Parafoudre et protection contre la foudre : cours et exercices

Un orage passe sur un lotissement, la foudre tombe à trois cents mètres, sur un poteau. Personne n'a rien vu chez le client, et pourtant le lendemain la box, la carte de la chaudière et le portail ne répondent plus. Aucun disjoncteur n'a déclenché : un disjoncteur surveille le courant, pas la tension. C'est le rôle du parafoudre de traiter ces quelques millionièmes de seconde pendant lesquels la tension du réseau monte à plusieurs milliers de volts.

Ce chapitre est de niveau bac pro MELEC et sert aussi au BP électricien et au BTS Électrotechnique, où la protection contre les effets des surtensions figure au référentiel. Il s'appuie sur la NF C 15-100 dans son édition de 2024 : la partie 443 dit quand il faut protéger, la partie 534 dit quel parafoudre choisir et comment le poser, la partie 10 traite du logement. Pour une présentation grand public de l'obligation, voyez notre article Le parafoudre est-il obligatoire ? ; ici, on apprend à raisonner, à choisir et à calculer.

D'où viennent les surtensions ?

Une surtension transitoire est une pointe de tension très brève, de l'ordre de quelques microsecondes à quelques centaines de microsecondes, qui se superpose à la tension normale du réseau. Elle a deux origines possibles.

La foudre. Un éclair entre le nuage et le sol transporte un courant de plusieurs dizaines de kiloampères. Il atteint l'installation de trois façons. Le coup direct frappe le bâtiment ou son paratonnerre : une partie du courant de foudre cherche alors un chemin par les conducteurs de l'installation. Le coup sur une ligne aérienne envoie une onde de tension qui se propage le long du réseau jusqu'aux tableaux des abonnés : on parle de surtension conduite. Enfin le coup à proximité, sur un arbre ou sur le sol, induit une tension dans toutes les boucles de câbles alentour et fait monter localement le potentiel de la terre. Ces deux derniers cas, les effets indirects, sont de loin les plus fréquents.

Les manœuvres. L'ouverture d'un circuit inductif (moteur, transformateur, bobine de contacteur), l'enclenchement d'une batterie de condensateurs ou la fusion d'un fusible provoquent aussi des pointes de tension. Moins hautes que celles de la foudre, elles se répètent et fatiguent l'électronique.

Pour essayer les parafoudres, les normes ont fixé des formes d'onde de référence, que l'on note par deux durées en microsecondes : le temps de montée, puis le temps de descente à mi-valeur. L'onde de courant 10/350 µs représente un courant de foudre direct : elle dure longtemps et transporte beaucoup d'énergie. L'onde de courant 8/20 µs représente les effets indirects : même allure, mais bien plus courte. Une surtension peut apparaître entre les conducteurs actifs et la terre (mode commun) ou entre phase et neutre (mode différentiel) : un parafoudre bien choisi traite les deux.

Paratonnerre et parafoudre : deux protections qui se complètent

Les deux mots se ressemblent, les deux matériels n'ont rien à voir. Le paratonnerre est une installation extérieure : un dispositif de capture en toiture, des conducteurs de descente en façade, des prises de terre dédiées. Il capte le coup de foudre direct et écoule son courant vers le sol pour que la structure ne soit pas détruite ni incendiée. Il ne protège aucun appareil électrique : en attirant l'impact sur le bâtiment, il fait même passer le courant de foudre tout près de l'installation.

Le parafoudre est un appareil du tableau électrique. Raccordé entre les conducteurs actifs et la terre, il se comporte comme un interrupteur commandé par la tension : isolant sous 230 V, il devient conducteur dès que la tension dépasse un seuil, dévie le courant de choc vers la terre et limite la tension aux bornes des appareils. La surtension passée, il redevient isolant. Le composant le plus répandu est la varistance ; l'éclateur écoule de plus forts courants, la diode d'écrêtage est plus rapide mais limitée en énergie.

La conséquence pratique tient en une phrase : un bâtiment équipé d'un paratonnerre doit toujours recevoir un parafoudre à l'origine de son installation électrique. La comparaison détaillée des deux matériels est faite dans notre article Différences entre parafoudre et paratonnerre.

