Bâtiments intelligents: sécurité contre la foudre et les surtensions transitoires

Les bâtiments intelligents sont particulièrement vulnérables aux effets destructeurs des orages électriques en raison de la grande variété de systèmes automatiques interconnectés (tels que l’éclairage, la régulation de la température, les systèmes multimédias, les télécommunications, la sécurité, etc.). Par conséquent, toute surtension qui pénètre dans la structure, non seulement par les lignes d’alimentation électrique mais également par les lignes de transfert de données, peut entraîner des dommages à plusieurs équipements électroniques sensibles tels que les ordinateurs, les systèmes d’alarme, les transducteurs, les automates programmables, les équipements audiovisuels, etc

Les bâtiments intelligents (Smart buildings) sont de plus en plus répandus grâce aux avancées technologiques qui maximisent l’efficacité des bâtiments et améliorent également le confort des utilisateurs, la productivité des entreprises qui les abritent et donc leur valeur globale. Cependant, les composants en réseau, qui dépendent d’une alimentation constante en énergie et en données pour leur fonctionnement et leur disponibilité continus, sont particulièrement vulnérables aux coups de foudre et aux surtensions en général. Une panne d’équipement dans un bâtiment intelligent peut entraîner le dysfonctionnement de tous les systèmes interconnectés et paralyser les bâtiments et les espaces de travail, avec les coûts que cela implique.

La National Fire Protection Association (NFPA), dans sa norme relative à l’installation de systèmes de protection contre la foudre de 2020, contient une annexe consacrée aux bâtiments intelligents. Elle distingue deux types d’installations : les salles d’équipement ou salles de contrôle et les équipements distribués (contrôle distribué). Les premiers comprennent généralement des ordinateurs/serveurs, des contrôleurs logiques programmables, des contrôles d’alarme, des équipements de télécommunications et similaires. Cette norme NFPA souligne qu’il est essentiel d’appliquer le concept de zone de protection contre la foudre pour ces salles de contrôle, et notamment d’assurer une liaison équipotentielle qui maintienne les prises de terre à la même tension, afin d’éviter que des courants préjudiciables ne traversent les équipements sensibles.

L’équipement distribué se compose généralement de contrôleurs gérés à distance, de relais, d’interrupteurs avec moteur ou éclairage, de capteurs, de caméras, d’ordinateurs et d’entrées de contrôleur, entre autres. La NFPA se concentre sur la protection du contrôle distribué au moyen de dispositifs de protection contre les surtensions, ou parafoudres, installés à l’entrée et à la sortie de l’alimentation des bâtiments intelligents, ainsi qu’à la transition entre les zones équipotentielles de protection contre la foudre. Elle souligne à cet égard que les équipements les plus touchés par les surtensions transitoires sont les caméras, les moteurs qui actionnent les portes d’accès et les pompes, car ils sont généralement situés loin de la structure, mais ont leur propre entrée d’alimentation et de signaux.

Cependant, en plus de l’interconnexion équipotentielle et des parafoudres, les bâtiments doivent disposer également d’une protection externe adéquate contre la foudre. Pour la protection d’une structure aussi critique qu’un bâtiment intelligent, Aplicaciones Tecnológicas dispose du SMART DAT CONTROLER® SUPERVISOR, un système avancé de protection contre la foudre comprenant un paratonnerre à dispositif d’amorçage (PDA), le DAT CONTROLER® REMOTE, et une supervision à distance via l’Internet des objets (IoT). Les capteurs intelligents du SMART DAT CONTROLER® SUPERVISOR monitorent les paramètres clés de l’installation de protection contre la foudre tels que l’état de fonctionnement du PDA, la continuité du conducteur de descente et la résistance de la prise de terre. De plus, ce SPF (système de protection contre la foudre) innovant fournit également des informations (nombre et caractéristiques) sur les impacts interceptés par le paratonnerre à dispositif d’amorçage.

Ci-après, nous examinerons plus en détail les mesures énumérées dans l’annexe sur les bâtiments intelligents de la norme NFPA, à savoir l’interconnexion équipotentielle et les parafoudres.

Zones équipotentielles de protection contre la foudre pour les Smart buildings

Le concept général de protection des structures intelligentes est une protection concentrique établissant des Zones de Protection contre la Foudre (ZPF) successives. Ces zones seront déterminées par l’équipotentialisation et la protection contre les surtensions, techniques de protection contre la foudre particulièrement recommandées pour les bâtiments intelligents dans la norme NFPA.

Les ZPF, selon la norme UNE-EN 62305-1, sont des zones dans lesquelles certaines conditions électromagnétiques sont définies2. Chacune de ces zones doit fonctionner comme une seule unité équipotentielle. Pour y parvenir, il faut interconnecter toutes les surfaces métalliques avec les conducteurs des prises de terre. De cette façon, on évite le flux de courant d’un emplacement externe à la ZPF, que ce soit par des défauts externes dans les systèmes de courant alternatif ou continu ou par l’introduction d’un courant de foudre dans le bâtiment. De plus, la liaison équipotentielle des éléments métalliques permet de réduire les perturbations des champs électromagnétiques et les dangers qui y sont associés. À Aplicaciones Tecnológicas S.A. nous disposons du matériel approprié pour garantir la liaison équipotentielle des ZPF des bâtiments intelligents.

Il est également recommandé que l’entrée des signaux et de l’énergie dans la structure ou ZPF correspondante se fasse par un point unique, de préférence à proximité de la prise de terre. Cela favorise l’installation de dispositifs de protection contre les surtensions, la longueur du conducteur de prise de terre est raccourcie (ce qui réduit à son tour l’impédance et les différences de tension) et facilite la réalisation de la prise de terre équipotentielle qui réduit la probabilité de cheminements à la terre non souhaités. Dans tous les cas, pour éviter les surtensions, chaque zone doit être protégée par des dispositifs de protection appropriés sur toutes les lignes qui y entrent ou en sortent.

