Protection contre les surtensions et les surtensions

Protection contre les surtensions et les surtensions

Surtension d'origine atmosphérique
Définitions de surtension

Surtension (dans un système) toute tension entre un conducteur de phase et la terre ou entre des conducteurs de phase ayant une valeur de crête dépassant la crête correspondante de la tension la plus élevée pour la définition d'équipement du Vocabulaire électrotechnique international (IEV 604-03-09)

Différents types de surtension

Une surtension est une impulsion ou une onde de tension qui se superpose à la tension nominale du réseau (voir Fig. J1)

Ce type de surtension est caractérisé par (voir Fig. J2):

• le temps de montée tf (en μs);
• le gradient S (en kV / μs).

Une surtension perturbe l'équipement et produit un rayonnement électromagnétique. De plus, la durée de la surtension (T) provoque un pic d'énergie dans les circuits électriques qui pourrait détruire les équipements.
Fig. J2 - Principales caractéristiques d'une surtension

Quatre types de surtension peuvent perturber les installations électriques et les charges:

• Surtensions de commutation: surtensions haute fréquence ou perturbations en rafale (voir Fig. J1) provoquées par un changement de régime permanent dans un réseau électrique (pendant le fonctionnement de l'appareillage).
• Surtensions à fréquence industrielle: surtensions de même fréquence que le réseau (50, 60 ou 400 Hz) provoquées par un changement d'état permanent du réseau (suite à un défaut: défaut d'isolement, panne du conducteur neutre, etc.).
• Surtensions causées par des décharges électrostatiques: surtensions très courtes (quelques nanosecondes) de très haute fréquence provoquées par la décharge de charges électriques accumulées (par exemple, une personne marchant sur un tapis à semelles isolantes est électriquement chargée avec une tension de plusieurs kilovolts).
• Surtensions d'origine atmosphérique.

Caractéristiques de surtension d'origine atmosphérique

Coup de foudre en quelques chiffres: les éclairs produisent une quantité extrêmement importante d'énergie électrique pulsée (voir Figure J4)

• de plusieurs milliers d'ampères (et plusieurs milliers de volts)
• de haute fréquence (environ 1 mégahertz)
• de courte durée (d'une microseconde à une milliseconde)

Entre 2000 et 5000 tempêtes se forment constamment à travers le monde. Ces orages sont accompagnés de coups de foudre qui représentent un danger sérieux pour les personnes et les équipements. Les éclairs frappent le sol à raison de 30 à 100 coups par seconde en moyenne, soit 3 milliards de coups de foudre chaque année.

Le tableau de la figure J3 montre certaines valeurs de coup de foudre avec leur probabilité associée. Comme on peut le voir, 50% des coups de foudre ont un courant supérieur à 35 kA et 5% un courant supérieur à 100 kA. L'énergie véhiculée par le coup de foudre est donc très élevée.

Fig. J3 - Exemples de valeurs de décharge de foudre données par la norme CEI 62305-1 (2010 - Tableau A.3)

Fig. J4 - Exemple de courant de foudre

La foudre provoque également un grand nombre d'incendies, principalement dans les zones agricoles (détruisant des maisons ou les rendant impropres à l'usage). Les immeubles de grande hauteur sont particulièrement sujets aux coups de foudre.

Effets sur les installations électriques

La foudre endommage en particulier les systèmes électriques et électroniques: transformateurs, compteurs d'électricité et appareils électriques dans les locaux tant résidentiels qu'industriels.

Le coût de réparation des dommages causés par la foudre est très élevé. Mais il est très difficile d'évaluer les conséquences de:

• les perturbations causées aux ordinateurs et aux réseaux de télécommunication;
• les défauts générés lors de l'exécution des programmes d'automates programmables et des systèmes de contrôle.

De plus, le coût des pertes d'exploitation peut être bien supérieur à la valeur de l'équipement détruit.

Impacts des coups de foudre

La foudre est un phénomène électrique à haute fréquence qui provoque des surtensions sur tous les éléments conducteurs, en particulier sur les câbles et équipements électriques.

Les coups de foudre peuvent affecter les systèmes électriques (et / ou électroniques) d'un bâtiment de deux manières:

• par l'impact direct de la foudre sur le bâtiment (voir Fig. J5 a);
• par impact indirect de la foudre sur le bâtiment:
• Un coup de foudre peut tomber sur une ligne électrique aérienne alimentant un bâtiment (voir Fig. J5 b). La surintensité et la surtension peuvent se propager à plusieurs kilomètres du point d'impact.
• Un coup de foudre peut tomber à proximité d'une ligne électrique (voir Fig. J5 c). C'est le rayonnement électromagnétique du courant de foudre qui produit un courant élevé et une surtension sur le réseau d'alimentation électrique. Dans ces deux derniers cas, les courants et tensions dangereux sont transmis par le réseau d'alimentation.

Un coup de foudre peut tomber à proximité d'un bâtiment (voir Fig. J5 d). Le potentiel terrestre autour du point d'impact augmente dangereusement.

Fig. J5 - Différents types d'impact de la foudre

Dans tous les cas, les conséquences pour les installations électriques et les charges peuvent être dramatiques.

Fig. J6 - Conséquence d'un coup de foudre

La foudre tombe sur un bâtiment non protégé.	La foudre tombe près d'une ligne aérienne.	La foudre tombe près d'un bâtiment.
Le courant de foudre circule vers la terre via les structures plus ou moins conductrices du bâtiment avec des effets très destructeurs: effets thermiques: Surchauffe très violente des matériaux, provoquant un incendie effets mécaniques: déformation structurelle flashover thermique: Le phénomène extrêmement dangereux en présence de matières inflammables ou explosives (hydrocarbures, poussières, etc.)	Le courant de foudre génère des surtensions par induction électromagnétique dans le système de distribution. Ces surtensions se propagent le long de la ligne jusqu'aux équipements électriques à l'intérieur des bâtiments.	Le coup de foudre génère les mêmes types de surtension que les opposés décrits. De plus, le courant de foudre remonte de la terre vers l'installation électrique, provoquant ainsi une panne des équipements.
Le bâtiment et les installations à l'intérieur du bâtiment sont généralement détruits	Les installations électriques à l'intérieur du bâtiment sont généralement détruites.

Les différents modes de propagation

Mode commun

Des surtensions de mode commun apparaissent entre les conducteurs sous tension et la terre: phase-terre ou neutre-terre (voir Fig. J7). Ils sont dangereux notamment pour les appareils dont le châssis est relié à la terre en raison des risques de claquage diélectrique.

Fig. J7 - Mode commun

Mode différentiel

Des surtensions en mode différentiel apparaissent entre les conducteurs sous tension:

phase-phase ou phase-neutre (voir Fig. J8). Ils sont particulièrement dangereux pour les équipements électroniques, les matériels sensibles tels que les systèmes informatiques, etc.

Fig. J8 - Mode différentiel

Caractérisation de l'onde de foudre

L'analyse des phénomènes permet de définir les types d'ondes de courant de foudre et de tension.

• 2 types d'onde de courant sont considérés par les normes CEI:
• Onde de 10/350 µs: pour caractériser les ondes de courant d'un coup de foudre direct (voir Fig. J9);

Fig. J9 - Onde de courant 10/350 µs

• Onde 8/20 µs: pour caractériser les ondes de courant d'un coup de foudre indirect (voir Fig. J10).

Fig. J10 - Onde de courant 8/20 µs

Ces deux types d'ondes de courant de foudre permettent de définir les tests sur les SPD (norme CEI 61643-11) et l'immunité des équipements aux courants de foudre.

