Protection des transformateurs contre les surtensions : comment choisir des parafoudres adaptés aux surtensions dues à la foudre et aux manœuvres

Un chef d’équipe technique de la région méridionale de Luzon nous a envoyé, en août dernier, une photographie d’une installation qui semblait parfaitement normale le jour de sa réception officielle : un transformateur sur socle de 13,8 kV, un nouveau parafoudre polymère monté sur son support, et une peinture fraîche. Deux détails n’apparaissaient pas dans la spécification initiale : quatre pieds de fil de plomb enroulé entre la borne du parafoudre et le réservoir, et un conducteur de terre redirigé à travers le support de montage au lieu de descendre directement vers la plaque de mise à la terre. Trois semaines plus tard, un éclair a frappé l’alimentation. Le parafoudre a survécu sans la moindre trace de dommage. L’enroulement primaire, lui, n’a pas résisté.

Ce que fait un parafoudre — et ce qu’il ne peut pas faire

Un écran LED moderne protection contre les surtensions pour transformateurs le dispositif repose sur un varistance à oxyde métallique sans écart. En dessous de sa tension de référence, le varistance se comporte comme un circuit ouvert et absorbe des microampères. Au-delà, sa résistance s’effondre, le parafoudre dévie le courant de surtension vers la terre, puis revient à un état à haute impédance bien avant le demi-cycle suivant. IEEE C62.11-2020 définit l’appareil lui-même, couvrant les parafoudres à oxyde métallique destinés aux circuits de 48 à 62 Hz supérieurs à 1 000 V, qui limitent les surtensions dues à la foudre et aux manœuvres en évacuant un courant de décharge, puis en limitant automatiquement le courant de puissance du réseau. Il s’agit d’une norme en vigueur, publiée en septembre 2020.

Le parafoudre n’absorbe pas la surtension. Il la limite. Ce que le bobinage subit réellement est la tension de décharge du parafoudre. plus la tension que la surtension développe à travers le conducteur reliant la borne du parafoudre au point qu’il protège. Les deux termes sont réels. Seul le second peut encore être modifié avec une clé le jour de l’installation.

Un parafoudre parfaitement sélectionné peut néanmoins être mal appliqué. La sélection et la connexion constituent deux tâches distinctes, et les acheteurs délèguent généralement uniquement l’une d’elles.

 

 

La protection des transformateurs contre les surtensions commence par la tension maximale continue (MCOV), et non par la tension nominale en kV

La plupart des demandes de devis (RFQ) qui parviennent à notre bureau d’ingénierie spécifient un parafoudre en fonction de sa tension assignée — « un parafoudre de 10 kV », « un parafoudre de 18 kV ». Ce chiffre correspond à une note de cycle de service et, pris isolément, il ne révèle presque rien sur l’adéquation de l’appareil à votre réseau. Le chiffre déterminant pour l’application est MCOV : la tension maximale de fonctionnement continu (MCOV), c’est-à-dire la tension efficace (RMS) la plus élevée que le parafoudre peut supporter indéfiniment entre ses bornes sans surchauffer.

La tension maximale continue (MCOV) est déterminée par la mise à la terre du système, et non par le transformateur. Sur un système effectivement mis à la terre, l’éclateur est soumis, en fonctionnement normal, à la tension phase-terre ; la valeur requise correspond donc directement à la tension maximale phase-terre — soit 7,65 kV sur un système multi-mis-à-la-terre de 12,47 kV. Sur un système isolé ou mis à la terre par impédance, une défaillance phase-terre fait monter les tensions des phases saines jusqu’à la tension composée maximale ; la règle devient alors : MCOV égale ou supérieure à 90 % de la tension composée maximale. Même transformateur, même classe de tension, mais deux éclateurs très différents.

Tension composée du système (kV, nominale)	MCOV de l’éclateur — système effectivement mis à la terre (kV)	MCOV de l’éclateur — système mis à la terre par impédance ou isolé (kV)
4.16	2.55	5.10
12.47	7.65	15.30
13.80	8.40	15.30
24.94	15.30	29.00
34.50	22.00	Ne pas recommander

Ces valeurs proviennent des données d’application pour éclateurs publiées par Hubbell Power Systems, et correspondent aux configurations observées sur les réseaux de distribution nord-américains ( Catalogue Hubbell n° 70, Éclateurs parafoudre ) La conséquence pratique mérite d’être énoncée clairement. Si une spécification indique « système non mis à la terre », mais que le système est en réalité un système à quatre fils avec mise à la terre multiple, vous achetez environ le double de la tension maximale continue (MCOV) dont vous avez besoin — et vous payez ce surcoût par une tension de décharge plus élevée, or c’est précisément cette valeur que vous cherchiez à maintenir aussi basse que possible.

