Protection contre les surtensions pour les installations pétrolières, gazières et pétrochimiques : choix pour les zones dangereuses et les environnements corrosifs

Les installations pétrolières, gazières et pétrochimiques conjuguent deux problématiques qui se rencontrent rarement ailleurs : des atmosphères explosives qui limitent strictement le choix des équipements à installer et leurs modalités d’installation, ainsi que de longs chemins de câbles extérieurs qui véhiculent les surtensions de foudre et de commutation jusque dans le cœur du système de contrôle. La protection contre les surtensions en milieu pétrochimique relève donc autant d’une question de conformité que d’une question électrique — un appareil adapté mais installé dans un boîtier inapproprié, ou muni d’un certificat non conforme, ne constitue tout simplement pas une installation admissible.

Cet article explique la manière dont la sélection des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) est généralement abordée dans ces installations : en quoi les zones dangereuses et les zones non dangereuses sont traitées différemment, pourquoi un module SPD n’est pas automatiquement considéré comme un équipement certifié Ex, ainsi que la façon dont les atmosphères corrosives, les armoires extérieures, les longues boucles d’instrumentation 4–20 mA et le réseau de mise à la terre de l’usine influencent la solution finale.

Points clés à retenir

• La classification des zones (zones 0/1/2, 20/21/22) détermine les règles d’installation ; elle ne modifie pas la physique de la surtension, mais elle précise les emplacements et les modalités de montage des dispositifs de protection contre les surtensions.
• Un module SPD n’est pas, par défaut, certifié Ex — c’est l’ensemble complet composé du boîtier, des presse-étoupes, du câblage et du raccordement qui porte la marque Ex.
• Les longues boucles 4–20 mA et le réseau de mise à la terre de l’usine exercent généralement une influence plus prépondérante que tout autre facteur sur la protection du côté signal.
• La portée du certificat est confirmée sur la base de la documentation modèle et des spécifications du projet, plutôt que d’être déduite du nom d’une famille de produits.

Sommaire

1. Zones dangereuses et zones non dangereuses : deux réglementations distinctes
2. Le SPD n’est pas le certificat d’ex
3. Distribution de l’énergie : de la sous-station aux armoires de terrain
4. Signaux d’instruments, boucles 4–20 mA et réseau de mise à la terre
5. Atmosphères corrosives et armoires d’extérieur
6. Répartition des risques au sein de l’usine
7. Liste de vérification de la sélection
8. FAQ

Zones dangereuses et zones non dangereuses : deux réglementations distinctes

Chaque installation commence par la réalisation des schémas de classification des zones. Les emplacements susceptibles d’abriter des gaz ou des vapeurs inflammables sont classés en Zones 0, 1 ou 2, tandis que les zones contenant des poussières combustibles sont classées en Zones 20, 21 ou 22, conformément à la série de normes IEC 60079 relative aux atmosphères explosives. Les postes de transformation, les centres de commande de moteurs et les bâtiments de contrôle se situent généralement en dehors de ces zones, dans ce que l’on désigne, de manière informelle, comme la zone sécurisée ou non dangereuse.

En matière de protection contre les surtensions, cette répartition a une conséquence pratique : la plupart des équipements de protection contre les surtensions sont installés dans la zone non dangereuse. Les tableaux de distribution principaux, les coffrets de commande et les armoires de raccordement constituent des installations industrielles courantes, et l’approche par étapes habituelle s’applique : les dispositifs de type 1 aux entrées de service, là où l’on prévoit un courant de foudre partiel, et les dispositifs de type 2 en aval. Les dispositifs de protection contre les surtensions pour les systèmes à basse tension en courant alternatif sont couverts par… CEI 61643-11 , et la sélection suit la même logique de tension et de coordination que sur tout site industriel.

À l’intérieur de la zone dangereuse, les règles changent. Aucun équipement ne peut être installé si sa conception, sa certification et son mode d’installation ne sont pas autorisés pour cette zone. Un parafoudre pour zone dangereuse n’est donc pas une catégorie de catalogue, mais une solution : un module parafoudre intégré dans un boîtier ou une boîte de jonction Ex certifié, équipé de presse-étoupes certifiés, avec un raccordement de mise à la terre conforme et une documentation correspondant à la zone, au groupe de gaz et à la classe de température indiqués sur le schéma de classification de la zone.

