Protection des pompes immergées contre les effets de la foudre

Chaque type de pompe est conçu pour une application bien définie ; en dehors de son domaine de fonctionnement, la pompe risque d’être endommagée et même son moteur détruit. Outre le coût du matériel, il faut tenir compte des frais d'installation, surtout en ce qui concerne les pompes immergées dans les puits de grande profondeur, pour se rendre à l'évidence que des protections sont nécessaires. Nous allons examiner les différents types de protection utilisés.

Nous ne perdrons pas de vue que bien des pompes immergées servent à l’alimentation en eau potable ou à l'irrigation, ce qui conduit à penser qu’elles sont implantées dans des régions méridionales où les orages sont plus fréquents qu’ailleurs : il est facile d’imaginer les résultats occasionnés par les coups de foudre sur du matériel électrique. Cela nous amènera à proposer un dispositif de protection supplémentaire après avoir tenté de définir les valeurs des paramètres conduisant à la destruction des dispositifs protégeant des pompes immergées.

Nous n’envisagerons pas les protections mécaniques des pompes immergées ; notre propos se limitera donc aux installations électriques, celles qui sont souvent mises en défaut en cas de coup de foudre.

PROTECTION DES POMPES

Généralement on protège le moteur de la pompe pour éviter d'une part les courts-circuits et d'autre part les surcharges. Le dispositif de protection comprend en outre un circuit de détection de manque d’eau qui protège la pompe en coupant l’alimentation du moteur ; l'ensemble est rassemblé dans un coffret de commande de pompe immergée dont le schéma de principe est représenté sur la figure 1.

Naturellement, ce schéma monophasé peut être transposé facilement en triphasé. Nous pouvons distinguer deux types de composants électriques et électromécaniques :

• des composants robustes comme les contacteurs ou transformateurs,
• des composants fragiles, tels que transistors, et d'une façon générale, les semi-conducteurs.

Bien évidemment, la distinction entre « robustes » et « fragiles » s'entend dans le sens difficiles ou faciles à détruire par une impulsion parasite. Il sera donc plus facile de protéger un contacteur qu’un transistor contre les méfaits de la foudre.

Par ailleurs, le schéma montre que les impulsions parasites dues aux coups de foudre se propageront soit par les fils d’alimentation, soit par les fils des électrodes. Il sera donc nécessaire de prévoir des protections sur ces deux entrées ; vraisemblablement, elles seront différentes compte tenu de la valeur maximale de l'énergie admissible pour ne pas détruire les composants.

La protection contre les coups de foudre se fera selon le schéma de la figure 2.

Pour obtenir une protection optimale, il y aura lieu de placer ces circuits le plus près possible des composants à protéger ; autrement dit, un coffret de commande de pompe immergée doit comprendre : une protection pour le moteur, une protection de manque d’eau, une protection contre les coups de foudre.

CARACTÉRISTIQUES DES COUPS DE FOUDRE

Il n’existe pas, dans la littérature technique, d’articles sur l’étude systématique des coups de foudre en France avant 1973 ; au travers des études faites aux U.S.A., il est admis que les caractéristiques du phénomène dépendent de la situation géographique. Pour faire une analyse quantitative de ses paramètres, il est souhaitable de pouvoir déclencher un éclair, dans la mesure où ce phénomène n'est pas réalisable en laboratoire ; c'est la raison pour laquelle une station expérimentale d'étude de la foudre a été installée en 1973, à Saint-Privat-d'Allier, dans le Massif central. Elle a été exploitée, entre 1973 et 1983, conjointement par Électricité de France, le Commissariat à l'énergie atomique et le Centre national d'études des télécommunications. L'intérêt de l'installation réside dans le fait que les coups de foudre sont déclenchés artificiellement, quand les conditions optimales sont remplies, par une fusée reliée au sol à l'aide d’un fil métallique de 0,2 mm de diamètre. Cette technique permet de faire tomber la foudre sur le site de tir qui comporte :

• un dispositif de mesure du courant engendré par la foudre,
• des capteurs pour la mesure et l’enregistrement du champ électrique et du champ magnétique,
• deux postes photographiques,
• quatre stations de mesure des ondes électromagnétiques.

