Conception des systèmes de mise à la terre électrique et de protection contre la foudre pour les grues : guide complet sur la mise à la terre TN-S, l'équipotentialité et les parafoudres (SPD)

Classification des systèmes de protection contre la foudre et conception des paratonnerres

Les grues extérieures à ciel ouvert constituent des structures métalliques de grande hauteur ; conformément à la norme GB 50057-2010 « Norme de conception de la protection contre la foudre des bâtiments », elles sont classées dans la deuxième catégorie de bâtiments à protéger contre la foudre. Les besoins en matière de protection contre la foudre doivent être évalués séparément pour les états de fonctionnement et de non-fonctionnement de la grue : en état de fonctionnement, lorsque des opérateurs se trouvent dans la cabine de conduite, la protection est assurée par la méthode de la sphère, avec un rayon de 45 m ; en état de non-fonctionnement (sans opérateur), la structure métallique de la grue peut servir de paratonnerre naturel pour absorber le courant de foudre. L’évaluation du risque de foudre est calculée à partir du nombre annuel prévu de coups de foudre N = k × Ng × Ae, où k est le coefficient de correction (égal à 2 pour les structures métalliques isolées et de grande hauteur), Ng est la densité moyenne annuelle des coups de foudre au sol (coups/km²·an) et Ae est la surface équivalente de capture. Pour un portique de 30 m de haut situé dans une région comptant 40 jours d’orage par an, le nombre annuel prévu de coups de foudre est d’environ 0,5 à 1.

Le paratonnerre est installé au point le plus élevé de la grue, c'est-à-dire au sommet du chariot ou au sommet de la cabine de conduite. Il est constitué d'une barre ronde en acier inoxydable (diamètre ≥ 12 mm) ou d'un tube en acier galvanisé (DN25), et dépasse d'au moins 1 m du point le plus élevé de la grue. Le paratonnerre est relié à la structure métallique de la grue par une soudure fiable, dont la longueur est au moins égale à six fois le diamètre de la barre ronde, la hauteur du cordon de soudure est d’au moins 4 mm, et la soudure est recouverte d’une peinture antirouille après l’opération. Dans les environnements côtiers ou fortement corrosifs, la durée de vie en résistance à la corrosion d’un paratonnerre en acier inoxydable peut atteindre 15 à 20 ans, contre environ 8 à 12 ans pour un paratonnerre en tube d’acier galvanisé. Lorsque les conditions le permettent, il est possible d’installer des paratonnerres à décharge anticipée active (paratonnerres ESE) ; par rapport aux paratonnerres Franklin traditionnels, leur rayon de protection est élargi d’environ 30% à 50%, mais il convient de vérifier que le produit est certifié conforme à la norme GB/T 21431.

Lorsque la grue est en service, la cabine de conduite doit bénéficier d’une protection supplémentaire contre la foudre directe. Une bande ou un treillis parafoudres indépendant doit être installé sur le toit de la cabine, avec une maille ne dépassant pas 5 m × 5 m. La bande parafoudres doit être constituée d’un acier rond galvanisé d’un diamètre ≥ 8 mm ou d’un acier plat d’une section ≥ 48 mm² (épaisseur ≥ 4 mm). Lorsque l'épaisseur de la tôle métallique de l'enveloppe de la cabine est ≥ 4 mm, celle-ci peut servir directement de paratonnerre ; si elle est inférieure à 4 mm, il convient d'installer une bande parafoudre. Les soudures et le traitement anticorrosion de toutes les bandes et filets parafoudres doivent répondre aux mêmes exigences que celles applicables au paratonnerre principal. Lorsque la grue n'est pas en service, elle est immobilisée à son emplacement d'ancrage et l'ensemble de la structure métallique assure la fonction de paratonnerre.

Connexion électrique entre les conducteurs de descente et la structure métallique

Le rôle du conducteur de descente est de acheminer le courant de foudre capté par le paratonnerre vers le dispositif de mise à la terre. Les éléments métalliques de grande taille de la structure en acier de la grue, tels que la poutre principale, les poutres d'extrémité et les pieds d'appui, peuvent servir de conducteurs de descente naturels, sans qu'il soit nécessaire d'installer des conducteurs de descente supplémentaires en câble de cuivre. L'essentiel est de garantir une connexion électrique fiable entre tous les éléments métalliques : des barres de liaison doivent être installées au niveau des assemblages boulonnés ; ces barres doivent être constituées de torons de cuivre d'une section minimale de 50 mm², leurs extrémités étant serties à l'aide de cosses en cuivre, et le couple de serrage des boulons doit être conforme à la norme GB/T 1228. La résistance totale du conducteur de descente, du paratonnerre au dispositif de mise à la terre, ne doit pas dépasser 1 Ω ; elle peut être mesurée à chaque point de raccordement du conducteur de descente à l’aide d’un testeur de résistance de mise à la terre.