L’exercice de zonage s’effectue généralement en parallèle avec l’évaluation du risque de foudre de l’installation. Lorsque les ouvrages sont protégés par un système externe de protection contre la foudre conforme à la norme IEC 62305, le niveau de protection contre la foudre et les zones de protection correspondantes déterminent la valeur maximale du courant partiel de foudre que chaque limite peut supporter, ce qui, à son tour, permet de choisir si des dispositifs de type 1, de type 2 ou combinés sont appropriés pour chaque point d’entrée. Les installations ne disposant pas d’une évaluation formelle du risque font généralement réaliser une telle évaluation avant de finaliser le concept de parafoudres, car la mise en œuvre ultérieure d’une coordination de rétro‑installation est bien plus perturbante que sa prise en compte dès la phase de conception.

Le SPD n’est pas le certificat d’ex

Ce point mérite d’être souligné, car il constitue l’erreur de compréhension la plus fréquente en matière d’approvisionnement. Un module SPD testé selon la norme IEC 61643 a fait preuve de performances face aux surtensions ; cela ne signifie toutefois pas, par défaut, qu’il est adapté aux atmosphères explosives. À moins qu’un modèle spécifique ne soit doté de son propre certificat et marquage Ex, le module lui‑même reste un équipement industriel ordinaire.

En pratique, la conformité Ex est assurée au niveau de l’assemblage. Le boîtier ou le coffret de raccordement porte la certification ; les presse-étoupes et les obturateurs préservent le concept de protection ; le câblage et la liaison équipotentielle respectent les règles d’installation ; et l’ensemble de l’installation est réalisé et vérifié dans le cadre du dispositif Ex du projet — par exemple, la série IEC 60079 à l’échelle internationale, ou la directive ATEX 2014/34/UE au sein de l’Union européenne. Le parafoudre intégré n’est qu’un composant de cette solution certifiée, et non le titulaire de la certification.

Cela signifie également que la mention « antidéflagrant » n’est pas considérée comme une caractéristique par défaut de tout dispositif de protection contre les surtensions. La conformité d’une solution donnée de DPS pour zone Ex dépend du champ d’application de la certification de l’enceinte et des composants, de la zone et du groupe de gaz indiqués sur le schéma, ainsi que des spécifications propres au projet. Lorsqu’un projet exige un équipement certifié, la certification applicable et ses conditions d’utilisation sont vérifiées à l’aide de la documentation du modèle avant toute commande — notre… Page des certificats répertorie la documentation disponible pour chaque famille de produits.

Distribution de l’énergie : de la sous-station aux armoires de terrain

La distribution d’énergie au sein des installations s’effectue généralement depuis l’arrivée en moyenne tension, via les sous‑stations de chaque poste, jusqu’aux tableaux de commande et de protection (MCC) en basse tension, puis, à partir de ceux‑ci, vers les tableaux de distribution de terrain, les bâtiments d’analyse et les armoires extérieures. Chaque étape de transition constitue un emplacement potentiel pour un parafoudre d’interface, et la coordination entre les différents niveaux permet de maintenir les niveaux de surtension résiduelle maîtrisés au niveau des charges.

Aux tableaux principaux basse tension, les dispositifs de type 1 ou combinés type 1+2 sont couramment utilisés lorsque l’installation est équipée d’une protection contre la foudre extérieure ou de lignes aériennes. Les tableaux secondaires et les armoires de terrain intègrent quant à eux des dispositifs de type 2, adaptés à la tension d’alimentation locale et au schéma de mise à la terre en vigueur. Des familles de produits telles que… SPD pour alimentation électrique alternative couvrir ces postes ; les évaluations définitives proviennent des schémas unifilaire du projet et non de suppositions génériques.

Deux vérifications spécifiques au site méritent d’être menées. Tout d’abord, les installations équipées de cogénération ou de grands moteurs subissent fréquemment des surtensions internes dues aux commutations; il convient donc de vérifier, et non de supposer, la coordination des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) avec la protection en amont ainsi qu’avec les niveaux de défauts prévisibles réels. Ensuite, les armoires de terrain distantes alimentées par de longues lignes de câbles se comportent électriquement comme des installations autonomes : lors d’un coup de foudre, l’élévation du potentiel de terre local peut solliciter l’équipement, même lorsque la protection de la sous‑station fonctionne correctement. C’est pourquoi une protection de type 2 au niveau du terrain est si couramment adoptée dans les solutions de protection contre les surtensions destinées à l’industrie pétrochimique.

Signaux d’instruments, boucles 4–20 mA et réseau de mise à la terre

L’instrumentation est le domaine où les surtensions endommagent le plus fréquemment les installations de procédé. Une usine peut compter des milliers de boucles 4–20 mA, allant des transmetteurs de terrain, via des câbles multiconducteurs, jusqu’au système de contrôle, avec des tronçons de plusieurs centaines de mètres traversant des passerelles de tuyauterie et des zones ouvertes. Ces câbles constituent des antennes efficaces pour les surtensions induites par la foudre, et les cartes d’E/S auxquelles ils sont raccordés figurent parmi les équipements électroniques les plus sensibles du site.