Les principales valeurs à noter sont résumées dans le tableau ci-dessous, qui donne la proportion des coups ayant dépassé l’amplitude maximale Im du courant, la durée totale des éclairs et le nombre d’impulsions (figure 3).

Ces impulsions du courant sont caractérisées par des fronts de montée très raides de l’ordre de 0,5 µs ; il a été relevé très souvent des pentes de 40 kA/µs. Ces valeurs correspondent à un coup de foudre direct.

Dans le cas qui nous préoccupe, la protection des pompes immergées, l'action de la foudre peut se présenter sous deux formes :

• le coup de foudre direct : la décharge traverse le coffret de commande ; ses caractéristiques sont celles que l'on vient de donner,
• le coup de foudre indirect : la décharge induit entre les fils d'alimentation ou entre les fils des électrodes des tensions dont les caractéristiques sont inférieures à celles du coup direct.

Fort heureusement, la probabilité d’un coup direct, pour lequel l'établissement d’une protection paraît difficile et en tout cas très onéreuse, est extrêmement faible. Par contre, le second cas est le plus préoccupant puisque nous pouvons lui imputer tous les défauts rencontrés sur les pompes immergées, notamment « la marche à sec » conduisant à la destruction de la pompe. Les tensions induites dépendent beaucoup du couplage et donc de la nature du terrain dans la région située entre le point d'impact et le forage.

La forme de la tension induite est donnée par la figure 4.

Elle est caractérisée par trois paramètres :

— le temps de montée,

— la durée de l'impulsion à la mi-hauteur de l'amplitude,

— l'amplitude.

Dans le calcul des protections contre la foudre, on utilise généralement une onde 1/50, c’est-à-dire ayant un temps de montée t₁ = 1 µs pour une durée à mi-hauteur t₂ = 50 µs. L’amplitude maximale est plus difficile à définir puisqu’elle dépend des caractéristiques du lieu d’implantation de la pompe immergée. En fait, nous verrons que son choix détermine la puissance des composants à utiliser.

DISPOSITIFS PARAFOUDRES

La protection des pompes immergées consiste, en résumé, à disposer judicieusement des composants bien dimensionnés permettant aux charges électriques parasites de s’écouler à la terre ; ceux-ci étant peu nombreux, nous pouvons en faire l’analyse rapidement :

Parasurtension à gaz :

ce dispositif, composé de deux électrodes placées à l’intérieur d’un tube de verre ou de céramique contenant un gaz rare, permet d’écouler des courants électriques très importants (20 kA en impulsion par exemple). Le tube, une fois amorcé, présente à ses bornes une tension constante, dépendant de son mode de construction. Toutefois, la tension minimale, qui n’est pas inférieure à 90 V, peut atteindre 800 V.

Ce système protège très bien les composants électromécaniques ; il n’est cependant pas suffisant pour protéger des semi-conducteurs du fait de son temps de réponse « long », de l’ordre de la microseconde. Il faut noter que des progrès ont été réalisés dans la diminution de ce temps de réponse en introduisant dans le gaz rare contenu dans le tube une petite quantité d’un émetteur bêta, celle-ci étant suffisamment faible pour que le rayonnement soit absorbé par l’enveloppe du tube.

Le parasurtension à gaz est un dispositif qui permet d’écrêter les impulsions aussi bien positives que négatives, dont la courbe de réponse est représentée sur la figure 5a.

Varistor à oxyde métallique :

ce composant est constitué de grains d’oxydes métalliques liés entre eux par une résine et fortement pressés ; il se comporte comme un semi-conducteur : son temps de réponse est inférieur à 25 ns. Comme le parasurtension, il fonctionne symétriquement (voir figure 5b). Par contre, il dissipe beaucoup moins d’énergie : on trouve, dans différentes tensions, des composants permettant de dissiper des énergies comprises entre 5 et 20 J. Des progrès ont eu lieu dans ce domaine puisque l’énergie dissipable atteint 40 joules mais dans une présentation différente.