Parafoudres de type 1, 2 et 3

La norme de produit NF EN 61643-11 classe les parafoudres basse tension en trois types, selon l'essai qu'ils ont subi.

Le type 1 est essayé avec l'onde 10/350 µs. Il sait écouler une fraction du courant de foudre lui-même. On le place à l'origine de l'installation quand le bâtiment est équipé d'un paratonnerre.

Le type 2 est essayé avec l'onde 8/20 µs. C'est le parafoudre « généraliste », celui du tableau d'un pavillon ou d'un commerce sans paratonnerre. On le trouve aussi dans les tableaux divisionnaires, en aval d'un type 1.

Le type 3 est essayé avec une onde combinée (tension 1,2/50 µs et courant 8/20 µs). Sa capacité d'écoulement est faible ; il assure une protection fine, au plus près d'un appareil sensible, et ne s'installe jamais seul : il lui faut un type 2 en amont.

Un même produit peut avoir passé plusieurs séries d'essais : on trouve des parafoudres « type 1 + 2 », qui remplacent deux appareils à l'origine d'un bâtiment avec paratonnerre, et des « type 2 + 3 ». Les lignes de communication ont leurs propres parafoudres, qui ne sont pas des « type 3 ».

Les grandeurs d'un parafoudre : Uc, Up, In, Imax, Iimp

La face avant d'un parafoudre porte cinq ou six valeurs, que l'on compare aux caractéristiques de l'installation.

Choisir Uc. En schéma TT ou TN sur un réseau 230/400 V, Uc doit couvrir la tension simple U0 majorée de sa tolérance de 10 %, soit 1,1 × 230 = 253 V : les parafoudres courants affichent 275 V ou davantage. En schéma IT, un premier défaut porte les phases saines à la tension composée par rapport à la terre : il faut des parafoudres prévus pour ce régime, dont l'Uc dépasse 400 V (440 V sur les modèles courants). Le cours sur les régimes de neutre explique pourquoi.

Choisir Up. Chaque matériel possède une tension de tenue aux chocs, notée Uw, classée en quatre catégories de surtension. Sur un réseau 230/400 V : 6 kV pour la catégorie IV (matériel placé à l'origine de l'installation), 4 kV pour la catégorie III (tableaux, appareillage fixe), 2,5 kV pour la catégorie II (appareils d'utilisation courants) et 1,5 kV pour la catégorie I (électronique sensible). Le niveau de protection Up doit rester inférieur à la tenue Uw de ce que l'on protège. À l'origine d'une installation 230/400 V, Up ne doit pas dépasser 2,5 kV ; en pratique, on vise 1,5 kV ou moins, parce que presque tous les tableaux alimentent aujourd'hui de l'électronique.

Choisir In ou Iimp. L'édition 2024 fixe deux minimums pour le parafoudre principal : In ≥ 5 kA pour un type 2 et Iimp ≥ 12,5 kA par pôle pour un type 1. Imax n'est pas imposé : il renseigne sur la robustesse et la durée de vie en zone très exposée.

Quand le parafoudre est-il exigé par la NF C 15-100 de 2024 ?

C'est le point qui a le plus changé avec la nouvelle édition, et la réponse n'est pas la même pour un logement et pour un autre bâtiment.

Dans les bâtiments d'habitation

La partie 10 de la norme a conservé la règle antérieure, fondée sur deux critères : le mode d'alimentation du bâtiment et l'activité orageuse de la zone. Celle-ci s'exprime par le niveau kéraunique Nk, nombre de jours d'orage par an, ou par la densité de foudroiement, nombre d'impacts par km² et par an. La zone AQ2 correspond à Nk supérieur à 25, ou à une densité de foudroiement supérieure à 2,5 ; la zone AQ1 regroupe le reste du territoire.