Les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) pour ces boucles sont sélectionnés parmi des familles identifiées par CEI 61643-21 , qui couvre les parafoudres destinés aux réseaux de télécommunication et de signalisation. Pour les circuits 4–20 mA, les vérifications pratiques portent sur la tension nominale du parafoudre par rapport à l’alimentation de la boucle, sa résistance série et le courant de fuite (afin que la précision de la boucle ne soit pas affectée), ainsi que sur son courant d’impulsion nominal par rapport à l’exposition de la ligne. Des familles telles que SPD de signal et de données sont associés à chaque interface conformément aux fiches techniques, y compris les entrées‑sorties numériques, les bus de terrain et les liaisons de communication, le cas échéant.

Le placement suit le tracé du câble. Il est d’usage de prévoir un parafoudre de signal au point d’entrée du coffret de la salle de commande ; pour les longues liaisons traversant des installations en plein air, un second parafoudre est souvent installé à l’extrémité terrain — généralement à l’intérieur du boîtier de jonction —, car les différences de potentiel de terre entre les deux extrémités sont précisément ce qui sollicite la boucle. À l’intérieur des zones dangereuses, ce parafoudre d’extrémité terrain est intégré dans la solution d’enceinte certifiée décrite précédemment.

La grille de mise à la terre assure l’interconnexion de l’ensemble. Les installations relient l’acier de structure, les chemins de câbles, la masse des instruments et la terre de protection en une grille commune, et chaque parafoudre dévie son courant de surtension vers cette grille. La philosophie de la mise à la terre des écrans, la séparation des barres de terre des instruments et de la terre de protection, ainsi que le routage des conducteurs de liaison, obéissent toutes au projet — un parafoudre raccordé à une longue prise de terre inductive ne pourra pas atteindre le niveau résiduel indiqué dans sa fiche technique, quelles que soient ses caractéristiques nominales.

Au-delà des boucles analogiques, les installations s’appuient de plus en plus sur des infrastructures numériques sur le terrain : segments de bus de terrain, liaisons sérielles vers les systèmes d’analyse, vidéosurveillance sur fibre optique et cuivre, ainsi que l’Ethernet industriel pour les E/S distantes. Chacune de ces interfaces présente ses propres niveaux de tension et contraintes en termes de bande passante ; aussi, les vérifications effectuées par le dispositif de protection contre les surtensions se concentrent davantage sur la perte d’insertion, la perte de retour et le format des connecteurs, plutôt que sur la résistance de la boucle. La logique de placement demeure toutefois inchangée : protéger les points où les lignes franchissent les limites de zone et aux extrémités des longs tronçons exposés.

Atmosphères corrosives et armoires d’extérieur

Au-delà de la question des expositions, les installations chimiques et les sites côtiers soumettent le matériel à une corrosion continue. Le sulfure d’hydrogène, le chlore, l’ammoniac ainsi que l’air chargé de sel corrodent les bornes, les boîtiers et les systèmes de revêtement, et de nombreux emplacements de parafoudres — parcs de réservoirs, quais de chargement, zones de jetées — sont entièrement exposés aux intempéries. La catégorie de corrosion attribuée à chaque site est définie par le cahier des charges du projet, faisant souvent référence aux classifications de la norme ISO 12944.

Pour la protection contre les surtensions, l’attention se déplace du module vers le boîtier : matériau du coffret (acier revêtu, acier inoxydable ou PRV selon spécification), indice de protection contre les intrusions, matériau des presse-étoupes et conception des bornes. Le module de parafoudre lui‑même est généralement standard ; ce qui varie, c’est le système d’encapsulation ainsi que les dispositifs d’installation permettant d’assurer l’étanchéité à l’atmosphère pendant une durée de service de 15 à 25 ans.

Les armoires extérieures concentrent également plusieurs contraintes simultanément : les cycles de température, la condensation, les vibrations proches d’équipements tournants, ainsi que les longues liaisons câblées déjà évoquées. Le choix se fait donc généralement en fonction de la plage de températures de service, du type d’enceinte et du revêtement correspondant à la catégorie de corrosion, ainsi que de la facilité de maintenance : des modules parafoudres enfichables dotés d’un indicateur d’état permettent leur remplacement lors des inspections de routine sans avoir à déconnecter les câbles, ce qui est crucial lorsque l’armoire est installée dans une zone classifiée, où toute intervention requiert une autorisation.

