Classification de protection contre la foudre et conception du paratonnerre

Les grues extérieures, de par leur structure métallique élevée, sont classées dans la catégorie II des bâtiments protégés contre la foudre selon la norme GB 50057-2010. Les besoins en protection diffèrent selon l'état de fonctionnement : en service, avec un opérateur dans la cabine de commande, la protection est assurée par la méthode de la sphère fictive (rayon de 45 m) ; hors service (sans opérateur), la structure en acier de la grue sert naturellement de paratonnerre pour conduire le courant de foudre. L'évaluation du risque est calculée selon la formule N = k × Ng × Ae, où k est le coefficient de correction (pris égal à 2 pour une structure métallique isolée et élevée), Ng la densité annuelle moyenne de coups de foudre au sol (impacts/km²·an) et Ae la surface équivalente de captation. Pour une grue à portique de 30 m de haut dans une région à 40 jours d'orage par an, le nombre annuel estimé d'impacts est d'environ 0,5 à 1.

Le paratonnerre est installé au point le plus élevé de la grue, c'est-à-dire sur le dessus du chariot ou de la cabine de commande. Il est constitué d'une tige en acier inoxydable (diamètre ≥ 12 mm) ou d'un tube en acier galvanisé (DN25), dépassant d'au moins 1 m du point le plus haut. La liaison entre le paratonnerre et la structure en acier est réalisée par soudure fiable, avec une longueur de soudure d'au moins 6 fois le diamètre de la tige, une hauteur de cordon de soudure ≥ 4 mm, suivie d'une peinture antirouille. Dans les environnements côtiers ou fortement corrosifs, la durée de vie d'un paratonnerre en acier inoxydable est de 15 à 20 ans, contre 8 à 12 ans pour un tube galvanisé. Dans certains cas, un paratonnerre à amorçage précoce (ESE) peut être installé ; sa zone de protection est élargie d'environ 30 à 50 % par rapport à un paratonnerre traditionnel de type Franklin, sous réserve d'une certification conforme à la norme GB/T 21431.

Lorsque la grue est en service, la cabine de commande nécessite une protection supplémentaire contre les coups de foudre directs. Un ruban ou un treillis de capture doit être installé sur le toit de la cabine, avec une maille ne dépassant pas 5 m × 5 m. Le ruban est en acier galvanisé d'un diamètre ≥ 8 mm ou en méplat d'une section ≥ 48 mm² (épaisseur ≥ 4 mm). Si l'épaisseur de la tôle métallique de la cabine est ≥ 4 mm, elle peut servir directement de paratonnerre ; sinon, un ruban de capture doit être ajouté. Les soudures et le traitement anticorrosion de tous les rubans et treillis suivent les mêmes exigences que pour le paratonnerre principal. Hors service, la grue est stationnée en position d'ancrage et l'ensemble de la structure en acier assure la fonction de capture.

Descentes et continuité électrique de la structure en acier

La descente a pour rôle de conduire le courant de foudre capté par le paratonnerre vers le dispositif de mise à la terre. Les grandes pièces métalliques de la grue – poutre principale, sommier, stabilisateurs – peuvent servir de descentes naturelles, sans nécessiter de câbles en cuivre supplémentaires. L'essentiel est d'assurer une continuité électrique fiable entre toutes les pièces métalliques : les assemblages boulonnés doivent être munis de cavaliers, réalisés en toron de cuivre d'une section d'au moins 50 mm², sertis à chaque extrémité avec des borniers en cuivre, et fixés avec un couple de serrage conforme à la norme GB/T 1228. La résistance totale de la descente, du paratonnerre au dispositif de mise à la terre, ne doit pas dépasser 1 Ω ; elle se mesure à l'aide d'un testeur de résistance de mise à la terre sur chaque segment de la descente.

Les cavaliers doivent être placés sur tous les points de connexion non soudés : assemblages boulonnés poutre principale-sommier, assemblages par brides sommier-stabilisateur, connexions châssis du chariot-bloc de roues, et liaison cabine de commande-poutre principale. Chaque point de connexion reçoit un cavalier en fil souple de cuivre BVR-50 mm², bicolore jaune-vert, protégé par un soufflet ignifuge. Le rayon de courbure du cavalier est d'au moins 6 fois son diamètre extérieur, et une marge de 200 mm est prévue à chaque extrémité pour éviter toute rupture sous tension en service. Kelude Industries Lourdes appose des plaques de signalisation de mise à la terre bien visibles aux deux extrémités de chaque cavalier, facilitant ainsi l'inspection périodique par le personnel de maintenance.