Les câbles de liaison doivent être placés de manière à couvrir tous les points de raccordement non soudés : les raccords boulonnés entre la poutre principale et les poutres d'extrémité, les raccords entre les poutres d'extrémité et les brides des béquilles, les raccords entre le châssis du chariot et les ensembles de roues, ainsi que les raccords entre la cabine de conduite et la poutre principale. Un câble de liaison doit être installé à chaque point de raccordement ; il s'agit d'un câble souple à âme en cuivre bicolore jaune-vert de type BVR-50 mm², protégé par une gaine ondulée ignifuge. Le rayon de courbure des câbles de liaison ne doit pas être inférieur à 6 fois le diamètre extérieur du câble ; une marge de 200 mm doit être prévue à chaque extrémité pour éviter toute rupture due à la traction pendant le fonctionnement. Krud Heavy Industry appose une étiquette de mise à la terre bien visible aux deux extrémités de chaque câble de liaison, afin de faciliter la vérification régulière de l'état des connexions par le personnel de maintenance.

Le système de rails conducteurs doit également être intégré au circuit de mise à la terre. Un point de mise à la terre est prévu tous les 10 m sur le boîtier des rails conducteurs ; il est relié de manière fiable à la structure métallique de la poutre principale de la grue à l'aide d'un câble jaune-vert BVR de 16 mm². La gaine métallique du câble doit être mise à la terre aux deux extrémités, et une mise à la terre supplémentaire doit être effectuée tous les 50 m sur la partie centrale, afin de garantir que le potentiel de la gaine soit au même niveau que celui de la structure métallique. Pour en savoir plus sur la conception globale de l'architecture du système de commande électrique du pont roulant et sur les méthodes de mise au point des programmes PLC, veuillez vous reporter aux articles de la même série.L'ensemble du processus de conception d'un système de commande électrique pour ponts roulants : de la réalisation des schémas de principe au débogage des programmes PLC – mise en pratique. Dans le cas d'une alimentation par variateur de fréquence, le blindage du câble doit également être correctement mis à la terre pour assurer la compatibilité électromagnétique (CEM) : du côté du variateur, on utilise une mise à la terre en boucle à 360°, tandis que du côté du moteur, on utilise une mise à la terre HF (mise à la terre par couplage capacitif haute fréquence) afin de supprimer la propagation des interférences harmoniques le long du blindage.

Conception des dispositifs 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'une électrode de mise à la terre horizontale et d'une électrode de mise à la terre verticale, disposées sur toute la longueur du rail. Les piquets de mise à la terre horizontaux sont constitués de profilés plats galvanisés (-40 mm × 4 mm) ou de barres rondes galvanisées (diamètre ≥ 12 mm) ; leur profondeur d'enfouissement ne doit pas être inférieure à 0,8 m et leur distance par rapport au bord de la fondation du rail ne doit pas être inférieure à 0,5 m. Les piquets de mise à la terre verticaux sont constitués de cornières galvanisées (∠50 × 50 × 5 mm, longueur L = 2,5 m), disposées uniformément à intervalles de 5 m, en nombre d’au moins 4. L’extrémité supérieure des cornières se trouve à une distance d’au moins 0,8 m du sol ; les cornières sont soudées aux électrodes de mise à la terre horizontales et font l’objet d’un traitement anticorrosion après soudage. La résistance de mise à la terre de l’ensemble du dispositif doit être inférieure ou égale à 4 Ω ; dans les zones à haute résistivité du sol, cette valeur peut être portée à 10 Ω au maximum, mais un traitement d’équipotentialité doit alors être effectué.

La connexion entre les rails et le dispositif de mise à la terre constitue le dernier maillon du système de mise à la terre. Un point de connexion à la terre est prévu à chaque extrémité de chaque rail ; le rail est relié directement à la tige de mise à la terre horizontale par soudure ou par serrage à l'aide d'un câble toronné en cuivre BVR de 50 mm². Un point de liaison de mise à la terre est prévu de chaque côté des joints de voie (raccords en queue de poisson) ; la section des câbles de liaison ne doit pas être inférieure à 50 mm². Un point de mise à la terre supplémentaire est prévu tous les 30 m sur la longueur de la voie. Au niveau des joints de dilatation des rails, les conducteurs de liaison doivent présenter une marge suffisante (courbure en arc ≥ 150 mm) pour compenser la dilatation thermique. La résistance de contact de tous les points de mise à la terre ne doit pas dépasser 0,03 Ω ; elle doit être vérifiée à l’aide d’un micro-ohmmètre.

