Guide de protection contre les surtensions pour une usine de traitement de l'eau pour l'alimentation électrique, le PLC, 4–20 mA et RS485

Commencez par l'architecture de l'installation, pas par un seul modèle de SPD

La première tâche de conception consiste à cartographier la manière dont l’énergie et l’information circulent dans l’installation. Une station de traitement d’eau ou d’eaux usées typique peut comprendre une alimentation de service, un groupe électrogène, un commutateur de transfert automatique, un tableau général basse tension, un centre de contrôle des moteurs, des coffrets de pompes, des VFDs, des armoires PLC, des équipements SCADA, des E/S distantes, des systèmes de dosage, des instruments extérieurs et des stations de pompage distantes.

Tout conducteur traversant une zone exposée pour entrer dans une armoire protégée peut devenir une voie d’entrée des surtensions. La norme IEC 62305-4 traite des mesures de protection contre les surtensions pour les systèmes électriques et électroniques au sein des structures, y compris une protection coordonnée aux limites pertinentes.[3]

Par où les surtensions peuvent-elles entrer dans une installation d'eau ou d'eaux usées ?

La foudre n’est pas la seule source de surtension transitoire. Les opérations de commutation, les charges inductives et les différences de potentiel temporaires entre des zones séparées peuvent également solliciter les équipements de commande et de communication. La norme IEC 60364-4-44 traite de la protection contre les perturbations de tension et électromagnétiques dans les installations basse tension.[4]

La colonne “ équipement à risque ” montre pourquoi la protection ne peut pas s’arrêter à l’arrivée de l’installation.

Un SPD limite les surtensions transitoires. Il ne corrige pas les surtensions permanentes, la perte de phase, les harmoniques, un blindage incorrect, les erreurs de terminaison RS485 ni l’ensemble des perturbations associées à un système d’entraînement.

Comment faut-il sélectionner le SPD AC du tableau principal ?

Le tableau principal est normalement la première limite interne de protection CA. Le niveau de performance SPD requis dépend de la possibilité qu’un courant de foudre partiel pénètre, de la manière dont l’alimentation arrive à l’installation, de la présence ou non d’un système externe de protection contre la foudre et des exigences nationales ou propres au projet applicables.[1][2][3]

Ne présumez pas que chaque usine de traitement d’eau nécessite automatiquement un SPD de type 1. L’aptitude de type 1 ou de type 1+2 doit être évaluée lorsque le courant de foudre peut pénétrer dans l’installation. Un type 2 peut être approprié lorsque l’aptitude de type 1 n’est pas requise ou a déjà été prise en compte à une limite amont. La décision finale appartient au concepteur du projet et aux règles d’installation applicables.[5][7][8]

Confirmez ces paramètres avant de sélectionner le SPD d’arrivée

• Tension du système : tension nominale, tension de fonctionnement continue maximale, fréquence et variation normale de la tension.
• Schéma de mise à la terre : TN-S, TN-C-S, TT, IT, configuration en delta ou autre configuration propre au projet.
• Modes de protection : phase-neutre, phase-PE, neutre-PE ou autres modes requis par le système.
• Service du SPD : Type 1, Type 2 ou Type 1+2 combiné, selon la limite d’installation et le concept de risque.
• Uc et Up : la tenue en tension de service permanente et le niveau de protection en tension doivent convenir au système et à l’objectif de protection de l’équipement.
• Iimp, In et Imax : comparez chaque valeur uniquement dans le cadre de son service d’essai défini. Un nombre plus élevé à lui seul ne prouve pas une meilleure adéquation au projet.
• Conditions de court-circuit : courant de court-circuit prospectif, performance de court-circuit du SPD, sectionneur interne et protection de secours externe.
• Surveillance : indication visuelle de l'état, modules remplaçables et contact distant libre de potentiel lorsque le système de maintenance exige une signalisation à distance.

Les tableaux en aval doivent être coordonnés avec le SPD en amont

Un tableau de distribution en aval ou une armoire de commande peut nécessiter un autre étage de protection lorsqu'il est éloigné du tableau d'arrivée, alimenté par un long câble exposé, situé dans un autre bâtiment ou connecté à un équipement sensible.