La valeur de crête de l'onde actuelle caractérise l'intensité du coup de foudre.

Les surtensions créées par les coups de foudre sont caractérisées par une onde de tension de 1.2 / 50 µs (voir Fig. J11).

Ce type d'onde de tension permet de vérifier la tenue des équipements aux surtensions d'origine atmosphérique (tension de choc selon CEI 61000-4-5).

Fig. J11 - Onde de tension 1.2 / 50 µs

Principe de la protection contre la foudre
Règles générales de protection contre la foudre

Procédure de prévention des risques de coup de foudre
Le système de protection d'un bâtiment contre les effets de la foudre doit comprendre:

• protection des structures contre les coups de foudre directs;
• protection des installations électriques contre les coups de foudre directs et indirects.

Le principe de base de la protection de l'installation contre les risques de foudre est d'éviter que l'énergie perturbatrice n'atteigne les équipements sensibles. Pour y parvenir, il faut:

• capter le courant de foudre et le canaliser vers la terre par le chemin le plus direct (en évitant la proximité des équipements sensibles);
• effectuer la liaison équipotentielle de l'installation; Cette liaison équipotentielle est mise en œuvre par des conducteurs de liaison, complétés par des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) ou des éclateurs (par exemple, éclateur de mât d'antenne).
• minimiser les effets induits et indirects en installant des SPD et / ou des filtres. Deux systèmes de protection sont utilisés pour éliminer ou limiter les surtensions: ils sont appelés système de protection des bâtiments (pour l'extérieur des bâtiments) et système de protection des installations électriques (pour l'intérieur des bâtiments).

Système de protection du bâtiment

Le rôle du système de protection du bâtiment est de le protéger contre les coups de foudre directs.
Le système se compose de:

• le dispositif de capture: le système de protection contre la foudre;
• conducteurs de descente conçus pour acheminer le courant de foudre vers la terre;
• Fils de terre «patte d'oie» connectés ensemble;
• liaisons entre tous les cadres métalliques (liaison équipotentielle) et les fils de terre.

Lorsque le courant de foudre circule dans un conducteur, si des différences de potentiel apparaissent entre celui-ci et les cadres reliés à la terre qui se trouvent à proximité, ce dernier peut provoquer des contournements destructeurs.

Les 3 types de système de protection contre la foudre
Trois types de protection du bâtiment sont utilisés:

Le paratonnerre (simple tige ou avec système de déclenchement)

Le paratonnerre est une pointe de capture métallique placée au sommet du bâtiment. Il est mis à la terre par un ou plusieurs conducteurs (souvent des bandes de cuivre) (voir Fig. J12).

Fig. J12 - Paratonnerre (tige simple ou avec système de déclenchement)

Le paratonnerre aux fils tendus

Ces fils sont tendus au-dessus de la structure à protéger. Ils sont utilisés pour protéger des structures spéciales: zones de lancement de fusées, applications militaires et protection des lignes aériennes à haute tension (voir Fig. J13).

Fig. J13 - Fils tendus

Le paratonnerre avec cage maillée (cage de Faraday)

Cette protection consiste à placer de nombreux conducteurs de descente / bandes symétriquement tout autour du bâtiment. (voir Fig. J14).

Ce type de système de protection contre la foudre est utilisé pour les bâtiments très exposés abritant des installations très sensibles telles que les salles informatiques.

Fig. J14 - Cage maillée (cage de Faraday)

Conséquences de la protection du bâtiment sur les équipements de l'installation électrique

50% du courant de foudre déchargé par le système de protection du bâtiment remonte dans les réseaux de mise à la terre de l'installation électrique (voir Fig.J15): l'élévation de potentiel des ossatures dépasse très fréquemment la capacité de tenue d'isolement des conducteurs dans les différents réseaux ( BT, télécommunications, câble vidéo, etc.).

De plus, la circulation du courant à travers les conducteurs de descente génère des surtensions induites dans l'installation électrique.

En conséquence, le système de protection du bâtiment ne protège pas l'installation électrique: il est donc obligatoire de prévoir un système de protection de l'installation électrique.

Fig. J15 - Contre-courant de foudre direct

Protection contre la foudre - Système de protection de l'installation électrique

L'objectif principal du système de protection de l'installation électrique est de limiter les surtensions à des valeurs acceptables pour l'équipement.

Le système de protection de l'installation électrique se compose de:

• un ou plusieurs SPD selon la configuration du bâtiment;
• la liaison équipotentielle: un treillis métallique de parties conductrices exposées.

Implémentation

La procédure de protection des systèmes électriques et électroniques d'un bâtiment est la suivante.

Rechercher une information

• Identifiez toutes les charges sensibles et leur emplacement dans le bâtiment.
• Identifier les systèmes électriques et électroniques et leurs points d'entrée respectifs dans le bâtiment.
• Vérifiez si un système de protection contre la foudre est présent sur le bâtiment ou à proximité.
• Prenez connaissance de la réglementation applicable à l'emplacement du bâtiment.
• Évaluer le risque de foudre en fonction de la situation géographique, du type d'alimentation électrique, de la densité des coups de foudre, etc.

Implémentation de la solution

• Installez les conducteurs de liaison sur les cadres par un treillis.
• Installez un SPD dans le tableau d'entrée BT.
• Installez un SPD supplémentaire dans chaque carte de sous-distribution située à proximité des équipements sensibles (voir Fig. J16).

Fig. J16 - Exemple de protection d'une installation électrique à grande échelle

Le dispositif de protection contre les surtensions (SPD)

Les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) sont utilisés pour les réseaux d'alimentation électrique, les réseaux téléphoniques et les bus de communication et de commande automatique.

Le dispositif de protection contre les surtensions (SPD) est un composant du système de protection de l'installation électrique.

Cet appareil est connecté en parallèle sur le circuit d'alimentation des charges qu'il doit protéger (voir Fig. J17). Il peut également être utilisé à tous les niveaux du réseau d'alimentation.

Il s'agit du type de protection contre les surtensions le plus couramment utilisé et le plus efficace.

Fig. J17 - Principe du système de protection en parallèle

Le SPD connecté en parallèle a une impédance élevée. Une fois que la surtension transitoire apparaît dans le système, l'impédance de l'appareil diminue de sorte que le courant de surtension est entraîné à travers le SPD, contournant l'équipement sensible.

Principe

Le SPD est conçu pour limiter les surtensions transitoires d'origine atmosphérique et détourner les ondes de courant vers la terre, de manière à limiter l'amplitude de cette surtension à une valeur non dangereuse pour l'installation électrique et l'appareillage électrique.

SPD élimine les surtensions

• en mode commun, entre phase et neutre ou terre;
• en mode différentiel, entre phase et neutre.

En cas de surtension dépassant le seuil de fonctionnement, le SPD

• conduit l'énergie vers la terre, en mode commun;
• distribue l'énergie aux autres conducteurs sous tension, en mode différentiel.

Les trois types de SPD

Type 1 SPD
Le parafoudre Type 1 est recommandé dans le cas spécifique des bâtiments tertiaires et industriels, protégés par un système de protection contre la foudre ou une cage grillagée.
Il protège les installations électriques contre les coups de foudre directs. Il peut décharger le contre-courant de la foudre qui se propage du conducteur de terre vers les conducteurs du réseau.
Le SPD de type 1 est caractérisé par une onde de courant de 10/350 µs.