La mesure de la résistance de mise à la terre est effectuée une fois à la fin des travaux et une fois chaque année avant la saison des orages. La méthode de mesure utilise la technique à trois électrodes (avec un testeur de résistance de mise à la terre, tel que le Fluke 1625) ; les électrodes de courant et de potentiel sont disposées à égale distance, par exemple C : 20 m, P : 15 m. Lors de la mesure, la grue doit être à l’arrêt et tous les points de mise à la terre doivent être correctement raccordés. Lorsque la résistance mesurée dépasse 4 Ω, des mesures doivent être prises pour réduire la résistance : augmentation du nombre de piquets de mise à la terre verticaux, utilisation d’agents réducteurs de résistance (tels que la bentonite ou des agents chimiques, avec un taux de réduction de la résistance d’environ 30 % à 50 %), ou allongement des piquets de mise à la terre horizontaux. Dans les zones rocheuses, on peut envisager un remblayage avec un sol de remplacement (en remplaçant le sol de fondation d’origine par un sol à faible résistivité).

Liaison équipotentielle et mise à la terre

La liaison équipotentielle comporte un élément souvent négligé : la continuité électrique entre le câble métallique et le crochet de levage. La continuité électrique entre le crochet de levage et le câble métallique doit être assurée afin d’éviter toute décharge électrostatique lorsque le crochet s’approche de la charge. Une brosse de mise à la terre (en carbone ou en cuivre, avec une pression de contact ≥ 15 N) doit être installée au point de jonction entre le câble métallique et le crochet de levage ; la section du conducteur de mise à la terre ne doit pas être inférieure à 4 mm². Les poulies métalliques du palan doivent également être intégrées au système d’équipotentialité ; au niveau du logement des roulements des poulies, un câble souple BVR de 6 mm² doit être utilisé pour réaliser une liaison avec le châssis du chariot. De chaque côté des composants isolants, tels que les amortisseurs en caoutchouc et les accouplements élastiques, il convient d’installer un câble de liaison BVR de 10 mm².

Distribution TN-S et protection contre les surtensions (SPD)

Le système de distribution basse tension de la grue doit être de type TN-S (système triphasé à cinq fils), c'est-à-dire que le conducteur neutre de service N et le conducteur de mise à la terre de protection PE doivent être câblés de manière totalement indépendante à partir du point neutre du transformateur, le conducteur PE devant faire l'objet d'une mise à la terre supplémentaire au niveau du coffret d'alimentation de la grue. Le principal avantage du système TN-S réside dans le fait qu’aucun courant ne circule dans le conducteur PE en fonctionnement normal (le courant du conducteur N ne passe pas par le conducteur PE) et que les enveloppes de tous les équipements sont directement reliées au dispositif de mise à la terre via le conducteur PE. En cas de rupture d’isolation, le courant de défaut circule via le conducteur PE vers le point de mise à la terre, formant ainsi un circuit de court-circuit qui déclenche le disjoncteur ou le fusible en amont, coupant ainsi le circuit défectueux. La section minimale du conducteur PE est définie par la norme GB 50054 : lorsque la section des conducteurs de phase S est inférieure ou égale à 16 mm², PE = S ; pour une section supérieure à 16 mm²< S ≤35mm²时PE=16mm²，S>Pour 35 mm², PE = S/2.

Des parafoudres (SPD) sont installés dans l'armoire de distribution d'alimentation de la grue ainsi qu'aux entrées d'alimentation des équipements clés. Un parafoudre de niveau I (forme d'onde 10/350 μs, courant de choc Iimp ≥ 25 kA) est installé au niveau du disjoncteur principal de l'armoire de distribution d'alimentation, afin de dissiper l'énorme énergie de surtension générée par la foudre directe. Des SPD de niveau II (forme d'onde 8/20 μs, courant de décharge nominal In ≥ 20 kA) sont installés au niveau des entrées d'alimentation des équipements critiques (automates programmables, variateurs de fréquence, codeurs, capteurs) afin de réduire davantage la tension résiduelle jusqu'à un niveau supportable par les équipements (< 1,5 kV). La longueur de câblage du SPD ne doit pas dépasser 0,5 m et doit respecter le principe de câblage en étoile " L/N → SPD → PE " ; un dispositif de protection contre les surintensités (disjoncteur ou fusible, dont le courant nominal ne dépasse pas la valeur maximale de protection de secours du SPD) doit être installé en amont du SPD.