« Non obligatoire » ne veut pas dire inutile : une maison avec pompe à chaleur, domotique et borne de recharge mérite un type 2 quelle que soit la zone, et les guides le recommandent aussi pour une maison située à moins de 50 m d'un bâtiment équipé d'un paratonnerre. Deux nouveautés de 2024 concernent tout de même le logement. La distance au-delà de laquelle un parafoudre supplémentaire est recommandé près d'un équipement passe de 30 m à 10 m. Et dès qu'un parafoudre est posé sur l'installation électrique, il en faut aussi un sur l'installation de communication si elle est raccordée à un réseau extérieur en cuivre ; il se place dans le coffret de communication, étudié dans le cours sur les courants faibles.

Dans les bâtiments tertiaires et industriels

Ici, la logique géographique a disparu. L'article 443.4 de la NF C 15-100-1 raisonne sur les conséquences d'une surtension. Un parafoudre principal est obligatoire à l'origine de l'installation dès qu'une panne ou une coupure provoquée par une surtension aurait des conséquences :

• sur la vie humaine : services de sécurité, hôpitaux ;
• sur les services publics ou le patrimoine culturel : centres de communication, musées, monuments ;
• sur l'activité commerciale ou industrielle : usines, hôtels, banques, centres commerciaux, exploitations agricoles ;
• sur un grand nombre de personnes : bâtiments de grande taille, ERP, bureaux, établissements scolaires ;
• sur la sûreté de fonctionnement : sites équipés d'un contrôle d'accès, d'une vidéosurveillance, d'une détection incendie.

Ces cinq critères sont appréciés par le maître d'ouvrage ou le donneur d'ordre. S'y ajoutent, comme avant, les bâtiments équipés d'un paratonnerre, ainsi que les structures à risque d'explosion (installations classées). Pour tout bâtiment qui n'entre dans aucun de ces cas, il faut mener l'évaluation simplifiée du risque décrite à l'article 443.5, dont le calcul est présenté plus bas. Sans évaluation du risque, le parafoudre est obligatoire. Autant dire qu'un commerce, une école ou un immeuble de bureaux neuf reçoit désormais, dans la grande majorité des cas, un parafoudre à l'origine et un parafoudre sur ses lignes de communication entrantes. Les installations de sûreté concernées sont décrites dans les cours sur l'alarme intrusion et la sécurité incendie et sur le contrôle d'accès et la vidéosurveillance.

Le dispositif de déconnexion

Un parafoudre s'use. Chaque décharge dégrade un peu sa varistance, qui finit par laisser passer un courant de fuite sous la tension normale, puis par chauffer. Un coup de foudre trop fort peut aussi le mettre franchement en court-circuit. Dans les deux cas, il faut le séparer du réseau avant qu'il ne prenne feu dans le tableau. C'est le rôle des déconnecteurs, et il y en a deux.

Le déconnecteur thermique est interne. Quand la varistance s'échauffe, il ouvre le circuit et fait basculer un voyant en face avant (du vert au rouge, le plus souvent) ; certains modèles ont en plus un contact de télésignalisation qui reporte le défaut vers une alarme technique ou une GTB. La cartouche est alors à remplacer, déconnecteur ouvert ou circuit consigné, par le modèle indiqué par le fabricant : tant qu'elle ne l'est pas, l'installation n'est plus protégée.

La protection contre les courts-circuits est un disjoncteur ou un fusible placé en série avec le parafoudre, dans sa branche de dérivation. Quand le parafoudre finit en court-circuit, c'est cet appareil qui coupe, et non la protection générale : l'installation reste alimentée. Son calibre se lit dans le tableau du fabricant du parafoudre, en vérifiant que le courant de court-circuit au point d'installation ne dépasse pas la valeur Isccr annoncée. La méthode de choix d'un pouvoir de coupure est celle du cours sur le disjoncteur et l'appareillage de protection.

La norme de 2024 a donné des noms à ces assemblages. Un SPD est le parafoudre seul. Un SPDA est le parafoudre associé à son déconnecteur externe. Un SPDI est un parafoudre dont tous les déconnecteurs sont intégrés dans le même boîtier : on dit aussi « auto-protégé ». Le SPDI raccourcit le câblage, ce qui compte beaucoup, comme on va le voir.