Type 2 SPD
Le parafoudre de type 2 est le principal système de protection pour toutes les installations électriques basse tension. Installé dans chaque tableau électrique, il empêche la propagation des surtensions dans les installations électriques et protège les charges.
Le SPD de type 2 est caractérisé par une onde de courant de 8/20 µs.

Type 3 SPD
Ces SPD ont une faible capacité de décharge. Ils doivent donc obligatoirement être installés en complément du SPD de type 2 et à proximité de charges sensibles.
Le SPD de type 3 est caractérisé par une combinaison d'ondes de tension (1.2 / 50 μs) et d'ondes de courant (8/20 μs).

Définition normative du SPD

Fig. J18 - Définition standard SPD

Note 1: Il existe des SPD T1 + T2 (ou SPD Type 1 + 2) combinant la protection des charges contre les coups de foudre directs et indirects.

Remarque 2: certains SPD T2 peuvent également être déclarés comme T3

Caractéristiques du SPD

La norme internationale CEI 61643-11 Edition 1.0 (03/2011) définit les caractéristiques et les tests des SPD connectés aux réseaux de distribution basse tension (voir Fig. J19).

En vert, la plage de fonctionnement garantie du SPD.
Fig. J19 - Caractéristique temps / courant d'un SPD avec varistance

Caractéristiques communes

• U_C: Tension de fonctionnement continue maximale. Il s'agit de la tension alternative ou continue au-dessus de laquelle le SPD devient actif. Cette valeur est choisie en fonction de la tension nominale et de la disposition de mise à la terre du système.
• U_P: Niveau de protection de tension (à I_n). Il s'agit de la tension maximale aux bornes du SPD lorsqu'il est actif. Cette tension est atteinte lorsque le courant circulant dans le SPD est égal à In. Le niveau de protection de tension choisi doit être inférieur à la capacité de tenue à la surtension des charges. En cas de foudre, la tension aux bornes du SPD reste généralement inférieure à U_P.
• In: courant de décharge nominal. Il s'agit de la valeur de crête d'un courant de forme d'onde de 8/20 µs que le SPD est capable de décharger au moins 19 fois.

Pourquoi est-il important?
In correspond à un courant de décharge nominal qu'un parafoudre peut supporter au moins 19 fois: une valeur supérieure de In signifie une durée de vie plus longue pour le parafoudre, il est donc fortement recommandé de choisir des valeurs plus élevées que la valeur minimale imposée de 5 kA.

Type 1 SPD

• I_lutin: Courant impulsionnel. Il s'agit de la valeur de crête d'un courant de forme d'onde de 10/350 µs que le SPD est capable de décharger ou de se décharger au moins une fois.

Pourquoi est-ce que je_lutin important?
La norme CEI 62305 exige une valeur de courant d'impulsion maximale de 25 kA par pôle pour le système triphasé. Cela signifie que pour un réseau 3P + N, le SPD doit être capable de résister à un courant d'impulsion maximal total de 100 kA provenant de la mise à la terre.

• I_fi: Extinction automatique du courant de suivi. Applicable uniquement à la technologie à éclateur. C'est le courant (50 Hz) que le SPD est capable d'interrompre de lui-même après un flashover. Ce courant doit toujours être supérieur au courant de court-circuit présumé au point d'installation.

Type 2 SPD

• Imax: courant de décharge maximum. Il s'agit de la valeur de crête d'un courant de forme d'onde de 8/20 µs que le SPD est capable de décharger une fois.

Pourquoi Imax est-il important?
Si vous comparez 2 SPD avec le même In, mais avec un Imax différent: le SPD avec une valeur Imax plus élevée a une «marge de sécurité» plus élevée et peut résister à des surtensions plus élevées sans être endommagé.

Type 3 SPD

• U_OC: Tension en circuit ouvert appliquée pendant les essais de classe III (type 3).

principales applications

• SPD basse tension. Des dispositifs très différents, tant du point de vue technologique que d'usage, sont désignés par ce terme. Les SPD basse tension sont modulaires pour être facilement installés à l'intérieur des tableaux BT. Il existe également des SPD adaptables aux prises de courant, mais ces appareils ont une faible capacité de décharge.

• SPD pour les réseaux de communication. Ces dispositifs protègent les réseaux téléphoniques, les réseaux commutés et les réseaux de contrôle automatique (bus) contre les surtensions venant de l'extérieur (foudre) et celles internes au réseau d'alimentation (équipements polluants, fonctionnement des appareillages, etc.) De tels SPD sont également installés dans des connecteurs RJ11, RJ45,… ou intégrés dans des charges.

Notes

1. Séquence de test selon la norme CEI 61643-11 pour SPD basé sur MOV (varistance). Un total de 19 impulsions à I_n:

• Une impulsion positive
• Une impulsion négative
• 15 impulsions synchronisées tous les 30 ° sur la tension 50 Hz
• Une impulsion positive
• Une impulsion négative

2. pour SPD de type 1, après les 15 impulsions à I_n (voir note précédente):

• Une impulsion à 0.1 x I_lutin
• Une impulsion à 0.25 x I_lutin
• Une impulsion à 0.5 x I_lutin
• Une impulsion à 0.75 x I_lutin
• Une impulsion à moi_lutin

Conception du système de protection de l'installation électrique
Règles de conception du système de protection de l'installation électrique

Pour protéger une installation électrique dans un bâtiment, des règles simples s'appliquent pour le choix

• SPD (s);
• son système de protection.

Pour un système de distribution électrique, les principales caractéristiques utilisées pour définir le système de protection contre la foudre et sélectionner un SPD pour protéger une installation électrique dans un bâtiment sont:

• SPD
• quantité de SPD
• type
• niveau d'exposition pour définir le courant de décharge maximum Imax du SPD.
• Le dispositif de protection contre les courts-circuits
• courant de décharge maximal Imax;
• courant de court-circuit Isc au point d'installation.

Le schéma logique de la Figure J20 ci-dessous illustre cette règle de conception.

Fig.J20 - Schéma logique pour la sélection d'un système de protection

Les autres caractéristiques pour la sélection d'un SPD sont prédéfinies pour l'installation électrique.

• nombre de pôles dans SPD;
• niveau de protection de tension U_P;
• U_C: Tension de fonctionnement continue maximale.

Cette sous-section Conception du système de protection de l'installation électrique décrit plus en détail les critères de sélection du système de protection en fonction des caractéristiques de l'installation, des équipements à protéger et de l'environnement.

Éléments du système de protection

Le SPD doit toujours être installé à l'origine de l'installation électrique.

Emplacement et type de SPD

Le type de SPD à installer à l'origine de l'installation dépend de la présence ou non d'un système de protection contre la foudre. Si le bâtiment est équipé d'un système de protection contre la foudre (selon CEI 62305), un SPD de type 1 doit être installé.

Pour le SPD installé à l'entrée de l'installation, les normes d'installation CEI 60364 fixent des valeurs minimales pour les 2 caractéristiques suivantes:

• Courant nominal de décharge I_n = 5 kA (8/20) µs ;
• Niveau de protection de tension U_P(à moi_n) <2.5 kV.