Les lignes de signal doivent également être protégées par des SPD : les signaux d'entrée analogiques des automates programmables (4 à 20 mA), les signaux d'impulsions des codeurs, les bus de communication (PROFINET, RS485) et les câbles de signaux des capteurs doivent tous être équipés de SPD aux deux extrémités. Les SPD de signaux doivent présenter un courant de décharge nominal In ≥ 5 kA, un temps de réponse ≤ 1 ns et une perte d'insertion ≤ 0,5 dB. Il convient également d’installer une réactance de sortie et un filtre dv/dt sur le câble de sortie du variateur de fréquence, afin d’empêcher les pics de tension générés par l’onde PWM du variateur de se coupler à l’isolation du moteur et au système de mise à la terre. Tous les SPD doivent être équipés d’un indicateur d’état (vert = normal, rouge = défaillance) ; l’état de cet indicateur doit être vérifié une fois par an avant la saison des orages.

Contrôles techniques et inspections pendant la saison des orages

Le contrôle et l'entretien du système de mise à la terre parfoudre sont effectués selon un cycle annuel. Un contrôle complet est réalisé chaque année avant la saison des orages (mars-avril) ; il comprend notamment : la mesure de la résistance de mise à la terre (méthode à trois pôles, valeur standard ≤ 4 Ω), le contrôle de la continuité électrique des conducteurs de descente (résistance sur toute la longueur ≤ 1 Ω), l’inspection visuelle des barres de liaison (présence ou non de corrosion, de desserrage ou de brins cassés) et le contrôle du couple de serrage des boulons des borniers d’équipotentialité (couple de serrage des boulons M8 ≥ 20 N·m, M10 ≥ 35 N·m). Les résultats des contrôles doivent être consignés et archivés afin de constituer un dossier de suivi de l’état du système de protection contre la foudre. Si la résistance de mise à la terre s’avère non conforme pendant deux années consécutives, le dispositif de mise à la terre doit être modernisé.

Lors des inspections quotidiennes, il convient de se concentrer sur trois points sensibles. Le premier concerne les raccords entre les câbles de liaison et la structure métallique : dans un environnement soumis à des vibrations, les boulons ont tendance à se desserrer ; il faut donc les resserrer au moins une fois par an et les enduire de colle de blocage de filetage (Loctite 243, résistance moyenne). Le deuxième point concerne les points de mise à la terre des rails conducteurs : le boîtier des rails conducteurs subit des vibrations constantes pendant le fonctionnement, ce qui peut entraîner une rupture par fatigue des boulons de mise à la terre. Le troisième point concerne la liaison d'équipotentialité de la cabine de conduite : celle-ci étant dotée d'une suspension flexible, le déplacement de la cabine peut entraîner l'usure de l'isolation des câbles. Lors des inspections mensuelles de l'équipement, il convient d'ajouter un contrôle visuel des circuits de mise à la terre afin de détecter d'éventuels défauts visibles, tels que des fils sectionnés, des raccords oxydés ou des isolants endommagés.

La gestion de la durée de vie des SPD est tout aussi importante. Les contrôles de mise à la terre et les tests d'isolation effectués lors de la mise en service sur site des installations électriques garantissent le fonctionnement fiable des systèmes de protection contre la foudre. Vous pouvez vous reporter à la série d'articles correspondante.Mise en service sur site des systèmes électriques des grues : de l'initiation à la maîtriseMéthodes de contrôle de l'isolation. Les varistances et les tubes à décharge gazeuse intégrés au SPD se détériorent progressivement sous l'effet de chocs de surtension répétés ; leur durée de vie nominale est généralement de 5 à 8 ans (ou ils doivent être remplacés après avoir subi 20 chocs nominaux cumulés). Remplacer immédiatement tout SPD dont la fenêtre d’indication d’état est rouge ; pour les SPD sans fenêtre d’indication, vérifier chaque année, avant la saison des orages, le courant de fuite à l’aide d’un testeur de SPD (les SPD doivent être remplacés si le courant de fuite de la varistance dépasse 1 mA ou en cas de court-circuit). Le remplacement des SPD doit impérativement s’effectuer hors tension ; toute intervention sous tension est strictement interdite. Les systèmes de protection contre la foudre de Krued Heavy Industry sont livrés avec des pièces de rechange pour les SPD (une pièce de rechange de chaque type, de niveau I et de niveau II, par appareil) ainsi qu’un tableau de suivi des contrôles ; il suffit à l’utilisateur de consigner les résultats chaque trimestre conformément à ce tableau.

Foire aux questions