Reste la question du différentiel. Le courant de décharge part vers la terre : un dispositif différentiel placé en amont le voit comme un défaut. Dans un logement en schéma TT, on raccorde donc le parafoudre en tête du tableau, directement en aval du disjoncteur de branchement et en amont des interrupteurs différentiels 30 mA, pour qu'une décharge ne fasse pas déclencher les circuits. Le disjoncteur de branchement, lui, reste forcément en amont : c'est pourquoi il doit être différentiel de type S (sélectif, donc légèrement retardé) lorsqu'un parafoudre est posé.

Règles de câblage : la règle des 50 cm

Un parafoudre excellent mal câblé protège mal. La raison est physique : un fil est une petite inductance, de l'ordre de 1 µH par mètre. Parcouru par un courant qui monte de zéro à plusieurs kiloampères en quelques microsecondes, il développe à ses bornes une tension u = L × di/dt de plusieurs centaines de volts par mètre. Cette tension s'ajoute au niveau de protection Up : l'appareil protégé voit Up plus la chute de tension dans les fils de raccordement du parafoudre.

D'où la règle des 50 cm, maintenue par l'édition 2024 : la longueur cumulée des conducteurs qui relient le parafoudre aux conducteurs actifs d'un côté et au bornier de terre de l'autre, déconnecteur compris, ne doit pas dépasser 0,50 m. On additionne trois tronçons : du point de piquage au déconnecteur, du déconnecteur au parafoudre, du parafoudre à la terre.

Dans un coffret d'une rangée, la règle se respecte sans y penser. Dans un tableau de quatre rangées dont le bornier de terre est tout en bas, elle demande de la méthode : on place le parafoudre et son déconnecteur côte à côte, au plus près de l'arrivée ; on choisit un parafoudre à déconnecteur intégré, ce qui supprime un tronçon ; si le bornier de terre est trop loin, on pose un bornier de terre intermédiaire à côté du parafoudre, relié au bornier principal. Les fils sont droits, sans boucle ni surlongueur lovée dans la goulotte.

Les sections minimales en cuivre ont été relevées en 2024 pour le parafoudre placé à l'origine de l'installation. Vers la terre : 6 mm² pour un type 2 (4 mm² auparavant) et 16 mm² pour un type 1 (10 mm² auparavant). Vers les conducteurs actifs : 2,5 mm² pour un type 2 et 6 mm² pour un type 1. Le calibre du déconnecteur peut imposer davantage : la notice fait foi. Rien de tout cela ne fonctionne sans une terre correcte et des liaisons équipotentielles soignées, sujet du cours sur la liaison équipotentielle. Un exemple complet de pose en tableau d'habitation est détaillé dans notre article Parafoudre : norme, branchement et test.

Coordination : plusieurs parafoudres dans une même installation

Le parafoudre principal se pose à l'origine de l'installation, là où les lignes entrent dans le bâtiment. Si un site possède plusieurs points de livraison, chaque installation a le sien. Un seul ne suffit pas toujours.

La première raison est la distance. Derrière le parafoudre, la tension résiduelle se propage dans le câble, se réfléchit à son extrémité et oscille : aux bornes d'un récepteur éloigné, elle peut atteindre jusqu'au double de Up. La norme retient un seuil de 10 m de conducteur (article 534.1.4.10) : au-delà, la protection de l'équipement par le seul parafoudre principal n'est plus garantie, et elle recommande un parafoudre supplémentaire dans le tableau divisionnaire ou près de l'appareil. C'est le cas typique d'une borne de recharge en bout de parking, traitée dans le cours sur l'IRVE.

L'article 534.1.4.1.3 rend le parafoudre supplémentaire obligatoire dans deux cas : quand le niveau de protection Up du parafoudre principal est trop élevé pour la tenue aux chocs des équipements, et quand des surtensions de manœuvre ont été identifiées dans l'installation (gros moteurs, batteries de condensateurs, groupe électrogène). Il le préconise aussi (« il convient ») pour les circuits qui sortent du bâtiment : annexes, éclairage extérieur, capteurs et équipements extérieurs.