Le nombre de SPD supplémentaires à installer est déterminé par:

• la taille du site et la difficulté d'installer des conducteurs de liaison. Sur les grands sites, il est essentiel d'installer un SPD à l'extrémité entrante de chaque boîtier de sous-distribution.
• la distance séparant les charges sensibles à protéger du dispositif de protection d'extrémité d'entrée. Lorsque les charges sont situées à plus de 10 mètres du dispositif de protection d'arrivée, il est nécessaire de prévoir une protection fine supplémentaire au plus près des charges sensibles. Les phénomènes de réflexion des ondes augmentent à partir de 10 mètres voir Propagation d'une onde de foudre
• le risque d'exposition. Dans le cas d'un site très exposé, le parafoudre d'entrée ne peut assurer à la fois un flux élevé de courant de foudre et un niveau de protection en tension suffisamment bas. En particulier, un SPD de type 1 est généralement accompagné d'un parafoudre de type 2.

Le tableau de la figure J21 ci-dessous montre la quantité et le type de parafoudre à mettre en place sur la base des deux facteurs définis ci-dessus.

Fig. J21 - Les 4 cas de mise en œuvre du SPD

Niveaux de protection distribués

Plusieurs niveaux de protection de SPD permettent de répartir l'énergie entre plusieurs SPD, comme le montre la Figure J22 dans laquelle les trois types de SPD sont prévus pour:

• Type 1: lorsque le bâtiment est équipé d'un système de protection contre la foudre et situé à l'entrée de l'installation, il absorbe une très grande quantité d'énergie;
• Type 2: absorbe les surtensions résiduelles;
• Type 3: assure une protection «fine» si nécessaire pour les équipements les plus sensibles situés très près des charges.

Remarque: les SPD de type 1 et 2 peuvent être combinés en un seul SPD
Fig. J22 - Architecture de protection fine

Caractéristiques communes des SPD selon les caractéristiques de l'installation
Tension de fonctionnement continue maximale Uc

En fonction de la disposition de mise à la terre du système, la tension de service continue maximale U_C du SPD doit être égal ou supérieur aux valeurs indiquées dans le tableau de la Figure J23.

Fig. J23 - Valeur minimale stipulée de U_C pour les parafoudres en fonction de la disposition de mise à la terre du système (basé sur le tableau 534.2 de la norme CEI 60364-5-53)

N / A: sans objet
U: tension de ligne à ligne du système basse tension
une. ces valeurs sont liées aux conditions de défaut les plus défavorables, donc la tolérance de 10% n'est pas prise en compte.

Les valeurs les plus courantes de UC choisies en fonction de la disposition de mise à la terre du système.
TT, TN : 260, 320, 340, 350 V
IL: 440, 460 V

Niveau de protection de tension U_P (à moi_n)

La norme CEI 60364-4-44 aide au choix du niveau de protection Up du SPD en fonction des charges à protéger. Le tableau de la Figure J24 indique la capacité de tenue aux chocs de chaque type d'équipement.

Fig.J24 - Tension de choc assignée requise de l'équipement Uw (tableau 443.2 de la CEI 60364-4-44)

une. Selon CEI 60038: 2009.
b. Cette tension d'impulsion nominale est appliquée entre les conducteurs sous tension et le PE.
c. Au Canada et aux États-Unis, pour les tensions à la terre supérieures à 300 V, la tension de choc nominale correspondant à la tension la plus élevée suivante dans cette colonne s'applique.
ré. Pour le fonctionnement des systèmes informatiques à 220-240 V, la rangée 230/400 doit être utilisée, en raison de la tension à la terre au niveau du défaut de terre sur une ligne.

Fig. J25 - Catégorie d'équipement de surtension

	Les équipements de la catégorie de surtension I ne conviennent que pour une utilisation dans des installations fixes de bâtiments où des moyens de protection sont appliqués à l'extérieur de l'équipement - pour limiter les surtensions transitoires au niveau spécifié. Des exemples de tels équipements sont ceux contenant des circuits électroniques tels que des ordinateurs, des appareils avec des programmes électroniques, etc.
	Les équipements de catégorie de surtension II sont adaptés au raccordement à l'installation électrique fixe, offrant un degré normal de disponibilité normalement requis pour les équipements utilisant du courant. Des exemples de tels équipements sont les appareils ménagers et les charges similaires.
	L'équipement de catégorie de surtension III est destiné à être utilisé dans l'installation fixe en aval et y compris le tableau de distribution principal, offrant un degré élevé de disponibilité. Des exemples de tels équipements sont les tableaux de distribution, les disjoncteurs, les systèmes de câblage, y compris les câbles, les barres omnibus, les boîtes de jonction, les interrupteurs, les prises de courant) dans l'installation fixe, et les équipements à usage industriel et certains autres équipements, par exemple les moteurs stationnaires avec un connexion permanente à l'installation fixe.
	Les équipements de catégorie de surtension IV sont adaptés à une utilisation à ou à proximité de l'origine de l'installation, par exemple en amont du tableau de distribution principal. Des exemples de tels équipements sont les compteurs d'électricité, les dispositifs de protection primaire contre les surintensités et les unités de contrôle d'ondulation.

Le U «installé»_P les performances doivent être comparées à la capacité de résistance aux chocs des charges.

Le SPD a un niveau de protection de tension U_P qui est intrinsèque, c'est-à-dire défini et testé indépendamment de son installation. En pratique, pour le choix de U_P performance d'un SPD, une marge de sécurité doit être prise pour tenir compte des surtensions inhérentes à l'installation du SPD (voir Figure J26 et Connexion du dispositif de protection contre les surtensions).

Fig. J26 - U installé_P

Le niveau de protection de tension «installé» U_P généralement adopté pour protéger les équipements sensibles dans les installations électriques 230/400 V est de 2.5 kV (catégorie de surtension II, voir Fig. J27).

Remarque:
Si le niveau de protection de tension stipulé ne peut pas être atteint par le SPD d'entrée ou si des équipements sensibles sont éloignés (voir Éléments du système de protection # Emplacement et type de SPD Emplacement et type de SPD, un SPD coordonné supplémentaire doit être installé pour niveau de protection requis.

Nombre de pôles

• En fonction de la disposition de mise à la terre du système, il est nécessaire de prévoir une architecture SPD assurant la protection en mode commun (CM) et en mode différentiel (DM).

Fig. J27 - Besoins de protection selon la disposition de mise à la terre du système

une. La protection entre phase et neutre peut soit être intégrée dans le SPD placé à l'origine de l'installation, soit être déportée à proximité de l'équipement à protéger
b. Si neutre distribué

Remarque:

Surtension de mode commun
Une forme de protection de base consiste à installer un SPD en mode commun entre les phases et le conducteur PE (ou PEN), quel que soit le type de mise à la terre du système utilisé.

Surtension en mode différentiel
Dans les systèmes TT et TN-S, la mise à la terre du neutre se traduit par une asymétrie due aux impédances de terre qui conduit à l'apparition de tensions de mode différentiel, même si la surtension induite par un coup de foudre est de mode commun.

SPD 2P, 3P et 4P
(voir Fig. J28)
Ceux-ci sont adaptés aux systèmes IT, TN-C, TN-CS.
Ils fournissent une protection uniquement contre les surtensions de mode commun

Fig. J28 - SPD 1P, 2P, 3P, 4P

SPD 1P + N, 3P + N
(voir Fig. J29)
Ceux-ci sont adaptés aux systèmes TT et TN-S.
Ils offrent une protection contre les surtensions en mode commun et en mode différentiel

Fig. J29 - SPD 1P + N, 3P + N

Sélection d'un SPD de type 1
Courant d'impulsion Iimp

• En l'absence de réglementation nationale ou de réglementation spécifique pour le type de bâtiment à protéger: le courant d'impulsion Iimp doit être d'au moins 12.5 kA (onde 10/350 µs) par branche conformément à la norme CEI 60364-5-534.
• Là où des réglementations existent: la norme CEI 62305-2 définit 4 niveaux: I, II, III et IV

Le tableau de la Figure J31 montre les différents niveaux de I_lutin dans le cas réglementaire.