La coordination ne se détermine pas par la distance seule. Les caractéristiques des SPD en amont et en aval, l'arrangement de connexion, l'impédance des câbles, le niveau de protection et la tenue de l'équipement terminal doivent être examinés ensemble. Suivez la norme d'application pertinente, les instructions du produit et la conception du projet.[5][8][14]

Quelle protection faut-il pour un coffret de commande de pompe ou de variateur de vitesse ?

Un coffret de pompe peut contenir plusieurs chemins indépendants d'entrée des surtensions : l'alimentation AC, un circuit AC auxiliaire, une alimentation 24 V DC, des contacteurs de niveau, des transmetteurs analogiques, des conducteurs de démarrage à distance et une communication RS485 ou Ethernet.

Le côté alimentation d'entrée est normalement le premier circuit à évaluer. Un SPD AC en aval peut être envisagé lorsque le coffret est éloigné, alimenté par un départ exposé ou doit être coordonné avec des électroniques d'entraînement et de commande sensibles. L'arrangement réel doit correspondre au SPD amont, à la tension du coffret, au système de mise à la terre et au niveau de défaut.

Séparez la voie de puissance du VFD de ses interfaces de commande

Un SPD AC installé à l'arrivée du coffret ne protège pas automatiquement l'entrée analogique, les E/S numériques, le port RS485 ou le câble du capteur distant du variateur.

La sortie du VFD est un circuit PWM propre au projet. Ne choisissez pas un composant de protection côté sortie à partir d'un tableau générique de SPD AC. Tout dispositif connecté de ce côté doit être approuvé au regard de la documentation du variateur, du moteur, du câble et du filtre.

Vérifiez chaque câble quittant le panneau de pompe

• Conducteurs de l'interrupteur de niveau ou de l'interrupteur à flotteur ;
• Retour d'information de pression, de débit ou de niveau 4–20 mA ;
• Circuits de démarrage, d'arrêt et d'alarme à distance ;
• Retour d'information de la position de la vanne ou de l'actionneur ;
• Connexion RS485 ou Modbus au PLC, à l'IHM ou au SCADA ;
• Connexions Ethernet cuivre ou modem de télémétrie ;
• Alimentation 24 V DC des instruments extérieurs ou des E/S à distance.

Pour une sélection plus approfondie au niveau du panneau, consultez le Guide de protection contre les surtensions des VFD et le Guide de protection contre les surtensions des signaux d'E/S PLC.

Les API et les E/S déportées nécessitent une protection interface par interface

Une armoire PLC n'est pas protégée comme un seul objet. Son entrée d'alimentation, son bus 24 V DC, ses modules analogiques, ses modules numériques et ses ports de communication sont des interfaces électriquement différentes.

Un boîtier d'E/S à distance ou de RTU peut être plus exposé que la salle de contrôle centrale. Il peut comporter une alimentation AC locale, une alimentation 24 V DC, plusieurs câbles de capteurs, RS485, Ethernet et une antenne externe. Traitez le boîtier comme sa propre limite de protection et examinez chaque entrée de câble.

Sélectionnez le SPD en fonction de l'interface électrique, et non du nom de l'équipement

Les termes “ capteur de niveau ”, “ débitmètre ” ou “ E/S à distance ” n'indiquent pas le SPD approprié. Deux appareils assurant la même fonction de procédé peuvent utiliser des alimentations, des formats de signal et des dispositions de conducteurs différents.

La colonne “ confirmer avant commande ” est plus importante que le nom de l’équipement.

Des étiquettes de tension similaires ne rendent pas deux circuits électriquement interchangeables.

Comment faut-il protéger les lignes des capteurs de niveau, de pression et de débit ?

Les stations de traitement de l'eau et des eaux usées utilisent couramment des transmetteurs de niveau à ultrasons, des sondes hydrostatiques, des transmetteurs de pression, des débitmètres électromagnétiques, des pH-mètres, des analyseurs de conductivité, des capteurs de turbidité, des compteurs à impulsions et des contacteurs à flotteur.