Quand plusieurs parafoudres se suivent, ils doivent être coordonnés : celui d'amont, le plus robuste, doit prendre l'essentiel de l'énergie, et celui d'aval ne doit pas conduire seul avant lui, sous peine d'être détruit. En pratique, on prend des appareils d'une même gamme et l'on suit les tableaux de coordination du fabricant, comme pour la sélectivité des disjoncteurs.

Pour aller plus loin (BTS)

L'évaluation simplifiée du risque (article 443.5). Pour les bâtiments autres que l'habitation qui n'entrent dans aucun des cas d'obligation directe, on calcule le niveau de risque NRC :

NRC = f_env / (L_P × N_sg)

f_env est un facteur d'environnement : 85 en milieu rural ou périurbain, 850 en milieu urbain. N_sg est la densité de points de contact de la foudre au sol, par km² et par an ; la norme en donne la valeur par département (tableau 44.3). L_P est une longueur de ligne équivalente, en kilomètres, qui pondère les tronçons selon leur exposition :

L_P = 2 L_PAL + L_PCL + 0,4 L_PAH + 0,2 L_PCH

avec L_PAL la longueur de ligne aérienne basse tension, L_PCL celle de câble souterrain basse tension, L_PAH celle de ligne aérienne haute tension et L_PCH celle de câble souterrain haute tension. Une ligne aérienne BT compte double, un câble HT enterré cinq fois moins qu'un câble BT enterré. Si NRC est inférieur à 1 000, le parafoudre est obligatoire ; au-dessus, il ne l'est pas. Plus la ligne est longue et aérienne, plus la région est foudroyée, plus NRC baisse : contrairement à ce que son nom suggère, un NRC faible signale un risque élevé.

Les schémas de connexion. En triphasé avec neutre, deux montages existent. Dans la connexion dite CT1, ou « 4 + 0 », chaque conducteur actif est relié à la terre par un élément de protection. Dans la connexion CT2, ou « 3 + 1 », trois éléments sont placés entre phases et neutre et un quatrième, généralement un éclateur, entre neutre et terre. En CT2, cet élément neutre-terre voit passer la somme des courants des autres pôles : il doit donc écouler un courant plus élevé qu'eux, ce que les fabricants prennent en compte dans leurs blocs 1P+N et 3P+N. Comme un éclateur ne laisse passer aucun courant de fuite vers la terre sous la tension normale, le montage 3 + 1 est le plus courant en schéma TT, où l'installation est protégée par des différentiels. La valeur de 12,5 kA par pôle est un minimum par défaut : avec un paratonnerre de niveau de protection I ou II, les fabricants prescrivent 25 kA par pôle. Enfin, l'article 534.1.4.7 traite la coordination d'un type 1 avec un dispositif différentiel : soit le parafoudre est placé en amont du différentiel, avec un câblage de classe II jusqu'à lui, soit il est en aval d'un différentiel d'au moins 500 mA de sensibilité. Côté courant continu d'une installation photovoltaïque, les parafoudres suivent le guide UTE C 15-712-1, évoqué dans le cours sur le photovoltaïque.

Les erreurs qui reviennent

Croire que le paratonnerre protège les appareils. Il protège la structure, et il rend le parafoudre de type 1 obligatoire.

Câbler long. Un parafoudre posé en bas du tableau « parce qu'il restait de la place », avec 1,20 m de fil, perd une bonne partie de son efficacité.

Oublier le déconnecteur, ou le choisir au jugé. Un parafoudre sans protection contre les courts-circuits, hors modèle auto-protégé, est un risque d'incendie en fin de vie.

Poser un type 3 seul, ou compter sur une multiprise « parafoudre » pour protéger une maison. Sans type 2 en amont, le type 3 est détruit au premier choc sérieux.

Raccorder la terre du parafoudre en 2,5 mm², ou sur une prise de terre séparée de celle de l'installation. Toutes les terres du bâtiment sont interconnectées.

Ne jamais regarder le voyant. Un parafoudre en fin de vie ne coupe pas le courant : seule la fenêtre rouge signale que l'installation n'est plus protégée.