Fig. J30 - Exemple de base de I équilibré_lutin distribution de courant dans un système triphasé

Fig. J31 - Tableau de I_lutin valeurs selon le niveau de protection de tension du bâtiment (basé sur CEI / EN 62305-2)

Autoextinguish suit le courant I_fi

Cette caractéristique s'applique uniquement aux parafoudres avec technologie d'éclateur. L'autoextinction suit le courant I_fi doit toujours être supérieur au courant de court-circuit présumé I_sc au point d'installation.

Sélection d'un SPD de type 2
Courant de décharge maximal Imax

Le courant de décharge maximal Imax est défini en fonction du niveau d'exposition estimé par rapport à l'emplacement du bâtiment.
La valeur du courant de décharge maximal (Imax) est déterminée par analyse des risques (voir le tableau de la Figure J32).

Fig. J32 - Courant de décharge maximal recommandé Imax en fonction du niveau d'exposition

Sélection du dispositif externe de protection contre les courts-circuits (SCPD)

Les dispositifs de protection (thermique et court-circuit) doivent être coordonnés avec le SPD pour assurer un fonctionnement fiable, c'est-à-dire
assurer la continuité de service:

• résister aux ondes de courant de foudre
• ne génère pas de tension résiduelle excessive.

assurer une protection efficace contre tous les types de surintensité:

• surcharge suite à l'emballement thermique de la varistance;
• court-circuit de faible intensité (impédant);
• court-circuit de haute intensité.

Risques à éviter en fin de vie des SPD
En raison du vieillissement

En cas de fin de vie naturelle due au vieillissement, la protection est de type thermique. Le SPD avec varistances doit avoir un sectionneur interne qui désactive le SPD.
Remarque: La fin de vie par emballement thermique ne concerne pas le SPD avec tube à décharge ou éclateur encapsulé.

En raison d'un défaut

Les causes de fin de vie dues à un défaut de court-circuit sont:

• Capacité de décharge maximale dépassée. Ce défaut se traduit par un fort court-circuit.
• Un défaut dû au réseau de distribution (commutation neutre / phase, déconnexion du neutre).
• Dégradation progressive de la varistance.
  Les deux derniers défauts entraînent un court-circuit impédant.
  L'installation doit être protégée des dommages résultant de ces types de défauts: le sectionneur interne (thermique) défini ci-dessus n'a pas le temps de se réchauffer, donc de fonctionner.
  Un dispositif spécial appelé «dispositif externe de protection contre les courts-circuits (SCPD externe)», capable d'éliminer le court-circuit, doit être installé. Il peut être mis en œuvre par un disjoncteur ou un dispositif fusible.

Caractéristiques du SCPD externe

Le SCPD externe doit être coordonné avec le SPD. Il est conçu pour répondre aux deux contraintes suivantes:

Tenue au courant de foudre

La tenue au courant de foudre est une caractéristique essentielle du dispositif externe de protection contre les courts-circuits du SPD.
Le SCPD externe ne doit pas déclencher sur 15 courants d'impulsion successifs à In.

Tenue au courant de court-circuit

• Le pouvoir de coupure est déterminé par les règles d'installation (norme CEI 60364):
  Le SCPD externe doit avoir un pouvoir de coupure égal ou supérieur au courant de court-circuit présumé Isc au point d'installation (conformément à la norme CEI 60364).
• Protection de l'installation contre les courts-circuits
  En particulier, le court-circuit impédant dissipe beaucoup d'énergie et doit être éliminé très rapidement pour éviter d'endommager l'installation et le SPD.
  La bonne association entre un SPD et son SCPD externe doit être donnée par le fabricant.

Mode d'installation pour le SCPD externe
Appareil "en série"

Le SCPD est décrit comme «en série» (voir Fig. J33) lorsque la protection est réalisée par le dispositif de protection générale du réseau à protéger (par exemple, disjoncteur de connexion en amont d'une installation).

Fig. J33 - SCPD «en série»

Appareil «en parallèle»

Le SCPD est décrit comme «en parallèle» (voir Fig. J34) lorsque la protection est réalisée spécifiquement par un dispositif de protection associé au SPD.

• Le SCPD externe est appelé «disjoncteur de déconnexion» si la fonction est assurée par un disjoncteur.
• Le disjoncteur de déconnexion peut ou non être intégré au SPD.

Fig. J34 - SCPD «en parallèle»

Remarque:
Dans le cas d'un SPD avec tube à décharge ou éclateur encapsulé, le SCPD permet de couper le courant immédiatement après utilisation.

Garantie de protection

Le SCPD externe doit être coordonné avec le SPD et testé et garanti par le fabricant du SPD conformément aux recommandations de la norme CEI 61643-11. Il doit également être installé conformément aux recommandations du fabricant. A titre d'exemple, voir les tableaux de coordination électrique SCPD + SPD.

Lorsque cet appareil est intégré, la conformité à la norme produit CEI 61643-11 assure naturellement la protection.

Fig.J35 - SPD avec SCPD externe, non intégré (iC60N + iPRD 40r) et intégré (iQuick PRD 40r)

Résumé des caractéristiques des SCPD externes

Une analyse détaillée des caractéristiques est donnée dans la section Caractéristiques détaillées du SCPD externe.
Le tableau de la Figure J36 montre, à titre d'exemple, un résumé des caractéristiques selon les différents types de SCPD externes.

Fig. J36 - Caractéristiques de la protection en fin de vie d'un parafoudre de type 2 selon les SCPD externes

Mode d'installation pour le SCPD externe	En série	En parallèle
		Protection par fusible associée	Disjoncteur associé à la protection	Protection disjoncteur intégrée
Protection contre les surtensions de l'équipement	=	=	=	=
	Les SPD protègent les équipements de manière satisfaisante quel que soit le type de SCPD externe associé
Protection de l'installation en fin de vie	-	=	+	+ +
	Aucune garantie de protection possible	Garantie constructeur		Garantie totale
		La protection contre les courts-circuits d'impédance n'est pas bien assurée	Protection contre les courts-circuits parfaitement assurée
Continuité de service en fin de vie	- -	+	+	+
	L'installation complète est arrêtée	Seul le circuit SPD est arrêté
Maintenance en fin de vie	- -	=	+	+
	L'arrêt de l'installation requis	Changement de fusibles	Réinitialisation immédiate

Tableau de coordination SPD et dispositif de protection

Le tableau de la Figure J37 ci-dessous montre la coordination des disjoncteurs de sectionnement (SCPD externe) pour les SPD de type 1 et 2 de la marque XXX Electric pour tous les niveaux de courants de court-circuit.

La coordination entre SPD et ses disjoncteurs sectionneurs, signalée et garantie par Electrique, assure une protection fiable (tenue aux ondes de foudre, protection renforcée des courants de court-circuit d'impédance, etc.)

Fig. J37 - Exemple de tableau de coordination entre les SPD et leurs disjoncteurs de sectionnement. Reportez-vous toujours aux derniers tableaux fournis par les fabricants.

Coordination avec les protections en amont

Coordination avec les dispositifs de protection contre les surintensités
Dans une installation électrique, le SCPD externe est un appareil identique à l'appareil de protection: il permet d'appliquer des techniques de sélectivité et de cascade pour l'optimisation technique et économique du plan de protection.