Une autre relation utile, lors de la lecture d’une fiche technique, est la suivante : la tension assignée d’un parafoudre est généralement d’environ 1,25 fois sa MCOV. C’est pourquoi un parafoudre de distribution de 10 kV a une MCOV d’environ 8,4 kV, et pourquoi ces deux valeurs évoluent conjointement lorsque l’on modifie l’hypothèse de mise à la terre appliquée au même transformateur.

 

Longueur des conducteurs, mise à la terre et marge de protection réellement significative

Voici la partie que la plupart des acheteurs négligent. Chaque pied de fil conducteur reliant le parafoudre à l’équipement qu’il protège ajoute une tension à l’isolation lors d’une surtension, car le courant doit parcourir cette distance et revenir. Le guide d’application IEEE pour les parafoudres à oxyde métallique utilise une valeur de 1,6 kV par pied à 10 kA, et la norme d’approbation FM DS 5-11 relative à la protection contre la foudre et les surtensions des équipements électriques utilise la même valeur.

Longueur du fil conducteur du parafoudre (pieds)	Tension ajoutée à 10 kA (kV)	Part de l’isolement enroulé BIL de 95 kV
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Le marge de protection constitue le calcul qui relie l’ensemble de ces éléments. Prenez le niveau d’isolement enroulé (BIL), soustrayez la tension de décharge du parafoudre et la contribution du fil conducteur, puis divisez le résultat par le BIL. Sur un transformateur de distribution de 13,8 kV, le niveau d’isolement primaire standard est de 95 kV BIL, et la marge minimale recommandée marge de protection est de 20 pour cent. Un fil conducteur de 10 pieds consomme 16 kV de ce total de 95 kV — soit près de toute la marge recommandée, avant même de tenir compte d’un seul kV de tension de décharge du parafoudre.

La mise à la terre échoue de la même manière silencieuse. La liaison de mise à la terre doit être courte, droite et séparée du support de fixation, et se connecter à une pastille dédiée reliée au réservoir et au réseau de mise à la terre de la station. Acheminer le chemin de mise à la terre via les éléments de fixation boulonnés introduit un joint qui corrode, se desserre et augmente l’impédance précisément au moment où la surtension arrive. NFPA 780 , la norme relative à l’installation des systèmes de protection contre la foudre, est la version actuelle de 2026 et constitue la référence sur laquelle s’appuient la plupart des inspecteurs nord-américains. Lisez-la avant d’approuver une disposition, et non après une défaillance.

 

Choisir la classe de parafoudre adaptée au transformateur que vous achetez

Les parafoudres sont classés selon l’énergie de surtension et le courant de défaut qu’ils doivent supporter, et leur classe doit correspondre à la criticité de l’équipement situé en aval — et non à la taille du bon de commande.

Classe de parafoudre	Application typique	Remarques concernant la sélection
Distribution	transformateurs de distribution de 12,47 à 34,5 kV, unités posées au sol, poteaux de raccordement	courant de décharge nominal de 10 kA. La version standard convient aux départs ruraux faiblement chargés ; la version renforcée, aux cas où l’appareil est exposé ou le départ très long.
Intermédiaire	Petites sous-stations, appareillages moyenne tension, transformateurs de plus de 5 MVA	Capacité énergétique supérieure à celle des parafoudres de distribution. Utilisés lorsque les équipements protégés sont coûteux et l’exposition élevée.
Station	Transformateurs de transmission et sous-stations critiques	Capacité énergétique et tenue aux courants de défaut maximales. Le comportement en cas de soulagement de pression ainsi que les exigences de coordination sont explicitement définis dans la norme IEEE C62.11.

Sur les transformateurs posés au sol en Amérique du Nord, le parafoudre est généralement fixé au réservoir à l’aide d’un support et d’un couvercle dédiés, et la liaison à la terre aboutit sur une bride soudée à la paroi du réservoir. Ce n’est pas un élément décoratif : c’est le chemin le plus court possible entre la base du parafoudre et l’acier mis à la terre, et c’est le seul chemin permettant de maintenir la contribution de la liaison dans les limites calculées par nos ingénieurs au stade de la proposition.

 

Trois problèmes récurrents liés aux parafoudres que nous observons fréquemment sur le terrain

Nous demandons des photographies de l’installation existante avant de fournir un devis pour une unité de remplacement, et les mêmes trois configurations reviennent systématiquement.