Le système de ligne d'alimentation est également intégré au circuit de descente. Un point de connexion à la terre est prévu tous les 10 m sur le boîtier de la ligne d'alimentation, relié à la structure en acier de la poutre principale par un conducteur BVR-16 mm² jaune-vert. Le blindage métallique des câbles est mis à la terre aux deux extrémités, et une répétition de la mise à la terre est effectuée tous les 50 m, afin de maintenir le blindage au même potentiel que la structure en acier. Pour une vue d'ensemble de la conception du système de commande électrique du pont roulant et des méthodes de mise au point du programme PLC, voir l'article dédié : Conception complète du système de commande électrique du pont roulant : de la schématique à la mise en service du programme PLC – pratique d'ingénierie. En présence d'un variateur de fréquence, le blindage des câbles doit également être mis à la terre pour la CEM : connexion périphérique à 360° côté variateur, et mise à la terre HF (couplage capacitif haute fréquence) côté moteur, afin de limiter la propagation des perturbations harmoniques le long du blindage.

Conception du dispositif de mise à la terre et résistance de mise à la terre

Le dispositif de mise à la terre de la grue est constitué d'électrodes horizontales et verticales, réparties sur toute la longueur du rail. Les électrodes horizontales sont en acier plat galvanisé (-40 mm × 4 mm) ou en acier rond galvanisé (diamètre ≥ 12 mm), enterrées à une profondeur d'au moins 0,8 m et à une distance d'au moins 0,5 m du bord de la fondation du rail. Les électrodes verticales sont en cornière galvanisée (∠50 × 50 × 5 mm, longueur L = 2,5 m), espacées de 5 m, avec un minimum de 4 électrodes. Le sommet de la cornière est à au moins 0,8 m sous la surface du sol ; la liaison entre la cornière et l'électrode horizontale est soudée, puis traitée contre la corrosion. La résistance de mise à la terre de l'ensemble doit être ≤ 4 Ω ; dans les zones à haute résistivité du sol, elle peut être portée à ≤ 10 Ω, à condition de réaliser une liaison équipotentielle.

La connexion entre le rail et le dispositif de mise à la terre constitue la dernière étape du système. Chaque extrémité de chaque rail est munie d'un point de connexion à la terre, relié à l'électrode horizontale par un toron de cuivre BVR-50 mm², soudé ou serré par boulon. Aux joints de rail (assemblage par éclisses), un cavalier de mise à la terre est installé de part et d'autre, avec une section d'au moins 50 mm². Un point de répétition de la mise à la terre est prévu tous les 30 m le long du rail. Aux joints de dilatation du rail, le cavalier doit comporter une marge (courbe d'au moins 150 mm) pour compenser la dilatation thermique. La résistance de contact de tous les points de connexion à la terre ne doit pas dépasser 0,03 Ω, vérifiée à l'aide d'un micro-ohmmètre.

La mesure de la résistance de mise à la terre est effectuée une fois après l'achèvement des travaux, puis une fois par an avant la saison des orages. La méthode utilisée est la méthode à trois pôles (testeur de résistance de mise à la terre, par exemple Fluke 1625), avec les pôles de courant et de potentiel espacés de C : 20 m et P : 15 m. La mesure est réalisée lorsque la grue est hors service, tous les points de connexion étant normalement connectés. Si la résistance mesurée dépasse 4 Ω, des mesures correctives doivent être prises : augmentation du nombre d'électrodes verticales, utilisation d'un produit de traitement du sol (tel que la bentonite ou un produit chimique, avec un taux de réduction d'environ 30 à 50 %), ou allongement des électrodes horizontales. Dans les zones rocheuses, un remplacement du sol (substitution du sol d'origine par un sol à faible résistivité) peut être envisagé.

Liaison équipotentielle et cavaliers

Distribution TN-S et protection contre les surtensions par parafoudres

Le système de distribution basse tension de la grue doit adopter le schéma TN-S (triphasé cinq fils), c'est-à-dire que le conducteur neutre de service N et le conducteur de protection PE sont entièrement séparés dès le point neutre du transformateur, la ligne PE étant mise à la terre de manière répétée au niveau de l'armoire d'arrivée de la grue. L'avantage fondamental du système TN-S réside dans le fait qu'aucun courant ne circule dans la ligne PE en fonctionnement normal (le courant du neutre N ne traverse pas la ligne PE) : toutes les masses des équipements sont reliées directement au dispositif de mise à la terre via la ligne PE. En cas de défaut d'isolement, le courant de défaut forme une boucle de court-circuit via le point de mise à la terre PE, ce qui déclenche le disjoncteur ou le fusible en amont et coupe le circuit défectueux. La section minimale de la ligne PE est déterminée conformément à la norme IEC 60364 : lorsque la section de la phase S≤16mm², PE=S ; lorsque 16mm²< S ≤35mm², PE=16mm² ; lorsque S>35mm², PE=S/2.