Coordination avec les dispositifs à courant résiduel
Si le SPD est installé en aval d'un dispositif de protection differentielle, celui-ci doit être de type «si» ou sélectif avec une immunité aux courants impulsionnels d'au moins 3 kA (onde de courant 8/20 μs).

Installation du dispositif de protection contre les surtensions
Connexion du dispositif de protection contre les surtensions

Les connexions d'un SPD aux charges doivent être aussi courtes que possible afin de réduire la valeur du niveau de protection en tension (installé Up) sur les bornes de l'équipement protégé.

La longueur totale des connexions SPD au réseau et au bornier de terre ne doit pas dépasser 50 cm.

L'une des caractéristiques essentielles pour la protection des équipements est le niveau de protection de tension maximal (installé Up) que l'équipement peut supporter à ses bornes. En conséquence, un SPD doit être choisi avec un niveau de protection de tension Up adapté à la protection de l'équipement (voir Fig. J38). La longueur totale des conducteurs de connexion est

L = L1 + L2 + L3.

Pour les courants haute fréquence, l'impédance par unité de longueur de cette connexion est d'environ 1 µH / m.

Par conséquent, en appliquant la loi de Lenz à cette connexion: ΔU = L di / dt

L'onde de courant normalisée 8/20 µs, avec une amplitude de courant de 8 kA, crée en conséquence une élévation de tension de 1000 V par mètre de câble.

ΔU = 1 x 10-6 x 8 x 103/8 x 10-6 = 1000 V

Fig. J38 - Connexions d'un SPD L <50 cm

En conséquence, la tension aux bornes de l'équipement, équipement U, est:
Équipement U = Up + U1 + U2
Si L1 + L2 + L3 = 50 cm et que l'onde est de 8/20 µs avec une amplitude de 8 kA, la tension aux bornes de l'équipement sera Up + 500 V.

Connexion dans boîtier en plastique

La Figure J39 ci-dessous montre comment connecter un SPD dans un boîtier en plastique.

Fig. J39 - Exemple de raccordement dans un boîtier en plastique

Connexion dans un boîtier métallique

Dans le cas d'un ensemble d'appareillage dans une enceinte métallique, il peut être judicieux de connecter le SPD directement à l'enceinte métallique, l'enceinte étant utilisée comme conducteur de protection (voir Fig. J40).
Cet agencement est conforme à la norme CEI 61439-2 et le fabricant de l'ensemble doit s'assurer que les caractéristiques de l'enveloppe rendent cette utilisation possible.

Fig. J40 - Exemple de raccordement dans un boîtier métallique

Section transversale du conducteur

La section minimale recommandée des conducteurs prend en compte:

• Le service normal à assurer: Flux de l'onde de courant de foudre sous une chute de tension maximale (règle des 50 cm).
  Remarque: contrairement aux applications à 50 Hz, le phénomène de foudre étant haute fréquence, l'augmentation de la section du conducteur ne réduit pas fortement son impédance haute fréquence.
• Tenue des conducteurs aux courants de court-circuit: Le conducteur doit résister à un courant de court-circuit pendant le temps de coupure maximal du système de protection.
  La CEI 60364 recommande à l'entrée de l'installation une section minimale de:
• 4 mm2 (Cu) pour le raccordement du SPD de type 2;
• 16 mm2 (Cu) pour le raccordement d'un SPD de type 1 (présence d'un système de protection contre la foudre).

Exemples de bonnes et de mauvaises installations SPD

Fig. J41 - Exemples de bonnes et de mauvaises installations SPD

La conception de l'installation de l'équipement doit être effectuée conformément aux règles d'installation: la longueur des câbles doit être inférieure à 50 cm.

Règles de câblage du dispositif de protection contre les surtensions
Règle 1

La première règle à respecter est que la longueur des connexions SPD entre le réseau (via le SCPD externe) et le bornier de mise à la terre ne doit pas dépasser 50 cm.
La Figure J42 montre les deux possibilités de connexion d'un SPD.
Fig. J42 - SPD avec SCPD externe séparé ou intégré

Règle 2

Les conducteurs des départs protégés:

• doit être connecté aux bornes du SCPD externe ou du SPD;
• doivent être séparés physiquement des conducteurs entrants pollués.

Ils sont situés à droite des bornes du SPD et du SCPD (voir Figure J43).

Fig. J43 - Les connexions des départs protégés se trouvent à droite des bornes SPD

Règle 3

Les conducteurs de phase, de neutre et de protection (PE) du départ entrant doivent être placés l'un à côté de l'autre afin de réduire la surface de la boucle (voir Fig. J44).

Règle 4

Les conducteurs entrants du SPD doivent être éloignés des conducteurs sortants protégés pour éviter de les polluer par couplage (voir Fig. J44).

Règle 5

Les câbles doivent être épinglés contre les parties métalliques de l'enceinte (le cas échéant) afin de minimiser la surface de la boucle du cadre et donc de bénéficier d'un effet de blindage contre les perturbations EM.

Dans tous les cas, il faut vérifier que les châssis des tableaux et armoires sont mis à la terre via des connexions très courtes.

Enfin, si des câbles blindés sont utilisés, les grandes longueurs doivent être évitées, car elles réduisent l'efficacité du blindage (voir Fig. J44).

Fig. J44 - Exemple d'amélioration de la CEM par une réduction des surfaces de boucle et de l'impédance commune dans une armoire électrique

Protection contre les surtensions Exemples d'application

Exemple d'application SPD dans Supermarché

Fig. J46 - Réseau de télécommunications

Solutions et schéma de principe

• Le guide de sélection des parafoudres a permis de déterminer la valeur précise du parafoudre à l'entrée de l'installation et celle du disjoncteur de déconnexion associé.
• Comme les appareils sensibles (U_lutin <1.5 kV) sont situés à plus de 10 m du dispositif de protection d'arrivée, les parafoudres à protection fine doivent être installés au plus près des charges.
• Pour assurer une meilleure continuité de service des zones de chambres froides: des disjoncteurs différentiels de type «si» seront utilisés pour éviter les déclenchements intempestifs provoqués par l'élévation du potentiel de terre au passage de l'onde de foudre.
• Pour la protection contre les surtensions atmosphériques: 1, installez un parafoudre dans le tableau principal. 2, installer un parafoudre à protection fine dans chaque tableau (1 et 2) alimentant les appareils sensibles situés à plus de 10 m du parafoudre entrant. 3, installez un parafoudre sur le réseau de télécommunications pour protéger les appareils fournis, par exemple les alarmes incendie, les modems, les téléphones, les télécopieurs.

Recommandations de câblage

• Assurer l'équipotentialité des terminaisons de terre du bâtiment.
• Réduisez les zones de câble d'alimentation en boucle.

Recommandations d'installation

• Installez un parafoudre, je_max = 40 kA (8/20 µs) et un disjoncteur de déconnexion iC60 évalué à 40 A.
• Installer des parafoudres à protection fine, I_max = 8 kA (8/20 µs) et les disjoncteurs de déconnexion iC60 associés de 10 A

Fig. J46 - Réseau de télécommunications

SPD pour applications photovoltaïques

Une surtension peut se produire dans les installations électriques pour diverses raisons. Cela peut être causé par:

• Le réseau de distribution à la suite de la foudre ou de tout travail effectué.
• La foudre (à proximité ou sur les bâtiments et les installations PV, ou sur les paratonnerres).
• Variations du champ électrique dues à la foudre.

Comme toutes les structures extérieures, les installations photovoltaïques sont exposées au risque de foudre qui varie d'une région à l'autre. Des systèmes et dispositifs de prévention et d'arrêt doivent être en place.