Les régimes d’inspection complètent le dispositif. Les indicateurs d’état des modules SPD et les contacts de signalisation à distance sont généralement intégrés aux tournées de maintenance de l’installation ainsi qu’aux listes d’alarmes du système DCS, de sorte qu’un module dégradé est détecté lors des contrôles de routine plutôt qu’après la prochaine saison des tempêtes. Dans les zones classifiées, cela revêt une importance particulière, car chaque intervention physique implique des tests de gaz, l’obtention de permis et parfois l’isolation des équipements adjacents — un suivi à distance de l’état permet de réduire le nombre d’ouvertures de l’enceinte.

Répartition des risques au sein de l’usine

Le tableau ci‑dessous résume la répartition habituelle des risques d’augmentation de débit et des priorités en matière de protection au sein des principales zones d’une installation. Il s’agit d’un outil d’aide à la planification ; les plans de classification des zones et le cahier des charges du projet demeurent faisant foi.

Remarque : les niveaux de risque et les étapes de protection sont indicatifs. Le zonage réel, l’exposition et le choix du SPD sont déterminés sur la base de l’évaluation du risque de foudre du projet et des documents de classification de la zone.

Liste de vérification de la sélection

La liste de contrôle ci‑dessous regroupe les questions auxquelles l’on répond généralement avant de spécifier une solution SPD pour un site pétrolier, gazier ou pétrochimique. Les valeurs sont propres à chaque projet et sont vérifiées au regard des fiches techniques et des certificats.

Remarque : cette liste de contrôle sert à l’examen technique et aux discussions relatives aux procédures d’approvisionnement. Elle ne se substitue ni à la spécification du projet, ni au dossier de vérification des zones dangereuses, ni aux conditions d’utilisation figurant sur le certificat.

Note d’examen technique : Les références standard (IEC 61643‑11/21, série IEC 60079, ATEX 2014/34/UE, ISO 12944) ainsi que les descriptions des circuits ont été vérifiées afin d’en assurer la cohérence. Aucun produit mentionné dans cet article n’est présenté par défaut comme étant certifié Ex ou « antidéflagrant » ; toutes les exigences relatives à la protection Ex sont indiquées comme devant être confirmées au regard des spécifications du projet et de la documentation de certification propre au modèle concerné. Les valeurs nominales sont formulées sous forme de règles de sélection, car les valeurs finales dépendent du projet.

Questions fréquentes

Un disjoncteur différentiel standard est-il adapté à une installation directe dans une zone dangereuse de catégorie 1 ?

Un module SPD standard n’est pas, à lui seul, un équipement certifié Ex. Dans les zones dangereuses, il est généralement installé à l’intérieur d’un boîtier ou d’une boîte de jonction certifiés Ex, muni de passages de câbles et d’un raccordement de mise à la terre certifiés, dans le cadre d’une installation complète conçue conformément aux prescriptions Ex du projet. Toute mention Ex ne s’applique qu’à l’ensemble ou au modèle certifié, tels que spécifiés dans son certificat.

Le SPD modifie-t-il la certification Ex de mes instruments ou de mes boucles ?

La boucle et ses instruments demeurent régis par la documentation fournie par le fournisseur d’équipements ainsi que par la conception Ex du projet. L’ajout d’une protection contre les surtensions constitue une modification technique qui doit être examinée dans le cadre du processus d’approbation du projet, et l’étendue de la certification de chaque composant doit être vérifiée au regard de sa propre documentation de modèle.

Où doit-on installer la protection contre les surtensions pour une boucle 4–20 mA ?

Il est d’usage courant d’installer un parafoudre de signal au niveau de l’entrée du coffret de la salle de commande et, pour les longues liaisons câblées traversant des zones industrielles à ciel ouvert, un autre parafoudre à l’extrémité terrain, généralement à l’intérieur d’une boîte de jonction. La fuite, la résistance série et la tension nominale du parafoudre sont adaptées à la boucle afin que les performances de mesure ne soient pas altérées.

Comment une atmosphère corrosive influence-t-elle le choix du SPD ?

Les gaz corrosifs et les atmosphères côtières affectent principalement les coffrets, les terminaux et les revêtements, plutôt que les caractéristiques électriques du module de protection contre les surtensions (SPD). Les armoires extérieures sont généralement conçues avec des matériaux adaptés, une protection contre la pénétration des polluants et des systèmes de revêtement appropriés, et la spécification du projet définit la catégorie de corrosion applicable.

Quelles informations sont nécessaires pour choisir une solution de parafoudre pour zone Ex ?

Un ensemble de départ pratique comprend la classification de l’aire (zone, groupe de gaz, classe de température), les types de signaux des instruments et le nombre de boucles, les tensions du système et la mise à la terre, ainsi que les conditions environnementales et les certificats requis par le projet. Vous pouvez partager ces informations via notre… Page de contact pour le soutien à la sélection.