Comment fonctionne le dispositif de protection contre les surtensions (SPD)

Comment fonctionne le dispositif de protection contre les surtensions (SPD)

La capacité d'un parafoudre à limiter les surtensions sur le réseau de distribution électrique en déviant les surintensités est fonction des composants de protection contre les surtensions, de la structure mécanique du parafoudre et du raccordement au réseau de distribution électrique. Un SPD est destiné à limiter les surtensions transitoires et à détourner les surtensions, ou les deux. Il contient au moins une composante non linéaire. En termes simples, les SPD sont destinés à limiter les surtensions transitoires dans le but d'éviter les dommages aux équipements et les temps d'arrêt dus aux surtensions transitoires atteignant les appareils qu'ils protègent.

Par exemple, considérons un moulin à eau protégé par une soupape de surpression. La soupape de surpression ne fait rien jusqu'à ce qu'une impulsion de surpression se produise dans l'alimentation en eau. Lorsque cela se produit, la vanne s'ouvre et écarte la pression supplémentaire, de sorte qu'elle n'atteigne pas la roue hydraulique.

Si la soupape de décharge n'était pas présente, une pression excessive pourrait endommager la roue hydraulique ou peut-être la tringlerie de la scie. Même si la soupape de décharge est en place et fonctionne correctement, un reste de l'impulsion de pression atteindra toujours la roue. Mais la pression aura été suffisamment réduite pour ne pas endommager la roue hydraulique ou perturber son fonctionnement. Ceci décrit l'action des SPD. Ils réduisent les transitoires à des niveaux qui n'endommageront ni ne perturberont le fonctionnement des équipements électroniques sensibles.

Technologies utilisées

Quelles technologies sont utilisées dans les SPD ?

De la norme IEEE. C62.72 : Quelques composants de protection contre les surtensions couramment utilisés dans la fabrication des SPD sont les varistances à oxyde métallique (MOV), les diodes à claquage par avalanche (ABD - anciennement connues sous le nom de diodes à avalanche au silicium ou SAD) et les tubes à décharge gazeuse (GDT). Les MOV sont la technologie la plus couramment utilisée pour la protection des circuits d'alimentation CA. Le courant nominal de surtension d'un MOV est lié à la section transversale et à sa composition. En général, plus la section est grande, plus le courant nominal de surtension de l'appareil est élevé. Les MOV sont généralement de géométrie ronde ou rectangulaire, mais sont disponibles dans une pléthore de dimensions standard allant de 7 mm (0.28 pouce) à 80 mm (3.15 pouces). Les valeurs nominales de courant de surtension de ces composants de protection contre les surtensions varient considérablement et dépendent du fabricant. Comme indiqué précédemment dans cette clause, en connectant les MOV dans un réseau parallèle, une valeur de courant de surtension peut être calculée en ajoutant simplement les valeurs de courant de surtension des différents MOV pour obtenir la valeur de courant de surtension du réseau. Ce faisant, il faut tenir compte de la coordination des caractéristiques d'exploitation des MOV sélectionnés.

Il existe de nombreuses hypothèses sur quel composant, quelle topologie et le déploiement d'une technologie spécifique produit le meilleur SPD pour détourner le courant de surtension. Au lieu de présenter toutes les options, il est préférable que la discussion sur le courant nominal de surtension, le courant nominal de décharge ou les capacités de courant de surtension tournent autour des données de test de performance. Quels que soient les composants utilisés dans la conception ou la structure mécanique spécifique déployée, ce qui compte, c'est que le SPD ait un courant nominal de surtension ou un courant nominal de décharge adapté à l'application.