Protection par liaison équipotentielle

La première sauvegarde à mettre en place est un milieu (conducteur) qui assure la liaison équipotentielle entre toutes les parties conductrices d'une installation PV.

L'objectif est de relier tous les conducteurs et pièces métalliques mis à la terre et ainsi créer un potentiel égal à tous les points du système installé.

Protection par parafoudres (SPD)

Les parafoudres sont particulièrement importants pour protéger les équipements électriques sensibles tels que les onduleurs AC / DC, les dispositifs de surveillance et les modules PV, mais également d'autres équipements sensibles alimentés par le réseau de distribution électrique 230 VAC. La méthode suivante d'évaluation des risques est basée sur l'évaluation de la longueur critique Lcrit et sa comparaison avec L la longueur cumulée des lignes à courant continu.
Une protection SPD est requise si L ≥ Lcrit.
Lcrit dépend du type d'installation PV et est calculé comme le montre le tableau suivant (Fig. J47):

Fig. J47 - Choix du SPD DC

L est la somme de:

• la somme des distances entre le ou les onduleurs et la ou les boîtes de jonction, en tenant compte du fait que les longueurs du câble situé dans le même conduit ne sont comptées qu'une seule fois, et
• la somme des distances entre la boîte de jonction et les points de connexion des modules photovoltaïques formant le string, en tenant compte du fait que les longueurs du câble situé dans le même conduit ne sont comptées qu'une seule fois.

Ng est la densité d'éclairs de l'arc (nombre de coups / km2 / an).

Fig. J48 - Sélection SPD

Protection SPD
Localisation	Modules PV ou boîtiers Array		Côté DC de l'onduleur	Côté AC de l'onduleur		carte principale
	LDC			LAC		Paratonnerre
Critères	<10 m	> 10 m		<10 m	> 10 m	Oui	Non
Type de SPD	Pas besoin	«SPD 1» Type 2 [a]	«SPD 2» Type 2 [a]	Pas besoin	«SPD 3» Type 2 [a]	«SPD 4» Type 1 [a]	«SPD 4» Tapez 2 si Ng> 2.5 et ligne aérienne

[une]. 1 2 3 4 La distance de séparation de type 1 selon EN 62305 n'est pas respectée.

Installation d'un SPD

Le nombre et l'emplacement des SPD du côté DC dépendent de la longueur des câbles entre les panneaux solaires et l'onduleur. Le SPD doit être installé à proximité de l'onduleur si la longueur est inférieure à 10 mètres. S'il est supérieur à 10 mètres, un deuxième SPD est nécessaire et doit être situé dans le boîtier à proximité du panneau solaire, le premier est situé dans la zone de l'onduleur.

Pour être efficaces, les câbles de connexion du SPD au réseau L + / L- et entre le bornier de terre du SPD et le jeu de barres de terre doivent être aussi courts que possible - moins de 2.5 mètres (d1 + d2 <50 cm).

Production d'énergie photovoltaïque sûre et fiable

En fonction de la distance entre la partie «générateur» et la partie «conversion», il peut être nécessaire d'installer deux parafoudres ou plus, pour assurer la protection de chacune des deux parties.

Fig. J49 - Emplacement du SPD

Compléments techniques de protection contre les surtensions

Normes de protection contre la foudre

La norme CEI 62305 parties 1 à 4 (NF EN 62305 parties 1 à 4) réorganise et met à jour les publications normatives CEI 61024 (série), CEI 61312 (série) et CEI 61663 (série) sur les systèmes de protection contre la foudre.

Partie 1 - Principes généraux

Cette partie présente des informations générales sur la foudre et ses caractéristiques et des données générales et présente les autres documents.

Partie 2 - Gestion des risques

Cette partie présente l'analyse permettant de calculer le risque pour une structure et de déterminer les différents scénarios de protection afin de permettre une optimisation technique et économique.

Partie 3 - Dommages physiques aux structures et danger de mort

Cette partie décrit la protection contre les coups de foudre directs, y compris le système de protection contre la foudre, le conducteur de descente, le câble de terre, l'équipotentialité et donc le SPD avec liaison équipotentielle (SPD de type 1).

Partie 4 - Systèmes électriques et électroniques dans les structures

Cette partie décrit la protection contre les effets induits de la foudre, y compris le système de protection par SPD (types 2 et 3), le blindage des câbles, les règles d'installation du SPD, etc.

Cette série de normes est complétée par:

• la série de normes CEI 61643 pour la définition des produits de protection contre les surtensions (voir Les composants d'un parafoudre);
• les séries de normes CEI 60364-4 et -5 pour l'application des produits dans les installations électriques BT (voir Indication de fin de vie d'un SPD).

Les composants d'un SPD

Le SPD se compose principalement de (voir Fig. J50):

1. un ou plusieurs composants non linéaires: la partie sous tension (varistance, tube à décharge [GDT], etc.);
2. un dispositif de protection thermique (sectionneur interne) qui le protège de l'emballement thermique en fin de vie (SPD avec varistance);
3. un indicateur qui indique la fin de vie du SPD; Certains SPD permettent le rapport à distance de cette indication;
4. un SCPD externe qui assure une protection contre les courts-circuits (cet appareil peut être intégré dans le SPD).

Fig. J50 - Schéma d'un SPD

La technologie de la partie live

Plusieurs technologies sont disponibles pour implémenter la partie live. Ils ont chacun des avantages et des inconvénients:

• Diodes Zener;
• Le tube à décharge de gaz (contrôlé ou non contrôlé);
• La varistance (varistance à l'oxyde de zinc [ZOV]).

Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques et les dispositions de 3 technologies couramment utilisées.

Fig. J51 - Tableau récapitulatif des performances

Composant	Tube de décharge de gaz (GDT)	Éclateur encapsulé	Varistance à l'oxyde de zinc	GDT et varistance en série	Éclateur et varistance encapsulés en parallèle
Caractéristiques
Mode de fonctionnement	Commutation de tension	Commutation de tension	Limitation de tension	Commutation et limitation de tension en série	Commutation et limitation de tension en parallèle
Courbes de fonctionnement
Application	Réseau télécom Réseau BT (associé à la varistance)	Réseau BT	Réseau BT	Réseau BT	Réseau BT
Type de SPD	Tapez 2	Tapez 1	Type 1 ou Type 2	Types 1+Types 2	Types 1+Types 2

Indication de fin de vie d'un SPD

Des indicateurs de fin de vie sont associés au sectionneur interne et au SCPD externe du SPD pour informer l'utilisateur que l'équipement n'est plus protégé contre les surtensions d'origine atmosphérique.

Indication locale

Cette fonction est généralement requise par les codes d'installation. L'indication de fin de vie est donnée par un indicateur (lumineux ou mécanique) au sectionneur interne et / ou au SCPD externe.

Lorsque le SCPD externe est mis en œuvre par un dispositif fusible, il est nécessaire de prévoir un fusible avec un percuteur et un socle équipé d'un système de déclenchement pour assurer cette fonction.

Disjoncteur de déconnexion intégré

L'indicateur mécanique et la position de la poignée de commande permettent une indication naturelle de la fin de vie.

Indication locale et rapport à distance

iQuick PRD SPD de la marque XXX Electric est du type «prêt à câbler» avec un disjoncteur de déconnexion intégré.

