Comment les parafoudres triphasés fonctionnent-ils pour réduire les surtensions électriques ?

Dans un système triphasé, la protection contre les surtensions fonctionne en détectant une surtension anormale, en passant d'un état à haute impédance à un état de faible impédance, en détournant le courant de surtension dans le chemin de mise à la terre ou en limitant la tension qui atteint l'équipement connecté. Il ne "bloque" pas une poussée. Il réduit la tension de crête en donnant à la surtension un chemin contrôlé loin des charges sensibles. Le résultat est une contrainte électrique plus faible sur l'isolation, les alimentations, les entraînements et l'électronique de commande.

Les systèmes triphasés ont besoin de cette approche encore plus que les systèmes monophasés car ils ont plus de chemins de surtension possibles. Les surtensions peuvent apparaître ligne-terre (L–G), ligne à ligne (L–L) et dans des systèmes avec un neutre, parfois neutre-sol (N–G). Un dispositif de protection contre les surtensions triphasée est donc conçu pour gérer plusieurs modes de surtension en même temps, pas un seul.

Cet article explique comment les dispositifs de protection contre les surtensions fonctionnent dans les systèmes d'alimentation triphasés, comment ils détournent et limitent les surtensions transitoires, comment différents types de SPD (type 1, type 2 et 3) sont utilisés et comment le placement et la coordination affectent les performances de réduction des surtensions dans le monde réel.

Ce que signifie « surtension électrique » dans les systèmes triphasés 

Une surtension électrique, plus correctement appelée surtension transitoire, est une augmentation de la tension très courte et très rapide. Il dure généralement de quelques microsecondes à quelques millisecondes. Les deux sources les plus courantes sont la foudre (soit des frappes directes ou des effets induits sur les lignes à proximité) et des événements de commutation à l'intérieur du système électrique.

Dans les installations triphasées industrielles et commerciales, de nombreuses surtensions sont créées en interne. Les gros moteurs, les entraînements à fréquence variable, les contacteurs et les batteries de condensateurs changent tous d'énergie importante. Chaque fois que le courant est interrompu ou redirigé, l'inductance du système peut générer une pointe de tension. Cela signifie que même si l'offre de services publics externe est stable, une installation peut toujours subir des surtensions transitoires fréquentes.

Comment fonctionne un SPD triphasé 

Un dispositif de protection contre les surtensions, souvent abrégé en SPD (Surge Protective Device), fonctionne selon un principe simple mais soigneusement conçu : il reste invisible en fonctionnement normal et ne devient conducteur que lorsque la tension devient dangereuse.

Surveillance et comportement des seuils

Dans des conditions normales, les éléments de protection internes de l'appareil sont dans un état de haute impédance. Cela signifie qu'ils ne tirent presque pas de courant et n'affectent pas le système d'alimentation. Le SPD "observe" effectivement la tension en continu.

Lorsqu'un transitoire pousse la tension au-dessus d'un niveau de seuil défini, le comportement change. Les éléments internes passent rapidement à un état conducteur. Cette commutation n'est pas mécanique, elle se produit en raison des propriétés électriques des composants à l'intérieur de l'appareil.

Détournement (redirection de courant) + serrage

Une fois que le SPD devient conducteur, il crée un chemin contrôlé à faible impédance entre le conducteur sous tension et le système de mise à la terre ou de liaison. Le courant de surtension préfère ce chemin à faible impédance plutôt que de traverser des équipements sensibles.

Dans le même temps, l'appareil limite la tension de crête qui peut apparaître à travers la charge. C'est ce qu'on appelle souvent "serrage". Il est important de comprendre que la tension n'est pas réduite à zéro. Une certaine tension « résiduelle » ou « livrable » demeure toujours. L'objectif est de maintenir cette tension résiduelle suffisamment basse pour que les systèmes d'isolation et les composants électroniques ne soient pas endommagés ou trop sollicités.

Protection multimode dans les réseaux triphasés

Dans les systèmes triphasés, les surtensions n'apparaissent pas d'une seule manière. Un appareil pratique doit gérer plusieurs chemins à la fois :

• Ligne au sol (L–G)
  
• Ligne à ligne (L–L)
  
• Dans les systèmes avec un neutre, parfois neutre à la terre (N–G)
  

Un dispositif de protection contre les surtensions triphasée est donc disposé en interne pour contrôler ces modes ensemble. Il ne suppose pas qu'une surtension fera toujours référence à un terrain. De nombreux transitoires dommageables dans les équipements triphasés apparaissent entre les phases.

Composants clés à l'intérieur d'un dispositif de protection contre les surtensions triphasées 

le plus moderne Dispositifs de protection contre les surtension Comptez sur un petit nombre de composants éprouvés, disposés et coordonnés pour les niveaux de tension et de courant requis.

L'élément actif le plus courant est la varistance à oxyde métallique (MOV). Un MOV se comporte comme une résistance très élevée à une tension normale et une faible résistance lorsque la tension dépasse son seuil. Cette propriété est ce qui permet au SPD de passer de "ne rien faire" à "courant de détournement" en une fraction de microseconde.

Étant donné que les MOV et des éléments similaires peuvent surchauffer ou se dégrader après de nombreuses surtensions, un dispositif pratique comprend également une déconnexion thermique ou une protection similaire. Cela empêche un composant défaillant de rester connecté au système de manière dangereuse. De nombreux appareils comprennent également des indicateurs simples, tels qu'une fenêtre ou une LED, pour montrer si les éléments de protection sont toujours connectés. Certaines conceptions fournissent un contact d'alarme à distance afin que l'état puisse être surveillé par un système de contrôle.