Avant de choisir un SPD de signal, identifiez le circuit concerné :

• Transmetteur à deux fils, trois fils ou quatre fils ;
• Signal 4–20 mA, HART, 0–10 V, à impulsions ou à contact sec ;
• Conducteurs d’alimentation et de signal séparés ou combinés ;
• Tension de fonctionnement continue normale et maximale ;
• Courant maximal du circuit ;
• Résistance série et chute de tension admissibles ;
• Courant de fuite et capacité admissibles ;
• Blindage du câble, conducteur de référence et disposition de liaison locale ;
• Position d’installation côté armoire, boîte de jonction ou côté transmetteur.

La norme IEC 61643-21 s’applique aux SPD raccordés aux réseaux de télécommunications et de signalisation et définit les exigences pertinentes en matière de performance, de sécurité, d’essais et de caractéristiques nominales. La norme IEC 61643-22 traite des principes de sélection, de fonctionnement, d’emplacement et de coordination pour cette classe de SPD.[10][11]

Pour une comparaison plus approfondie, consultez le guide de protection contre les surtensions des lignes de capteurs pour les circuits 24 V, 4–20 mA et RS485.

Où faut-il installer les SPD 4–20 mA et HART ?

Commencez par évaluer le point où le câblage de terrain exposé pénètre dans l’armoire de contrôle, de marshalling ou d’E/S déportées. Cela permet d’éviter qu’un long câble de terrain non protégé traverse l’armoire jusqu’à une carte d’entrée analogique.

La protection côté terrain doit également être évaluée lorsque le transmetteur est à l’extérieur, que le trajet est long, que le câble traverse des structures ou que l’équipement distant se trouve dans une autre zone de liaison équipotentielle ou de protection contre la foudre. Cela ne signifie pas que chaque boucle nécessite toujours deux SPD identiques. L’agencement final dépend du trajet du câble, du concept de zone, de la liaison équipotentielle et de la tenue de l’équipement raccordé.[3][11][14]

Cinq vérifications de boucle qui évitent les erreurs de sélection

1. Confirmez la tension réelle de la boucle. Utilisez la tension présente à l’emplacement du SPD, y compris la tolérance normale, plutôt que de vous fier uniquement à l’étiquette “ 24 V ”.
2. Vérifiez le budget de tension de la boucle. Le transmetteur, le câble, l’entrée, l’isolateur, la barrière et le SPD consomment tous une partie de la tension disponible.
3. Vérifier la résistance en série et les fuites. Une résistance excessive ou une fuite peuvent perturber la mesure normale ou réduire la marge de fonctionnement.
4. Vérifiez la compatibilité HART lorsque cela est nécessaire. Confirmer le comportement de la fréquence SPD et l’ensemble des conditions de boucle par rapport à l’instrument et à la documentation du projet.
5. Examiner les dispositions relatives au blindage et à la mise à la terre. La stratégie de mise à la terre SPD et celle relative au blindage des câbles sont liées, mais elles ne se traduisent pas nécessairement par le même choix de connexion.

Comment les lignes RS485 et Modbus doivent-elles être protégées ?

Le Modbus RTU utilise couramment une couche physique RS485. Le SPD doit donc correspondre à l’interface électrique, au câblage et aux caractéristiques des données, et pas seulement au nom du protocole.

Vérifiez si le bus est à deux fils ou à quatre fils, l’affectation des conducteurs, le conducteur de référence, la tension en mode commun, le débit de données, l’agencement du blindage, la terminaison et la topologie. Vérifiez que la capacité du SPD, ses caractéristiques d’insertion et son niveau de protection conviennent au réseau.[10][11]

Placez le SPD à proximité du point d'entrée du câble, avant que le câble apparent ne se prolonge vers la carte de communication PLC, la passerelle ou le module d'E/S déporté. En cas de long tracé extérieur ou entre bâtiments, évaluez chaque point de raccordement des équipements.