Une description plus détaillée de ces composants suit. Les composants utilisés dans les SPD varient considérablement. Voici un échantillon de ces composants :

• Varistance à oxyde métallique (MOV)

Typiquement, les MOV se composent d'un corps de forme ronde ou rectangulaire d'oxyde de zinc fritté avec des additifs appropriés. D'autres types utilisés comprennent des formes tubulaires et des structures multicouches. Les varistances ont des électrodes à particules métalliques constituées d'un alliage d'argent ou d'un autre métal. Les électrodes peuvent avoir été appliquées au corps par tamisage et frittage ou par d'autres procédés en fonction du métal utilisé. Les varistances ont aussi souvent des fils ou des pattes ou un autre type de terminaison qui peut avoir été soudé à l'électrode.

Le mécanisme de conduction de base des MOV résulte des jonctions semi-conductrices à la frontière des grains d'oxyde de zinc formés lors d'un processus de frittage. La varistance peut être considérée comme un dispositif à jonctions multiples avec de nombreux grains agissant en combinaison série-parallèle entre les bornes. Une vue en coupe schématique d'une varistance typique est illustrée à la figure 1.

Les varistances ont la propriété de maintenir une variation de tension relativement faible à leurs bornes tandis que le courant de surtension qui les traverse varie sur plusieurs décennies. Cette action non linéaire leur permet de détourner le courant d'une surtension lorsqu'ils sont connectés en shunt sur la ligne et de limiter la tension aux bornes de la ligne à des valeurs qui protègent l'équipement connecté à cette ligne.

• Diode anti-avalanche (ADB)

Ces dispositifs sont également connus sous le nom de diode à avalanche au silicium (SAD) ou de suppresseur de tension transitoire (TVS). La diode à claquage à jonction PN, dans sa forme de base, est une jonction PN unique constituée d'une anode (P) et d'une cathode (N). Voir la figure 2a. Dans les applications de circuit à courant continu, le protecteur est polarisé en inverse de sorte qu'un potentiel positif est appliqué au côté cathode (N) du dispositif. Voir la figure 2b.

La diode à avalanche a trois régions de fonctionnement, 1) polarisation directe (faible impédance), 2) état désactivé (impédance élevée) et 3) rupture de polarisation inverse (impédance relativement faible). Ces régions peuvent être vues sur la figure 3. Dans le mode de polarisation directe avec une tension positive sur la région P, la diode a une très faible impédance une fois que la tension dépasse la tension de la diode de polarisation directe, VFS. VFS est généralement inférieur à 1 V et est défini ci-dessous. L'état éteint s'étend de 0 V à juste en dessous d'un VBR positif sur la région N. Dans cette région, les seuls courants qui circulent sont des courants de fuite dépendants de la température et des courants tunnel Zener pour les diodes à faible tension de claquage. La région de rupture de polarisation inverse commence par un VBR positif sur la région N. À VBR, les électrons traversant la jonction sont suffisamment accélérés par le champ élevé dans la région de jonction pour que les collisions d'électrons entraînent la création d'une cascade, ou d'une avalanche, d'électrons et de trous. Le résultat est une chute brutale de la résistance de la diode. Les régions de rupture de polarisation directe et de polarisation inverse peuvent être utilisées pour la protection.

Les caractéristiques électriques d'une diode à avalanche sont intrinsèquement asymétriques. Des produits symétriques de protection à diodes à avalanche constitués de jonctions dos à dos sont également fabriqués.

• Tube à décharge de gaz (GDT)

Les tubes à décharge gazeuse sont constitués de deux électrodes métalliques ou plus séparées par un petit espace et maintenues par un cylindre en céramique ou en verre. Le cylindre est rempli d'un mélange de gaz noble, qui se transforme en une décharge luminescente et finalement en un arc lorsqu'une tension suffisante est appliquée aux électrodes.

