Qu'est-ce qu'un SPD fait?

Un Dispositif de Protection contre les Surtensions (DPS) est un dispositif utilisé pour protéger les équipements électroniques contre les surtensions ou les tensions transitoires. Ils sont connectés en parallèle avec le circuit d'alimentation de la charge qui nécessite une protection et peuvent également être utilisés dans les réseaux d'alimentation à tous les niveaux. Cet article approfondira le principe de fonctionnement des dispositifs de protection contre les surtensions et leur rôle important dans les systèmes électriques.

Que sont les surtensions ?

Les surtensions sont des surtensions transitoires qui peuvent atteindre des dizaines de kilovolts avec des durées de l'ordre de la microseconde. Malgré leur courte durée, la forte teneur en énergie peut causer de graves problèmes aux équipements connectés à la ligne, tels que le vieillissement prématuré des composants électroniques, la défaillance des équipements ou les interruptions de service et les pertes financières.

Origine des surtensions

La foudre est connue pour être la source la plus importante de surtensions—des éclairs ont été enregistrés avec une tension allant d'un million à un milliard de volts et entre 10 000 et 200 000 ampères. Cependant, la foudre ne représente qu'une partie de tous les événements transitoires dans une installation. Étant donné que les transitoires peuvent provenir de sources externes (comme la foudre) et de sources internes, les installations doivent être équipées à la fois d'un système de protection contre la foudre et d'une protection contre les surtensions.

Foudre : La source de surtension la plus destructrice. Selon la norme CEI 61643-12, l'énergie de la foudre peut atteindre jusqu'à 200 kA. Cependant, à titre de référence, les estimations indiquent que 65 % sont inférieurs à 20 kA et 85 % sont inférieurs à 35 kA.

Induction : Les sources incluent la foudre nuage-nuage ou les impacts de foudre à proximité où le flux de courant induit une surtension sur les lignes d'alimentation ou d'autres conducteurs métalliques.

Il n'y a aucun moyen de vraiment savoir quand, où, la taille ou la durée/forme d'onde d'une surtension. Par conséquent, dans les normes, certaines hypothèses ont été faites et 2 formes d'onde principales ont été choisies pour simuler différents événements de surtension :

- Conduction

  La conduction ou 10/350μs simule l'énergie d'un impact direct de la foudre.

- Induction
  L'induction ou 8/20μs simule l'énergie d'un impact indirect de la foudre.

Sources internes :

- Elles proviennent de la commutation du réseau électrique, de la déconnexion de moteurs ou d'autres charges inductives. L'énergie provenant de ces sources est également analysée avec la forme d'onde 8/20.

- Les surtensions transitoires ne se produisent pas uniquement dans les lignes de distribution d'énergie et sont également courantes dans toute ligne formée par des conducteurs métalliques, tels que la téléphonie, les communications, la mesure et les données.

Le rôle des dispositifs de protection contre les surtensions

Les dispositifs de protection contre les surtensions contrôlent les tensions transitoires en détournant ou en limitant les courants de surtension, protégeant ainsi les équipements électroniques sensibles qui y sont connectés, tels que les ordinateurs, les téléviseurs, les machines à laver et les circuits de sécurité (tels que les systèmes de détection d'incendie et l'éclairage de secours). Ces dispositifs contiennent des circuits électroniques sensibles qui sont susceptibles d'être endommagés par les surtensions transitoires ; ainsi, les dispositifs de protection contre les surtensions jouent un rôle crucial dans la protection des systèmes d'installation électrique.

Sans DPS approprié, les événements transitoires peuvent endommager les équipements électroniques et entraîner des temps d'arrêt coûteux. Par conséquent, l'importance des dispositifs de protection contre les surtensions dans la protection des équipements électriques ne peut être surestimée.

Comment fonctionne un DPS ?

Il existe au moins un composant non linéaire du DPS, qui, dans différentes conditions, passe d'un état d'impédance élevée à un état d'impédance faible. Aux tensions de fonctionnement normales, les DPS sont dans un état d'impédance élevée et n'affectent pas le système. Lorsqu'une tension transitoire se produit sur le circuit, le DPS passe en état de conduction (ou de faible impédance) et dévie l'énergie et le courant transitoires vers sa source ou la terre. Cela limite ou écrête l'amplitude de la tension à un niveau plus sûr. Une fois le transitoire dévié, le DPS se réinitialise automatiquement à son état d'impédance élevée.

Le principe de fonctionnement du parasurtenseur est le suivant :

- Fonctionnement normal

  En l'absence de surtension, le dispositif de protection contre les surtensions n'a aucun effet sur le système dans lequel il est installé. Il agit comme un circuit ouvert, maintenant

  l'isolement entre les conducteurs sous tension et la terre.

- Pendant une surtension
  Lorsqu'une surtension se produit, le dispositif de protection contre les surtensions réduit son impédance en nanosecondes et dévie le courant de surtension. À ce

  stade, le DPS se comporte comme un circuit fermé, court-circuitant la surtension et la limitant à des valeurs acceptables pour l'équipement électriquement connecté

  en aval.

- Après la surtension
  Une fois que l'impulsion de surtension cesse, le dispositif de protection contre les surtensions rétablira son impédance d'origine et reviendra à l'état de circuit ouvert, continuant à

  surveiller les conditions de tension dans le système électrique.

3P ou 4P ? Quand le pôle N-PE est-il requis ?

Les Dispositifs de Protection contre les Surtensions (DPS) sont installés en parallèle en amont des équipements électriques, de manière à ce que, lors de tout événement de tension excessive, le DPS agisse comme un chemin à faible impédance vers la terre. Cela canalise l'énergie haute tension loin de l'équipement en aval avant que sa tension de tenue ne soit dépassée, évitant ainsi les dommages.