Un SPD ne peut pas réparer un réseau RS485 défectueux

Une terminaison incorrecte, une topologie inadaptée, l'absence de polarisation, un courant de blindage, une longueur de dérivation excessive, des interférences électromagnétiques (EMI) ou une configuration incorrecte du protocole peuvent également être à l'origine de défaillances de communication. La protection contre les surtensions doit venir en renfort d'un réseau correctement conçu, et non le remplacer.

Voir le Guide de câblage et de sélection des SPD RS485 pour des vérifications approfondies des circuits A/B, de référence, de blindage et de mise à la terre.

Les câbles extérieurs et interbâtiments nécessitent leur propre évaluation des risques

Les infrastructures hydrauliques sont réparties géographiquement. Une station centrale peut être reliée à des ouvrages de captage, des puits, des réservoirs, des bassins d'aération, des cuves extérieures, des zones de dosage, des stations de relevage et des armoires de télémétrie.

Un câble enterré n’est pas automatiquement à l’abri des risques liés aux surtensions. Il peut tout de même être soumis à une tension induite, transmettre un transitoire provenant d’équipements distants ou relier des emplacements dont les potentiels divergent lors d’un coup de foudre. Les recommandations relatives aux applications de traitement de l’eau considèrent les réseaux étendus d’alimentation électrique, de mesure, de contrôle et de télécommunications comme faisant partie d’un concept de protection coordonné.[3][14]

Consultez ces voies exposées

• Lignes d'alimentation aériennes ou partiellement aériennes ;
• Câbles enfouis depuis longtemps reliant les pompes, les puits et les tableaux électriques extérieurs ;
• Des boucles d'instruments le long des réservoirs, des bassins et des structures apparentes ;
• Connexion RS485 ou Ethernet par câble en cuivre entre les bâtiments ;
• Câble coaxial pour antenne radio externe, antenne de téléphonie mobile ou antenne de télémétrie ;
• Sites distants équipés d’une électrode de terre locale et d’une liaison de communication en cuivre ;
• Services métalliques reliant une zone sous douane à une autre.

Lorsque cela est techniquement possible, une connexion par fibre optique adaptée permet de supprimer le chemin de surtension conducteur d'une liaison de données entre bâtiments. La fibre optique ne dispense toutefois pas de protéger l'alimentation électrique des équipements distants ni les autres interfaces en cuivre.

La mise à la terre et la liaison équipotentielle déterminent le niveau réel de protection

Un SPD limite la tension en dérivant le courant de surtension. Il nécessite donc une connexion courte, directe et à faible impédance au conducteur de protection (PE) ou au système de liaison équipotentielle concerné. Un conducteur long comportant des coudes inutiles ajoute une tension inductive lors d'un transitoire rapide et peut augmenter la tension apparaissant au niveau de l'équipement protégé.[3][5][14]

Le SPD de puissance, le SPD de signal, la barre de mise à la terre (PE) de l'armoire, le traitement du blindage des câbles et la liaison structurelle doivent former un ensemble coordonné. La disposition exacte dépend du système de mise à la terre, du système de protection contre la foudre, du concept CEM, des exigences relatives aux zones à risque, le cas échéant, et des règles locales applicables au projet.

Contraintes techniques importantes

• Il ne faut pas publier une valeur unique de résistance de terre valable pour toutes les stations de traitement des eaux.
• N'utilisez pas de dispositif SPD pour pallier l'absence ou le dysfonctionnement d'un conducteur de protection.
• Dans la mesure du possible, veillez à séparer les câblages protégés et non protégés en aval du dispositif de protection contre les surtensions (SPD).
• Ne faites pas passer la connexion à la terre du SPD par des boucles inutiles.
• Respectez les consignes relatives à l'instrument et au projet concernant la terminaison du blindage du câble.
• Armoires de raccordement, structures métalliques et raccordements des services conformément au plan d'installation approuvé.

Planifier la surveillance de l'état, l'inspection et le remplacement

De nombreuses installations de traitement de l'eau et des eaux usées comportent des équipements sans surveillance ou situés à distance. Une défaillance du SPD peut passer inaperçue si le projet ne prévoit pas de méthode d'inspection et d'alerte efficace.