Protection contre les surtensions transitoires

Les surtensions sont des hausses de tension de très courte durée qui pénètrent dans les équipements via les lignes d’alimentation électrique, de téléphone, de télévision ou de données. Les dommages que les surtensions peuvent causer dans chaque ZPF sont différents, la protection doit donc être basée sur le risque présent et la capacité de résistance aux surtensions de l’équipement prévu pour être installé dans cette zone. La protection contre les surtensions permet de maintenir la continuité du service et de réduire la probabilité d’incidents de sécurité à un niveau acceptable pour les personnes et les biens.

Des parafoudres sont installés aux entrées/sorties de courant aux transitions d’une zone à l’autre et sur les équipements sensibles à l’intérieur des ZPF équipotentielles. Les particularités des équipements connectés à chaque ligne doivent être prises en compte afin d’optimiser la sélection des parafoudres. En général, un seul dispositif commercial de protection contre les surtensions ne répond pas à toutes les caractéristiques requises en matière de courant de décharge et de tension résiduelle. Plus la capacité du dispositif à supporter le courant est élevée, plus la tension résiduelle est élevée. Il faut donc plusieurs parafoudres bien coordonnés, c’est-à-dire qui agissent par étapes de protection séquentielles afin de pouvoir supporter les courants associés au coup de foudre et de laisser une tension résiduelle qui ne soit pas nuisible pour les équipements installés.

La première protection, ou protection grossière contre les surtensions transitoires, protège contre les effets de la décharge directe du coup de foudre. Ces éléments sont constitués d’éclateurs, de déchargeurs à gaz ou de varistances qui se caractérisent par le fait qu’ils restent complètement ouverts en courant normal. Si la tension de rupture est dépassée, ils court-circuitent et dérivent tout le courant à la terre. Lorsque le niveau élevé de tension disparaît, les composants reviennent à l’état de repos et réouvrent le circuit. La série ATSHIELD de dispositifs de protection contre les surtensions transitoires d’Aplicaciones Tecnológicas S.A. combine des éléments robustes avec des composants limiteurs, ce qui permet d’obtenir une grande capacité d’absorption du courant direct de foudre ainsi qu’une faible tension résiduelle.

La deuxième protection est plus fine que la précédente et se compose généralement de varistances, qui sont des résistances variables. En général, elles sont plus rapides que les éclateurs mais elles présentent l’inconvénient de produire, à des tensions normales, une certaine impédance qui provoque de petites fuites de courant. Les séries ATSUB et ATCOVER d’Aplicaciones Tecnológicas S.A. sont totalement adaptées à cette seconde protection. Notamment, la série ATSUB qui résiste à des courants de plusieurs dizaines de kiloampères, réduisant la surtension à des niveaux qui ne sont pas nuisibles pour les équipements. La série ATCOVER, en plus d’être robuste et complète, protège toutes les phases rapidement et efficacement, en mode commun et différentiel, en laissant une faible tension résiduelle. Il est à noter que s’il n’y a pas 10 mètres de câble de séparation entre les parafoudres ATSHIELD et ATSUB/ATCOVER, une bobine de coordination telle que ATLINK doit être installée.

La troisième barrière de protection est normalement formée par des diodes suppresseurs de transitoires qui sont des éléments très rapides et qui laissent des tensions résiduelles très faibles. Cependant, il faut considérer qu’elles sont incapables de supporter des courants supérieurs à quelques ampères. Aplicaciones Tecnológicas S.A. dispose des dispositifs de protection contre les surtensions ATSOCKET et ATPLUG, ainsi que des dispositifs spécifiques pour la protection des lignes de télécommunications et de données ATFONO, ATLAN et ATFREQ.

Les lignes téléphoniques et de données, qui sont présentes en nombre considérable dans les bâtiments intelligents, peuvent agir comme des conduits qui introduisent des surtensions dans la structure et les équipements. Il convient de noter que, par définition, ces bâtiments sont dotés de divers dispositifs qui contrôlent des équipements électroniques à distance au moyen de lignes de données. De plus, ces lignes de communication de données sont connectées directement aux circuits intégrés des équipements sensibles, de sorte que toute surtension peut causer de graves dommages aux pistes et aux composants, entraînant la dégradation ou la destruction de l’équipement, y compris des données stockées. De même, les lignes téléphoniques sont connectées à des équipements sensibles et importants à l’intérieur et à l’extérieur des ordinateurs. Par conséquent, les séries ATFONO (pour les lignes téléphoniques analogiques, ADSL, ISDN) et ATLAN (pour les lignes informatiques et le réseau interne d’ordinateurs) sont particulièrement adaptées à la protection contre les surtensions transitoires dans ce type de bâtiments.

Les bâtiments intelligents, avec leurs particularités liées à la grande variété d’équipements électroniques extrêmement sensibles et en réseau dont la défaillance implique la paralysie de l’activité des postes de travail, nécessitent une protection contre la foudre et ses effets destructeurs. Si vous souhaitez obtenir plus d’informations sur les solutions d’Aplicaciones Tecnológicas pour la protection des Smart buildings, vous pouvez nous contacter en cliquant sur ce lien.

Références

  1. National Fire Protection Association (NFPA). NFPA 780 Safety Standard for the Installation of Lightning Protection Systems. (2020).
  2. AENOR. UNE-EN 62305-1 Protección contra el rayo Parte 1: Principios generales. (2011).