Lorsqu'une tension lentement croissante à travers l'espace atteint une valeur déterminée principalement par l'espacement des électrodes, la pression du gaz et le mélange gazeux, le processus d'allumage démarre à la tension d'allumage (claquage). Une fois que l'amorçage se produit, divers états de fonctionnement sont possibles, en fonction des circuits externes. Ces états sont illustrés à la figure 4. À des courants inférieurs au courant de transition de lueur à l'arc, une région de lueur existe. Aux faibles courants dans la région de lueur, la tension est presque constante ; à des courants de lueur élevés, certains types de tubes à gaz peuvent entrer dans une région de lueur anormale dans laquelle la tension augmente. Au-delà de cette région de lueur anormale, l'impédance du tube à décharge gazeuse diminue dans la région de transition vers la condition d'arc basse tension. Le courant de transition arc à lueur peut être inférieur à la transition lueur à arc. La caractéristique électrique du GDT, en conjonction avec les circuits externes, détermine la capacité du GDT à s'éteindre après le passage d'une surtension, et détermine également l'énergie dissipée dans le parafoudre pendant la surtension.

Si la tension appliquée (par exemple transitoire) augmente rapidement, le temps pris pour le processus d'ionisation/formation d'arc peut permettre à la tension transitoire de dépasser la valeur requise pour le claquage dans le paragraphe précédent. Cette tension est définie comme la tension de claquage impulsionnelle et est généralement une fonction positive de la vitesse de montée de la tension appliquée (transitoire).

Un GDT à trois électrodes à chambre unique a deux cavités séparées par une électrode annulaire centrale. Le trou dans l'électrode centrale permet au plasma gazeux d'une cavité conductrice d'initier la conduction dans l'autre cavité, même si la tension de l'autre cavité peut être inférieure à la tension d'amorçage.

En raison de leur action de commutation et de leur construction robuste, les GDT peuvent dépasser les autres composants SPD en termes de capacité de transport de courant. De nombreux GDT de télécommunications peuvent facilement transporter des courants de surtension pouvant atteindre 10 kA (forme d'onde de 8/20 µs). De plus, en fonction de la conception et de la taille du GDT, des courants de pointe > 100 kA peuvent être atteints.

La construction des tubes à décharge gazeuse est telle qu'ils ont une très faible capacité – généralement inférieure à 2 pF. Cela permet leur utilisation dans de nombreuses applications de circuits haute fréquence.

Lorsque les GDT fonctionnent, ils peuvent générer un rayonnement à haute fréquence, ce qui peut influencer l'électronique sensible. Il est donc judicieux de placer les circuits GDT à une certaine distance de l'électronique. La distance dépend de la sensibilité de l'électronique et de la qualité du blindage de l'électronique. Une autre méthode pour éviter l'effet est de placer le GDT dans une enceinte blindée.

Définitions pour GDT

Un espace, ou plusieurs espaces avec deux ou trois électrodes métalliques hermétiquement scellées de sorte que le mélange gazeux et la pression soient sous contrôle, conçu pour protéger les appareils ou le personnel, ou les deux, des tensions transitoires élevées.

Or

Un espace ou des espaces dans un milieu de décharge fermé, autre que l'air à la pression atmosphérique, conçu pour protéger l'appareil ou le personnel, ou les deux, contre les tensions transitoires élevées.

• Filtres LCR

Ces composants varient dans leur :

• capacité énergétique
• disponibilité
• fiabilité
• sables moins coûteux
• efficacité

D'après IEEE Std C62.72 : La capacité d'un SPD à limiter les surtensions sur le réseau de distribution électrique en déviant les surtensions est fonction des composants de protection contre les surtensions, de la structure mécanique du SPD et de la connexion au réseau de distribution électrique. Quelques composants de protection contre les surtensions couramment utilisés dans la fabrication des SPD sont les MOV, les SASD et les tubes à décharge de gaz, les MOV étant les plus utilisés. Le courant nominal de surtension d'un MOV est lié à la section transversale et à sa composition. En général, plus la section est grande, plus le courant nominal de surtension de l'appareil est élevé. Les MOV sont généralement de géométrie ronde ou rectangulaire, mais sont disponibles dans une pléthore de dimensions standard allant de 7 mm (0.28 in) à 80 mm (3.15 in). Les valeurs nominales de courant de surtension de ces composants de protection contre les surtensions varient considérablement et dépendent du fabricant. En connectant les MOV dans un réseau parallèle, un courant nominal de surtension théorique pourrait être calculé en additionnant simplement les courants nominaux des MOV individuels pour obtenir le courant nominal de surtension du réseau.