• Fil conducteur enroulé ou en boucle. Une équipe tenant 6 pi de fil conducteur et n’en ayant besoin que de 18 po enroulera le reste soigneusement le long du réservoir. Chaque spire ajoute de l’inductance et de la tension. Raccourcissez le fil conducteur ; ne le rangez pas.
• Chemin de mise à la terre via la bride de fixation. Cela va vite, mais c’est erroné. Les boulons de la bride ne constituent pas un conducteur de mise à la terre le jour de l’installation, et ils ne le deviendront pas après deux hivers dans une cour côtière.
• Parafoudre dimensionné d’après la puissance nominale en kVA du transformateur plutôt que d’après la mise à la terre du système. La puissance nominale en kVA de l’unité n’a aucune incidence sur la tension maximale continue admissible (MCOV). La configuration de la mise à la terre, elle, en a une, et elle est indiquée de façon univoque sur le schéma.

Un autre défaut se cache dans le premier. Un parafoudre de distribution équipé d’un sectionneur externe laissera tomber son conducteur si le parafoudre entre en court-circuit, ce qui est précisément l’effet recherché — mais le sectionneur nécessite un écart aérien qui doit rester dégagé. Nous avons ouvert des armoires où un simple brin de fil ou un nid d’insectes formé au fil d’une saison avait comblé cet écart. Le parafoudre était toujours en place. Il ne protégeait tout simplement plus rien.

 

Comment nous intégrons la protection contre les surtensions dans chaque commande de transformateur

Ryan Electric fabrique des transformateurs depuis 2007 et, depuis 2023, opère en tant que partenaire de coentreprise d’Eaton. Dans l’usine de Danyang — 120 000 mètres carrés, plus de 180 ensembles d’équipements de production et d’essai, 37 brevets — la salle d’essais diélectriques réalise les essais de routine requis par la spécification du projet ainsi que les essais en impulsion sur les conceptions qui en ont besoin, et la tenue impulsionnelle (BIL) indiquée sur la plaque signalétique correspond au niveau auquel la conception a été qualifiée.

Lorsqu'une commande comprend des parafoudres, nous déterminons la tension maximale continue (MCOV) à partir du mode de mise à la terre du réseau que vous nous indiquez, listons la platine de fixation et le capot dans la nomenclature des pièces, et soudons une plaque de mise à la terre afin que l'installateur dispose d'un point d'ancrage direct plutôt que d'un boulon pratique. Dans les programmes UL et CSA, la platine de fixation, la plaque de mise à la terre et la liaison équipotentielle du réservoir sont examinées dans le cadre de l'assemblage, et non traitées comme des accessoires destinés à l'installation sur site.

 

Que mentionner dans votre demande de devis pour la protection contre les surtensions des transformateurs

Quatre lignes dans votre demande de devis éviteront une révision ultérieure, et aucune d'entre elles ne nécessite plus d'une minute pour être repérée sur les plans.

• Mode de mise à la terre du réseau : mise à la terre efficace, mise à la terre par impédance, réseau isolé ou triangle — ainsi que la tension maximale du réseau, et non seulement la tension nominale.
• MCOV requise si vous la connaissez déjà, ainsi que la classe de parafoudre que vous comptez spécifier.
• Méthode de montage : platine de fixation sur le réservoir, bras transversal, à l'intérieur de l'armoire ou dans un compartiment de tableau de commutation.
• Longueur maximale atteignable des conducteurs dans la disposition réelle, ainsi que l'emplacement où la plaque de mise à la terre sera fixée.

Envoyez le schéma unifilaire et le plan du site accompagnés de ces quatre réponses, et nous vous fournirons la sélection du parafoudre, sa tension de décharge, la contribution des conducteurs et la tension résultante marge de protection dans le devis — afin que la discussion ait lieu sur papier, à votre bureau, plutôt que dans une sous-station après une tempête. Contactez l’équipe d’ingénierie applicative à l’adresse [email protected], ou consultez les pages produits de transformateurs immergés dans l'huile et transformateurs fixés sur une base pour demander une assistance de dimensionnement pour un projet spécifique.

 

À propos de l'auteur

Cet article a été rédigé par l’équipe d’ingénierie applicative de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), fabricant de transformateurs intervenant sur des projets de distribution, de puissance et d’énergies renouvelables destinés aux clients des secteurs de la distribution publique, des centres de données, de l’industrie et des infrastructures, à l’échelle mondiale. Nos ingénieurs définissent la sélection des parafoudres, la coordination de l’isolement et les détails de la mise à la terre dans les mêmes conceptions qui sont testées dans notre salle d’essais de Danyang. Pour toute question concernant la sélection de la tension maximale continue (MCOV) ou la marge de protection sur un projet spécifique, écrivez à [email protected].