earthing SPDs effectively requires Equipotential Bonding. This means connecting:

The SPD's earth terminal directly to the main earthing terminal (MET) or earthing busbar.

The MET to the earth electrode system.

All extraneous conductive parts entering the building (metal pipes, structural steel, cable sheaths, etc.) to the MET.

All exposed conductive parts of electrical equipment (enclosures) to the Protective Earth (PE) conductor, which is also connected to the MET.

The goal is to keep all metalwork at, or very near, the same potential during a surge event, preventing dangerous sparks or voltages between them.

 

Earthing System Components & SPD Connections

Earth Electrode System:The interface with the ground mass (earth rods, plates, meshes, foundations). Must have low earth resistance (target values depend on local regulations and risk, but often <10 Ohms is desirable, though lower impedance is more critical than ultra-low resistance alone for fast transients). Regular testing is essential.

Main Earthing Terminal (MET):The central point where the earth electrode conductor, protective conductors (PE), bonding conductors, and SPD earth conductors converge. This is the crucial hub for SPD earthing.

SPD Earth Conductor:

Must be a dedicated, insulated copper conductor (usually green/yellow).

Connected directly from the SPD's designated earth terminal to the MET or a dedicated SPD earthing busbar directly connected to the MET with a very short link.

Avoid: Daisy-chaining SPD earth connections or connecting them only to local equipment earth points that may have a longer, higher impedance path back to the MET.

Connection Method: Use reliable, corrosion-resistant methods (e.g., compression lugs, exothermic welding, approved clamping connectors). Ensure clean, tight connections with good metal-to-metal contact. Paint or corrosion must be removed at connection points.

 

Specific Considerations for Different SPD Types/Locations

Type 1 (Coordinated) SPDs (Service Entrance):Handle the largest surge currents (direct lightning partial currents). Require the most robust earthing:

Largest conductor size (often ≥16mm² / 6 AWG, potentially much larger).

Shortest possible path to MET/earth electrode (<0.5m ideal, <1m strongly recommended).

Direct connection to MET is mandatory. Bonding of incoming metallic services (power, telecom, water, gas) at this point is critical for equipotentiality.

Type 2 (Distributed) SPDs (Sub-distribution Boards): Handle induced surges. Earthing remains critical:

Conductor size typically 6-10mm² (10-8 AWG) minimum.

Connection directly to the local distribution board's earth bar, which must have a low-impedance connection back to the MET via the main PE conductor.

Ensure the PE conductor between boards is adequately sized.

Type 3 (Point of Use) SPDs: Mounted close to equipment. Usually plug-in or socket types. Rely on the fixed wiring's PE conductor. Emphasizes the importance of correct overall installation grounding/bonding.

Data/Communication Line SPDs:Require careful earthing relative to the power system SPDs to avoid creating ground loops. Best practice is to earth them to the same reference point (e.g., MET or local bonded earth bar) as the power SPD protecting the equipment they serve. Use shielded data cables with shields bonded at both ends where possible.

 

Common Earthing Pitfalls & Solutions

1.Long Earth Leads:

Problem:High inductance causes high voltage drop.

Solution: Mount SPD close to MET/earth bar; use shortest possible straight conductor.

2.Daisy-Chaining Earths:

Problem:Shared path increases impedance for downstream SPDs; failure of one connection compromises others.

Solution:Use "star" earthing – individual SPD earth leads to a common point (MET or SPD busbar).

3.Inadequate Conductor Size:

Problem:Conductor can fuse open or act as a fuse itself during large surge, rendering SPD useless.

Solution:Calculate/select based on SPD rating and standards; always err on larger size.

4.Poor Connections (Loose, Corroded):

Problem:High resistance/contact failure.

Solution:Use proper connectors, clean contact surfaces, tighten securely, protect from corrosion.

5.Separate/Isolated Earth Electrodes for SPDs:

Problem:Creates large potential differences between power system earth and SPD earth during a surge.

Solution:All SPDs must connect to the single, common earthing system (MET) of the structure.

6.Ignoring Bonding:

Problem:Dangerous touch voltages between earthed SPD and nearby bonded metalwork during a surge.

Solution:Implement comprehensive equipotential bonding as per standards.

 

Verification and Maintenance

Initial Verification:

Measure earth electrode resistance (Fall-of-Potential method).

Measure continuity of all earth and bonding conductors (low-resistance ohmmeter).

Visually inspect conductor sizes, routing (short/straight), connection quality, and labeling.

Periodic Maintenance:

Regular visual inspection of SPD status indicators and connections.

Retest earth electrode resistance periodically (especially in dry/corrosive soils) and after major modifications.

Check continuity of critical bonding connections.

Follow SPD manufacturer's recommended replacement schedule (SPDs degrade with use).

 

Standards and References  

Compliance with relevant national and international standards is essential. Key standards include:

IEC 62305 (Protection against Lightning - Parts 1-4): Comprehensive lightning protection, including SPD earthing/bonding (LPZ concepts).

IEC 60364 (Electrical Installations of Buildings): Especially Part 4-44 (Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances) and Part 5-54 (Earthing arrangements and protective conductors).

IEC 61643 (Low-voltage surge protective devices): Series covering SPD requirements and application.

IEEE 142 (Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems) - "Green Book".

IEEE 1100 (Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment) - "Emerald Book".

National Electrical Codes (e.g., NFPA 70/NEC Article 250, 285, 800, 810; BS 7671 Section 443, 534).