Il existe de nombreuses hypothèses sur quel composant, quelle topologie et le déploiement d'une technologie spécifique produit le meilleur SPD pour détourner le courant de surtension. Au lieu de présenter tous ces arguments et de laisser le lecteur déchiffrer ces sujets, il est préférable que la discussion sur le courant nominal de surtension, le courant nominal de décharge ou les capacités de courant de surtension tourne autour des données de test de performance. Quels que soient les composants utilisés dans la conception ou la structure mécanique spécifique déployée, ce qui compte, c'est que le SPD ait un courant nominal de surtension ou un courant nominal de décharge adapté à l'application et, probablement le plus important, que le SPD limite le transitoire des surtensions à des niveaux qui empêchent d'endommager l'équipement protégé compte tenu de l'environnement de surtension attendu.

Modes de fonctionnement de base

La plupart des SPD ont trois modes de fonctionnement de base :

• Attente
• Détournant

Dans chaque mode, le courant circule dans le SPD. Ce que l'on ne comprend peut-être pas, cependant, c'est qu'un type de courant différent peut exister dans chaque mode.

Le mode attente

Dans des situations d'alimentation normales, lorsque « l'énergie propre » est fournie dans un système de distribution électrique, le SPD exécute une fonction minimale. En mode d'attente, le SPD attend qu'une surtension se produise et consomme peu ou pas de courant alternatif ; principalement celui utilisé par les circuits de surveillance.

Le mode de déviation

Lors de la détection d'un événement de surtension transitoire, le SPD passe en mode de dérivation. Le but d'un SPD est de détourner le courant d'impulsion dommageable des charges critiques, tout en réduisant simultanément l'amplitude de sa tension résultante à un niveau bas et inoffensif.

Comme défini par ANSI/IEEE C62.41.1-2002, un transitoire de courant typique ne dure qu'une fraction d'un cycle (microsecondes), un fragment de temps par rapport au flux continu d'un signal sinusoïdal de 60 Hz.

L'amplitude du courant de surtension dépend de sa source. Les coups de foudre, par exemple, qui peuvent, dans de rares cas, contenir des intensités de courant dépassant plusieurs centaines de milliers d'ampères. Dans une installation, cependant, les événements transitoires générés en interne produiront des amplitudes de courant inférieures (moins de quelques milliers ou centaines d'ampères).

Étant donné que la plupart des SPD sont conçus pour gérer des courants de surtension importants, une référence de performance est le courant nominal de décharge (In) testé du produit. Souvent confondue avec le courant de défaut, mais sans rapport, cette grande amplitude de courant est une indication de la capacité de résistance répétée testée du produit.

De la norme IEEE. C62.72 : Le courant nominal de décharge exerce la capacité d'un SPD à être soumis à des surtensions répétitives (15 surtensions totales) d'une valeur sélectionnée sans dommage, dégradation ou changement dans les performances de tension de limitation mesurées d'un SPD. Le test du courant de décharge nominal comprend l'intégralité du SPD, y compris tous les composants de protection contre les surtensions et les sectionneurs SPD internes ou externes. Pendant le test, aucun composant ou sectionneur n'est autorisé à tomber en panne, à ouvrir le circuit, à être endommagé ou à se dégrader. Afin d'atteindre une valeur nominale particulière, le niveau de performance de tension limite mesurée du SPD doit être maintenu entre la comparaison pré-test et post-test. Le but de ces tests est de démontrer la capacité et les performances d'un parafoudre en réponse à des surtensions qui, dans certains cas, sont graves mais pourraient être attendues au niveau de l'équipement de service, dans une installation ou sur le site d'installation.