Mesurer l'isolement parafoudre en service. Sous la tension d'essai, il conduit et fausse la mesure : installation hors tension, on ouvre son déconnecteur (ou on retire les cartouches) avant l'essai, et on le remet ensuite.

Appliquer au tertiaire la règle du logement. « Alimentation souterraine, donc pas de parafoudre » ne vaut plus pour un commerce ou un atelier depuis l'édition 2024.

Exercices corrigés

Les cinq premiers exercices sont de niveau bac pro et BP, les deux derniers de niveau BTS. Cherchez avant d'ouvrir le corrigé.

Exercice 1. Trois maisons individuelles neuves. Maison A : zone AQ2, branchement aérien sur les trente derniers mètres, pas de paratonnerre. Maison B : zone AQ1, branchement aérien, pas de paratonnerre. Maison C : zone AQ1, branchement souterrain, paratonnerre sur le toit. Pour chacune, dites si un parafoudre est obligatoire et de quel type.

Exercice 2. Un parafoudre porte les indications : type 2, Uc 275 V, In 5 kA, Imax 15 kA, Up 1,3 kV. Expliquez chaque valeur. Convient-il comme parafoudre principal d'un pavillon en schéma TT 230 V sans paratonnerre ?

Exercice 3. Dans un tableau, on mesure : 20 cm entre le bornier d'arrivée et le disjoncteur de déconnexion, 15 cm entre ce disjoncteur et le parafoudre, 45 cm entre le parafoudre et le bornier de terre. Le câblage respecte-t-il la règle ? Proposez deux corrections.

Exercice 4. Une salle polyvalente communale (ERP) est construite avec un paratonnerre. Alimentation triphasée 230/400 V, schéma TT. Indiquez le type du parafoudre principal, son courant de choc minimal, les sections minimales de raccordement et ce qu'il faut prévoir sur la ligne téléphonique en cuivre.

Exercice 5. Le tableau principal d'un cabinet médical est équipé d'un type 2 de niveau de protection Up = 1,5 kV. Un appareil électronique de catégorie I (Uw = 1,5 kV) est alimenté par un circuit de 28 m. Est-il correctement protégé ? Que proposez-vous ?

Exercice 6 (BTS). Un hangar de stockage sans paratonnerre est situé en zone rurale ; son maître d'ouvrage a établi qu'aucun des critères de l'article 443.4 n'est rempli. Il est alimenté par 300 m de ligne aérienne BT puis 150 m de câble BT enterré ; en amont du poste, on retient 500 m de ligne HTA aérienne. La densité N_sg donnée par l'énoncé est de 1,5 par km² et par an. Calculez le NRC et concluez. Refaites le calcul pour le même hangar en ville (N_sg = 0,8), alimenté par 250 m de câble BT enterré et 700 m de câble HTA enterré.

Exercice 7 (BTS). Un parafoudre de type 2 a un niveau de protection Up = 1,5 kV. On l'assimile à une source de 1,5 kV pendant une décharge de 5 kA en onde 8/20 µs, et l'on prend une inductance de 1 µH par mètre pour les fils. En supposant que le courant monte linéairement en 8 µs, calculez la tension vue par l'installation pour un câblage de 0,50 m, puis de 1,50 m. Comparez à la tenue des matériels de catégorie II.

Sources

• CAPEB, Révision de la norme NF C 15-100 : quelles sont les évolutions ? (décembre 2024, PDF) : articles 443.4, 443.5 et 534, logement et tertiaire.
• Citel, Nouvelle norme NF C 15-100-1 et guide Les parafoudres, édition 2024 (PDF) : critères d'obligation, calcul du NRC, parafoudres supplémentaires, sections et règle des 50 cm.
• Legrand, NF C 15-100, révision du 23 août 2024 : points clés (PDF) : cas obligatoires et recommandés en résidentiel et en tertiaire.
• Schneider Electric, Questions fréquentes sur l'installation de parafoudres selon la norme NF C 15-100 : types, ondes d'essai, règles de câblage.
• Hager, guide NF C 15-100 de l'habitat : différentiel de type S en amont du parafoudre placé à l'origine.

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