Une question courante concernant les DPS est la distinction entre l'application de dispositifs à 3 pôles et à 4 pôles. Dans le cas des systèmes de câblage TN-C-S, le conducteur neutre est directement connecté à la terre (liaison MEN). Si un DPS doit être installé à moins de 10 mètres de cette liaison MEN, seul un dispositif à 3 pôles est requis. Le pôle N-PE supplémentaire fourni par les dispositifs à 4 pôles est rendu redondant dans cette situation, car il existe déjà un chemin vers la terre via le neutre via la liaison MEN.

Cependant, si un DPS est installé à plus de 10 mètres d'une liaison MEN, un DPS à 4 pôles est requis. L'impédance vers la terre augmentant avec la longueur du câble, une énergie de surtension a désormais le potentiel d'entrer dans le réseau après la liaison MEN et d'endommager l'équipement en aval.

Classification des protecteurs

Les dispositifs de protection sont classés en types en fonction de leur capacité de décharge.

Type 1 :
■ Testé avec une forme d'onde 10/350 μs (test de classe I), qui simule le courant produit par un coup de foudre direct.
■ Capacité à décharger des courants très élevés vers la terre, offrant un niveau de protection contre les tensions élevées Up.

■ Doit être accompagné de protecteurs de type 2 en aval. Conçu pour être utilisé dans les panneaux d'alimentation entrants où le risque de coup de foudre

   est élevé, par exemple dans les bâtiments dotés d'un système de protection externe.

Type 2 :
■ Testé avec une forme d'onde 8/20 μs (test de classe II), qui simule le courant produit en cas de commutation ou de coup de foudre sur la

   ligne de distribution ou à proximité.
■ Capacité à décharger des courants élevés vers la terre, offrant un niveau de protection contre les tensions moyennes Up. Conçu pour être utilisé dans les panneaux de distribution situés

   en aval des protecteurs de type 1 ou dans les panneaux d'alimentation entrants dans les zones à faible exposition aux coups de foudre.

Type 3 :
■ Testé avec une forme d'onde combinée 1,2/50 μs - 8/20 μs (test de classe III), qui simule le courant et la tension qui peuvent atteindre l'équipement

   à protéger.
■ Capacité à décharger des courants moyens vers la terre, offrant un faible niveau de protection contre les tensions Up. Toujours installé en aval d'une protection de type 2

   conçue pour protéger les équipements sensibles ou les équipements situés à plus de 20 m en aval du dispositif de type 2.

Caractéristiques des DPS basées sur la norme CEI 61643

Paramètres du protecteur :

- Up Niveau de protection : Tension résiduelle maximale entre les bornes du dispositif de protection lors de l'application d'un courant de crête.

- In Courant nominal : Courant de crête en forme d'onde 8/20 μs que le dispositif de protection peut supporter 20 fois sans atteindre la fin de vie

- Imax Courant de décharge maximal : Courant de crête avec une forme d'onde 8/20 μs que le dispositif de protection peut supporter.

- Uc Tension de fonctionnement continue maximale : Tension efficace maximale qui peut être appliquée en permanence aux bornes de la protection

  dispositif.

- Iimp Courant d'impulsion : Courant de crête avec une forme d'onde 10/350 μs que le dispositif de protection peut supporter sans atteindre la fin de vie.

Où commencer la conception de la protection ?

En tant qu'origine de l'installation, le tableau de distribution principal est l'endroit où commencer la conception des DPS sur le réseau.

Comment démarrer la conception de la protection ?

Comme indiqué précédemment, la conception de la protection DPS ne dépend pas des valeurs de défaut données par le transformateur, elle ne dépend que du niveau d'exposition face aux surtensions. Alors, quel DPS devons-nous installer dans le tableau de distribution principal ?

Voir le schéma ci-dessus de la norme CEI 63205-1 qui affiche la dispersion de la foudre la plus élevée considérée : 200 kA @ 10/350μs.

Dans le pire des cas, 50 % de cette énergie est conduite vers la terre, laissant un potentiel de 100 kA sur les 3 phases et le neutre du réseau.

Ici, un DPS de type 1 de 25 kA @ 10/350μs (Iimp) est fortement recommandé dans les cas où la foudre frappe ou est proche de la connexion à la terre du bâtiment – en particulier lorsqu'un bâtiment est équipé d'un paratonnerre.

Dans le « scénario normal », on suppose que tout coup de foudre direct sur le réseau se produira à une distance telle de l'installation qu'un autre 50 % de l'énergie est dispersée vers la terre via d'autres conducteurs avant d'entrer dans votre point de connexion. Dans ce scénario, un dispositif avec un type 1 de 12,5 kA @ 10/350μs (Iimp) est recommandé. De plus, selon la norme CEI 61643-12, 12,5 kA est la valeur nominale minimale en kA lorsqu'un type 1 est nécessaire.

Si le niveau d'exposition de l'installation est inférieur aux scénarios décrits ci-dessus, un DPS de type 2 (Imax) peut être envisagé en fonction du risque, du coût de l'équipement et des temps d'arrêt.

Dois-je installer une troisième étape de dispositifs de protection contre les surtensions ?

Une troisième étape de protection contre les surtensions installée sur la charge finale peut être envisagée en fonction des charges, de leur criticité, de leur coût, du coût des temps d'arrêt et de leur sensibilité. Si le coût de l'équipement et/ou des temps d'arrêt est élevé, l'installation d'un dispositif de type 3 (1,5/50μs) de troisième étape réduira encore le risque que la dernière énergie de surtension atteigne votre équipement.

Des exemples d'applications qui devraient inclure une 3e étape de protection contre les surtensions sont :

■ Hôpitaux
■ Centres de données
■ Aéroports
■ Banques et assurances
■ Transport