Par exemple, un SPD avec une capacité de courant de décharge nominale de 10,000 20,000 ou 10,000 20,000 ampères par mode signifie que le produit doit pouvoir supporter en toute sécurité une amplitude de courant transitoire de 15 XNUMX ou XNUMX XNUMX ampères au moins XNUMX fois, dans chacun des modes de protection.

Scénarios de fin de vie

D'après IEEE Std C62.72 : La plus grande menace pour la fiabilité à long terme des SPD n'est peut-être pas les surtensions, mais les surtensions momentanées ou temporaires répétées (TOV ou «  surtensions ») qui peuvent se produire sur le PDS. Les SPD avec un MCOV – qui sont précairement proches de la tension nominale du système sont plus sensibles à de telles surtensions qui peuvent entraîner un vieillissement prématuré du SPD ou une fin de vie prématurée. Une règle empirique souvent utilisée consiste à déterminer si le MCOV du SPD est d'au moins 115 % de la tension nominale du système pour chaque mode de protection spécifique. Cela permettra au SPD de ne pas être affecté par les variations de tension normales du PDS.

Cependant, en dehors des événements de surtension soutenus, les SPD peuvent vieillir, se dégrader ou atteindre leur état de fin de service au fil du temps en raison de surtensions qui dépassent les valeurs nominales des SPD pour le courant de surtension, le taux d'occurrence des événements de surtension, la durée de la surtension , ou la combinaison de ces événements. Des événements de surtension répétitifs d'amplitude significative sur une période de temps peuvent surchauffer les composants SPD et faire vieillir les composants de protection contre les surtensions. En outre, des surtensions répétitives peuvent provoquer le fonctionnement prématuré des sectionneurs SPD activés thermiquement en raison de l'échauffement des composants de protection contre les surtensions. Les caractéristiques d'un SPD peuvent changer lorsqu'il atteint sa condition de fin de service - par exemple, les tensions limites mesurées peuvent augmenter ou diminuer.

Afin d'éviter la dégradation due aux surtensions, de nombreux fabricants de SPD conçoivent des SPD avec des capacités de courant de surtension élevées, soit en utilisant des composants physiquement plus gros, soit en connectant plusieurs composants en parallèle. Ceci est fait pour éviter la probabilité que les cotes du SPD en tant qu'ensemble soient dépassées, sauf dans des cas très rares et exceptionnels. Le succès de cette méthode est soutenu par la longue durée de vie et l'historique des SPD existants installés qui ont été conçus de cette manière.

En ce qui concerne la coordination du SPD et, comme indiqué en ce qui concerne les valeurs nominales de courant de surtension, il est logique d'avoir un SPD avec des valeurs nominales de courant de surtension plus élevées situé au niveau de l'équipement de service où le PDS est le plus exposé aux surtensions pour aider à prévenir le vieillissement prématuré ; pendant ce temps, les SPD plus en aval de l'équipement de service qui ne sont pas exposés à des sources externes de surtensions pourraient avoir des cotes inférieures. Avec une bonne conception et coordination du système de protection contre les surtensions, le vieillissement prématuré du SPD peut être évité.

Les autres causes de défaillance du SPD comprennent :

• Erreurs d'installation
• Mauvaise utilisation d'un produit pour sa tension nominale
• Événements de surtension persistants

Lorsqu'un composant de suppression tombe en panne, il le fait le plus souvent sous forme de court-circuit, ce qui fait que le courant commence à circuler à travers le composant défaillant. La quantité de courant disponible pour traverser ce composant défaillant est fonction du courant de défaut disponible et est entraînée par le système d'alimentation. Pour plus d'informations sur les courants de défaut, consultez les informations relatives à la sécurité du SPD.