Les parafoudres (SPD) sont installés dans l'armoire de distribution d'arrivée de la grue ainsi qu'à l'entrée d'alimentation des équipements critiques. Un parafoudre de classe I (forme d'onde 10/350μs, courant de choc Iimp≥25kA) est installé au niveau du disjoncteur principal de l'armoire d'arrivée pour dissiper l'énergie massive générée par la foudre directe. Des parafoudres de classe II (forme d'onde 8/20μs, courant de décharge nominal In≥20kA) sont installés à l'entrée d'alimentation des équipements critiques (automate PLC, variateur de fréquence, codeur, capteur) afin de réduire la tension résiduelle à un niveau compatible avec la tenue des équipements (<1,5kV). La longueur des connexions du parafoudre ne doit pas dépasser 0,5m, en respectant le principe de câblage en étoile « L/N-PE ». Un dispositif de protection contre les surintensités (disjoncteur ou fusible, dont le courant nominal ne dépasse pas la valeur maximale de protection en amont du parafoudre) doit être installé en amont du parafoudre.

Les circuits de signal nécessitent également une protection par parafoudres — les signaux d'entrée analogique de l'automate (4~20mA), les signaux d'impulsions du codeur, les bus de communication (PROFINET, RS485) et les fils de signal des capteurs doivent tous être équipés de parafoudres de signal aux deux extrémités. Le courant de décharge nominal des parafoudres de signal doit être In≥5kA, le temps de réponse ≤1ns et la perte d'insertion ≤0,5dB. Sur les câbles de sortie du variateur de fréquence, il convient d'ajouter une réactance de sortie et un filtre dv/dt afin de supprimer le couplage des pics de tension générés par la modulation PWM du variateur vers l'isolation du moteur et le système de mise à la terre. Tous les parafoudres doivent être équipés d'une fenêtre d'indication d'état (vert = normal, rouge = défaut), avec une vérification annuelle avant la saison des orages.

Inspection et maintenance avant la saison des orages

La maintenance du système de protection contre la foudre et de mise à la terre est effectuée selon un cycle annuel. Une inspection complète est réalisée chaque année avant la saison des orages (mars à avril), comprenant : mesure de la résistance de mise à la terre (méthode des trois pôles, valeur standard ≤4Ω), contrôle de continuité électrique des conducteurs de descente (résistance totale ≤1Ω), inspection visuelle des cavaliers (corrosion, desserrage, rupture de torons), et vérification du couple de serrage des boulons du bornier équipotentiel (boulons M8 : couple ≥20N·m, M10 : ≥35N·m). Les résultats sont consignés et archivés pour constituer un dossier de santé du système de protection contre la foudre. Si la résistance de mise à la terre reste non conforme pendant deux années consécutives, une mise à niveau du dispositif de mise à la terre est requise.

Les inspections de routine se concentrent sur trois points de défaillance fréquents. Le premier concerne les connexions entre les cavaliers et la structure en acier — les boulons soumis aux vibrations ont tendance à se desserrer ; un resserrage complet avec application de frein-filet (Loctite 243, résistance moyenne) est nécessaire au moins une fois par an. Le deuxième point est la connexion de mise à la terre de la ligne d'alimentation — le boîtier de la ligne d'alimentation est soumis à des vibrations continues en service, ce qui peut entraîner une rupture par fatigue des boulons de mise à la terre. Le troisième point est la liaison équipotentielle de la cabine de commande — la cabine étant une structure suspendue flexible, les câbles qui la suivent dans ses mouvements peuvent voir leur isolation s'user. L'inspection mensuelle des équipements doit inclure un contrôle visuel des circuits de mise à la terre, afin de détecter les fils cassés, l'oxydation des raccords, les dommages d'isolation et autres défauts visibles.

La gestion de la durée de vie des parafoudres est tout aussi importante. Les tests de mise à la terre et les tests d'isolement réalisés lors de la mise en service du système électrique garantissent la fiabilité du système de protection contre la foudre ; on pourra se référer aux méthodes de test d'isolement décrites dans l'article connexe Mise en service du système électrique de la grue : de l'initiation à la maîtrise. Les varistances et tubes à décharge gazeuse intégrés dans les parafoudres se dégradent progressivement sous l'effet des chocs de surtension répétés ; leur durée de vie nominale est généralement de 5 à 8 ans (ou remplacement après avoir subi cumulativement 20 chocs nominaux). Un parafoudre dont la fenêtre d'indication passe au rouge doit être remplacé immédiatement ; pour les parafoudres sans fenêtre d'indication, un test de courant de fuite doit être effectué chaque année avant la saison des orages à l'aide d'un testeur de résistance de mise à la terre (remplacement si le courant de fuite de la varistance dépasse 1mA ou en cas de court-circuit). Le remplacement d'un parafoudre doit impérativement être effectué hors tension ; toute intervention sous tension est strictement interdite. Les systèmes de protection contre la foudre livrés par Kelude sont fournis avec des pièces de rechange (un parafoudre de classe I et un parafoudre de classe II en rechange par équipement) ainsi qu'un registre de contrôle ; l'utilisateur n'a qu'à consigner les relevés chaque trimestre.

Questions fréquentes sur la protection contre la foudre des grues