Prévoyez un indicateur d'état visible à un endroit où le personnel de maintenance peut inspecter l'armoire. Un contact à distance sans potentiel peut être raccordé à un automate programmable (PLC), à un système SCADA, à un système de gestion technique du bâtiment (BMS) ou à un circuit d'alarme lorsque la surveillance à distance est nécessaire. Ce contact signale tout changement d'état du parafoudre ; il ne vérifie pas chaque fusible, chaque conducteur, chaque raccordement PE ni chaque point de protection non surveillé.

Consignez le modèle du SPD, le circuit protégé, la date d'installation, la protection de secours, la référence du module de rechange et la logique des contacts à distance dans les documents de maintenance. Les décisions relatives à l'inspection et au remplacement doivent respecter le plan de maintenance du projet et les instructions spécifiques au modèle.[11]

Pour le choix d'un terminal de surveillance, consultez le Guide SPD sur les signaux de la télécommande LEEYEE.

Comment établir une nomenclature complète de parafoudres pour une station de traitement des eaux

Une nomenclature utile répertorie les points de protection et les interfaces, et ne se limite pas à indiquer les quantités de produits. L'équipe de projet doit tout d'abord vérifier ce qui est installé dans chaque armoire, quels équipements y sont raccordés et quels paramètres électriques doivent rester inchangés.

Déroulement du projet en sept étapes

1. Rassemblez les dessins. Utilisez le schéma unifilaire, les schémas de contrôle, le planning des E/S, le schéma réseau et la liste des câbles.
2. Marquez chaque conducteur externe. Inclure les circuits d'alimentation CA, CC, analogiques, numériques, série, Ethernet, d'antenne, de blindage et de mise à la terre.
3. Classez chaque interface. Séparer les circuits d'alimentation CA et CC, les signaux analogiques, les signaux numériques, les communications série, les circuits Ethernet et les circuits RF.
4. Enregistrer les paramètres de fonctionnement. Vérifiez la tension, le courant, le câblage, le débit de données, la mise à la terre, les conditions de défaut, le tracé des câbles et les équipements connectés.
5. Définissez la limite de protection. Déterminez à quel endroit le câble à nu pénètre dans une zone protégée et si l'extrémité située à distance doit également faire l'objet d'une évaluation.
6. Coordonner les détails de l'installation. Vérifier les SPD en amont et en aval, la protection de secours, le cheminement de la mise à la terre, le blindage, l'espace disponible dans le tableau, la température et l'indication à distance.
7. Valider les documents et les pièces de rechange. Associez chaque modèle à sa fiche technique, à son schéma de câblage, à la portée de son certificat (le cas échéant), à son module remplaçable et à son carnet d'entretien.

La colonne « Informations requises » doit être renseignée avant qu’une catégorie de SPD ne devienne un modèle approuvé.

Une liste complète des installations comprend généralement plusieurs catégories SPD, car le site comporte plusieurs interfaces électriques différentes.

Erreurs courantes de conception et d'approvisionnement

1. Installer un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) de type CA au niveau du tableau principal et considérer que tous les ports de signaux de l'automate sont protégés.
2. Utilisation d'un même appareil pour l'alimentation en courant alternatif, l'alimentation en courant continu 24 V et les signaux 4–20 mA.
3. Choisir un SPD pour courant alternatif en se basant uniquement sur la valeur Imax, sans tenir compte des valeurs Uc et Up, des modes de protection et des conditions de court-circuit.
4. Protéger le côté salle de contrôle sans évaluer un instrument distant ou une unité de télécommande (RTU) exposé.
5. Installer un SPD de signal loin du point d'entrée du câble et laisser un long tronçon non protégé à l'intérieur de l'armoire.
6. Choisir un variateur de fréquence côté sortie sans consulter la documentation relative au variateur et au moteur.
7. Appeler toutes les liaisons série « RS485 » sans vérifier les conducteurs, la référence, le blindage et le débit de données.
8. On ne tient pas compte des câbles Ethernet, de télémétrie ou d'antenne, car le bloc d'alimentation est déjà équipé d'un SPD.
9. Utilisation de connexions SPD trop longues, en boucle ou mal fixées.
10. Commander des produits avant que les plans du projet, le tracé des câbles et les données relatives aux équipements connectés n'aient été examinés.