Diode zener :

pour écrêter les impulsions parasites on peut utiliser les diodes zener de puissance. La tension d’écrêtage est bien déterminée, avec une tolérance de 5 % (voir figure 5c). Cependant, ce composant était volumineux et cher (boîtier métallique). Pour y remédier, des diodes zener admettant des courants de pointe très importants ont été créées et sont commercialisées en boîtier plastique sous différentes marques. Elles ne fonctionnent que dans un sens et leur intérêt réside surtout dans les faibles tensions : protection des circuits logiques par exemple (figure 5).

Il résulte de ce que nous venons de voir que parasurtension et varistor à oxyde métallique se complètent, les inconvénients de l’un étant compensés par les avantages de l’autre. Ainsi que nous l’avons indiqué sur le schéma de la figure 2, nous proposons deux circuits de protection :

Sur l’alimentation : nous avons vu que E.D.F. protège son réseau et que dans ces conditions, les tensions et courants induits sont relativement faibles. Par ailleurs,

Les composants reliés à ces fils sont des transformateurs, des relais ; aussi, le circuit de protection sur l’alimentation consistera en un varistor à oxyde métallique de 20 J et dont la tension sera supérieure à la valeur maximale de la tension d’alimentation (figure 6).

Sur le circuit d’entrée de la carte de détection de présence d’eau : pour être efficace, le circuit de protection doit être parfaitement adapté au système à protéger sans en perturber le fonctionnement ou en altérer les performances. Afin de proposer un schéma, nous admettrons que :

• — l’électrode C est à la terre, c’est l’électrode de référence,
• — sur les électrodes A et B est appliqué un signal alternatif 50 Hz.

Pour mémoire, le circuit fonctionne de la manière suivante : l’électrode B étant recouverte, quand le niveau d’eau atteint l’électrode A la pompe se met en marche et ne s’arrête que lorsque l’électrode B est découverte.

Le schéma proposé est représenté sur la figure 7. Pour une bonne compréhension, nous avons donné un exemple de circuit d’entrée. Pendant le temps de réponse des parasurtensions P1 et P2, les tensions sont limitées à 35 V environ par le varistor V1 et V2 pouvant dissiper 20 J, le courant qui traverse V1 et V2 étant limité respectivement par les résistances R1 et R2. Quand les parasurtensions ont atteint le régime d’arc, correspondant à 90 V, les varistors V1 et V2 dissipent peu d’énergie ; ils peuvent supporter une impulsion de courant de 10 kA.

Le varistor V3 permet de s’assurer que la tension entre les deux bornes d’entrée ne dépassera jamais 35 V quelles que soient les dispersions sur les différents composants.

La figure 8 représente les courants traversant en a) le parasurtension et en b) le varistor.

Pour obtenir une efficacité maximale, il y a lieu de prendre quelques précautions pour réaliser ce circuit. C’est ainsi que les composants utilisés peuvent être soudés sur circuits imprimés mais il faut prendre les précautions suivantes :

• — raccourcir les fils de liaison au maximum,
• — disposer les parasurtensions près des bornes d’entrée,
• — utiliser la plage maximale de cuivre pour diminuer la valeur ohmique de la liaison et faciliter la dissipation thermique.

Ce type de circuit a montré son efficacité depuis quelques années dans la protection des coffrets de commande de pompes immergées, principalement en Provence ; par ailleurs, les orages de l’été 1983 nous ont conduit à le développer pour d’autres types d’application. Nous pouvons ainsi proposer des systèmes de protection de plus en plus performants et fiables, restant conscient qu’une fiabilité à 100 % est le but à atteindre.

BIBLIOGRAPHIE

SEE, « La foudre et les réseaux électriques », journée d’études du 6 octobre 1983. Les différents comptes rendus fournissent une bibliographie très complète.