Indication locale

iQuick PRD SPD (voir Fig. J53) est équipé d'indicateurs d'état mécaniques locaux:

• l'indicateur mécanique (rouge) et la position de la poignée du disjoncteur de déconnexion indiquent l'arrêt du SPD;
• l'indicateur mécanique (rouge) sur chaque cartouche indique la fin de vie de la cartouche.

Fig.J53 - iQuick PRD 3P + N SPD de la marque XXX Electric

Rapports à distance

(voir Fig. J54)

iQuick PRD SPD est équipé d'un contact d'indication qui permet de signaler à distance:

• fin de vie de la cartouche;
• une cartouche manquante, et lorsqu'elle a été remise en place;
• un défaut sur le réseau (court-circuit, déconnexion du neutre, inversion phase / neutre);
• commutation manuelle locale.

En conséquence, la surveillance à distance de l'état de fonctionnement des SPD installés permet de s'assurer que ces dispositifs de protection en état de veille sont toujours prêts à fonctionner.

Fig. J54 - Installation du voyant lumineux avec un SPD iQuick PRD

Fig. J55 - Indication à distance de l'état du SPD à l'aide de Smartlink

Maintenance en fin de vie

Lorsque l'indicateur de fin de vie indique l'arrêt, le SPD (ou la cartouche en question) doit être remplacé.

Dans le cas du SPD iQuick PRD, la maintenance est facilitée:

• La cartouche en fin de vie (à remplacer) est facilement identifiable par le service maintenance.
• La cartouche en fin de vie peut être remplacée en toute sécurité car un dispositif de sécurité interdit la fermeture du disjoncteur de coupure en cas d'absence de cartouche.

Caractéristiques détaillées du SCPD externe

Tenue aux ondes de courant

La vague actuelle résiste aux tests sur des SCPD externes comme suit:

• Pour un calibre et une technologie donnés (fusible NH ou cylindrique), la tenue aux ondes de courant est meilleure avec un fusible de type aM (protection moteur) qu'avec un fusible de type gG (usage général).
• Pour une valeur nominale donnée, la capacité de résistance de l'onde de courant est meilleure avec un disjoncteur qu'avec un fusible. La figure J56 ci-dessous montre les résultats des tests de tenue aux ondes de tension:
• pour protéger un SPD défini pour Imax = 20 kA, le SCPD externe à choisir est soit un MCB 16 A, soit un fusible aM 63 A, Remarque: dans ce cas, un fusible gG 63 A ne convient pas.
• pour protéger un SPD défini pour Imax = 40 kA, le SCPD externe à choisir est soit un MCB 40 A, soit un fusible aM 125 A,

Fig. J56 - Comparaison des capacités de tenue aux ondes de tension des SCPD pour I_max = 20 kA et I_max = 40 kA

Niveau de protection de tension installé

En général:

• La chute de tension aux bornes d'un disjoncteur est plus élevée que celle aux bornes d'un fusible. En effet, l'impédance des composants du disjoncteur (déclencheurs thermiques et magnétiques) est supérieure à celle d'un fusible.

Toutefois:

• La différence entre les chutes de tension reste faible pour les ondes de courant ne dépassant pas 10 kA (95% des cas);
• Le niveau de protection de tension Up installé tient également compte de l'impédance du câblage. Celle-ci peut être élevée dans le cas d'une technologie à fusibles (dispositif de protection éloigné du SPD) et faible dans le cas d'une technologie à disjoncteur (disjoncteur à proximité, voire intégré au SPD).

Remarque: le niveau de protection de tension Up installé est la somme des chutes de tension:

• dans le SPD;
• dans le SCPD externe;
• dans le câblage de l'équipement

Protection contre les courts-circuits d'impédance

Un court-circuit d'impédance dissipe beaucoup d'énergie et doit être éliminé très rapidement pour éviter d'endommager l'installation et le SPD.

La figure J57 compare le temps de réponse et la limitation d'énergie d'un système de protection par un fusible 63 A aM et un disjoncteur de 25 A.

Ces deux systèmes de protection ont la même capacité de tenue aux ondes de courant 8/20 µs (respectivement 27 kA et 30 kA).

Fig. J57 - Comparaison des courbes de limitation temps / courant et énergie pour un disjoncteur et un fusible ayant la même capacité de tenue aux ondes de courant 8/20 µs

Propagation d'une onde de foudre

Les réseaux électriques sont à basse fréquence et, de ce fait, la propagation de l'onde de tension est instantanée par rapport à la fréquence du phénomène: en tout point d'un conducteur, la tension instantanée est la même.

L'onde de foudre est un phénomène à haute fréquence (plusieurs centaines de kHz à un MHz):

• L'onde de foudre se propage le long d'un conducteur à une certaine vitesse par rapport à la fréquence du phénomène. En conséquence, à un instant donné, la tension n'a pas la même valeur en tous points sur le support (voir Fig. J58).

Fig. J58 - Propagation d'une onde de foudre dans un conducteur

• Un changement de milieu crée un phénomène de propagation et / ou de réflexion de l'onde en fonction:

1. la différence d'impédance entre les deux supports;
2. la fréquence de l'onde progressive (raideur du temps de montée dans le cas d'une impulsion);
3. la longueur du support.

En cas de réflexion totale, en particulier, la valeur de la tension peut doubler.

Exemple: le cas de la protection par un SPD

La modélisation du phénomène appliqué à une onde de foudre et des tests en laboratoire ont montré qu'une charge alimentée par 30 m de câble protégé en amont par un SPD à la tension Up subit, du fait des phénomènes de réflexion, une tension maximale de 2 x U_P (voir Fig. J59). Cette onde de tension n'est pas énergétique.

Fig. J59 - Réflexion d'une onde de foudre à la terminaison d'un câble

Mesures correctives

Parmi les trois facteurs (différence d'impédance, fréquence, distance), le seul qui puisse vraiment être contrôlé est la longueur de câble entre le SPD et la charge à protéger. Plus cette longueur est grande, plus la réflexion est importante.

Généralement, pour les fronts de surtension en face dans un bâtiment, les phénomènes de réflexion sont importants à partir de 10 m et peuvent doubler la tension à partir de 30 m (voir Fig. J60).

Il est nécessaire d'installer un deuxième SPD en protection fine si la longueur du câble dépasse 10 m entre le SPD d'arrivée et l'équipement à protéger.

Fig. J60 - Tension maximale à l'extrémité du câble en fonction de sa longueur à un front de tension incidente = 4kV / us

Exemple de courant de foudre dans le système TT

Le SPD de mode commun entre phase et PE ou phase et PEN est installé quel que soit le type de mise à la terre du système (voir Fig. J61).

La résistance de terre neutre R1 utilisée pour les pylônes a une résistance inférieure à la résistance de terre R2 utilisée pour l'installation.

Le courant de foudre circulera à travers le circuit ABCD vers la terre via le chemin le plus simple. Il traversera les varistances V1 et V2 en série, provoquant une tension différentielle égale à deux fois la tension Up du SPD (U_P1 + U_P2) à apparaître aux bornes de A et C à l'entrée de l'installation dans les cas extrêmes.

Fig. J61 - Protection commune uniquement

Pour protéger efficacement les charges entre Ph et N, la tension de mode différentiel (entre A et C) doit être réduite.

Une autre architecture SPD est donc utilisée (voir Fig. J62)

Le courant de foudre traverse le circuit ABH qui a une impédance plus faible que le circuit ABCD, car l'impédance du composant utilisé entre B et H est nulle (éclateur à gaz). Dans ce cas, la tension différentielle est égale à la tension résiduelle du SPD (U_P2).

Fig. J62 - Protection commune et différentielle