FAQ sur la protection contre les surtensions des stations de traitement des eaux

Guides techniques connexes

• Protection contre les surtensions des variateurs de fréquence : choix de l'interface d'entrée et de commande
• Protection contre les surtensions des signaux d'E/S des automates programmables
• Protection contre les surtensions de la gamme Sensor Line pour 24 V, 4–20 mA et RS485
• Câblage et sélection des SPD RS485
• Sélection des contacts de signal à distance SPD
• Gammes de dispositifs de protection contre les surtensions LEEYEE

Références

1. Commission électrotechnique internationale. IEC 62305-2:2024, Protection contre la foudre — Partie 2 : Gestion des risques.
2. Commission électrotechnique internationale. IEC 62305-3:2024, Protection contre la foudre — Partie 3 : Dommages matériels aux ouvrages et risques pour la vie humaine.
3. Commission électrotechnique internationale. IEC 62305-4:2024, Protection contre la foudre — Partie 4 : Systèmes électriques et électroniques à l'intérieur des bâtiments.
4. Commission électrotechnique internationale. IEC 60364-4-44:2024, Installations électriques à basse tension — Protection contre les perturbations de tension et les perturbations électromagnétiques.
5. Commission électrotechnique internationale. IEC 60364-5-53:2019+A1:2020+A2:2024, Sélection et installation des équipements électriques — Dispositifs de protection, d'isolation, de commutation, de commande et de surveillance.
6. Commission électrotechnique internationale. IEC 61643-01:2024, Dispositifs de protection contre les surtensions à basse tension — Partie 01 : Exigences générales et méthodes d'essai.
7. Commission électrotechnique internationale. IEC 61643-11:2025, Dispositifs de protection contre les surtensions raccordés aux réseaux d'alimentation basse tension en courant alternatif — Exigences et méthodes d'essai.
8. Commission électrotechnique internationale. IEC 61643-12:2020, Dispositifs de protection contre les surtensions raccordés aux réseaux d'alimentation basse tension — Principes de sélection et d'application.
9. Commission électrotechnique internationale. IEC 61643-41:2025, Dispositifs de protection contre les surtensions raccordés aux réseaux d'alimentation à courant continu basse tension — Exigences et méthodes d'essai.
10. Commission électrotechnique internationale. IEC 61643-21:2025, Dispositifs de protection contre les surtensions raccordés aux réseaux de télécommunications et de signalisation — Exigences et méthodes d’essai.
11. Commission électrotechnique internationale. IEC 61643-22:2015, Dispositifs de protection contre les surtensions raccordés aux réseaux de télécommunications et de signalisation — Principes de sélection et d'application.
12. UL Solutions. Services d'essais et de certification des dispositifs de protection contre les surtensions.
13. UL Solutions Product iQ. Exemple de fiche de certification SPD selon la norme UL 1449 indiquant les champs « Type de SPD », « VPR », « MCOV », « In » et « SCCR ».
14. DEHN SE. Modernisation des stations d'épuration avec des dispositifs de protection contre la foudre et les surtensions, livre blanc d'application WPX032/EN/0122.
15. LEEYEE. Gammes de produits de protection contre les surtensions : SPD pour courant alternatif, courant continu et signaux.
16. LEEYEE. LY10 RS485 : dispositif de protection contre les surtensions pour signaux de données sur rail DIN.
17. LEEYEE. Dispositif de protection contre les surtensions avec contact de signal à distance.

Les normes, les adoptions nationales, les dossiers de certification et les cahiers des charges peuvent faire l'objet de révisions. Vérifiez l'édition applicable, les exigences locales, le champ d'application exact du modèle et les instructions d'installation du fabricant avant la conception finale, l'achat ou l'homologation.