Un point pratique essentiel est que ces appareils ne sont pas permanents. Chaque fois qu'ils absorbent l'énergie de surtension, une petite partie de leur capacité est utilisée. Au cours de nombreux événements, ils se dégradent lentement. Ce comportement « consommable » est normal et est la raison pour laquelle les indicateurs de condition existent.

Types de SPD dans les systèmes triphasés 

Les termes de Types de SPD Décrivez où l'appareil est installé dans le système d'alimentation et à quel type d'environnement de surtension il est conçu pour être confronté. Ce ne sont pas des niveaux de qualité, ce sont des catégories d'application.

• Dispositif de protection contre les surtensions de type 1: Installé à ou tout près de l'entrée de service, en amont de la distribution principale. Il est destiné à gérer les surtensions à haute énergie provenant de l'extérieur, tels que les événements liés à la foudre sur les lignes d'approvisionnement.
  
• Dispositif de protection contre les surtensions de type 2: Installé dans des panneaux de distribution, des centres de contrôle de moteur et des cartes internes similaires. C'est le choix le plus courant pour protéger les panneaux industriels et commerciaux triphasés contre les poussées entrantes et générées en interne.
  
• Dispositif de protection contre les surtensions de type 3: Installé à proximité d'équipements sensibles. Il n'est pas destiné à gérer de grosses énergies de surtension par lui-même et dépend des appareils en amont pour réduire la poussée principale avant qu'elle ne la voie.

• FDS20C/4-275 Classe II
• Désignation : Type2
• Classement : Classe II
• Mode de protection : L→PE , N→PE
• Tension nominale UN : 230 VAC/50(60)Hz
• max. Tension de fonctionnement continue UC (L-N): 275 VAC/50(60)Hz
• Capacité de résistance aux courts-circuits : 20 ka
• IC de courant de fonctionnement continu : <20 µA
• Consommation d'énergie en veille PC : ≤ 25 MVA
• Courant de décharge maximal (8/20μs) Imax : 40 ka
• Courant nominal de décharge (8/20μs) Dans : 20 ka
• Niveau de protection de tension : ≤ 1,3 kV
• Résistance d'isolement : ＞1 000 MΩ
• Matériau du logement : UL94V-0
• Degré de protection : IP20

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Dans un système complet, ces types sont souvent combinés de sorte que chacun gère la partie de l'énergie de surtension pour laquelle il est le mieux adapté.

où les SPD triphasés réduisent le plus les surtensions 

protection contre les surtensions Fonctionne mieux lorsqu'il est appliqué par étapes. Un appareil à l'entrée du service réduit l'énergie des grandes poussées entrantes avant de pouvoir se propager dans le bâtiment. Les dispositifs des panneaux de distribution réduisent ensuite l'énergie restante et gèrent également les surtensions créées par la commutation interne. Enfin, la protection au point d'utilisation peut faire face aux transitoires plus petits et plus rapides qui restent.

Les détails de l'installation physique sont très importants. La connexion entre le SPD et les jeux de barres ou de conducteurs doit être aussi courte et directe que possible. Les fils longs ajoutent de l'inductance et l'inductance crée une tension supplémentaire lors des changements de courant rapide. En pratique, cela signifie qu'un très bon dispositif de protection contre les surtensions peut fonctionner s'il est installé avec de longs fils en boucle.

Comment les SPD triphasés réduisent les surtensions (stagés de protection)

Ce tableau montre la logique de la protection par étapes. Aucun appareil unique ne devrait tout gérer. Chaque emplacement réduit une partie de l'énergie de surtension et de la tension de crête. Au moment où un transitoire atteint l'électronique sensible, son amplitude et son énergie sont bien inférieures à ce qu'elles étaient à l'entrée du service.

Facteurs de performance réels 

Les performances réelles des dispositifs de protection contre les surtensions dans les systèmes triphasés dépendent de plusieurs facteurs pratiques, pas seulement du dispositif lui-même :

• La qualité du système de mise à la terre et de liaison affecte fortement la facilité avec laquelle le courant de surtension peut être détourné de l'équipement.
  
• Les conducteurs de connexion droites et courts réduisent la montée de tension inductive et améliorent les performances de serrage.
  
• La coordination entre plusieurs dispositifs de protection contre les surtensions empêche un appareil de prendre tout le stress et le vieillissement trop rapidement.
  
• Dans de nombreuses installations triphasées, les surtensions générées en interne sont plus fréquentes que les événements liés à la foudre et doivent être prises en compte dans la stratégie de protection.
  

erreurs courantes 

Plusieurs erreurs d'installation et de planification courantes réduisent l'efficacité de la protection contre les surtensions dans les systèmes réels :

• Utiliser un seul dispositif de protection contre les surtensions pour une installation entière et en supposant qu'il protégera tout de manière égale.
  
• Installer le périphérique loin du jeu de barres ou avec de longs conducteurs en boucle qui ajoutent une inductance inutile.
  
• Ignorer les surtensions ligne à ligne et se concentrer uniquement sur les trajectoires ligne-sol dans les systèmes triphasés.
  
• Utiliser uniquement un appareil de type 3 à proximité d'un équipement sans aucune protection en amont de type 1 ou de type 2.
  
• En supposant qu'un indicateur d'état indiquant "OK" signifie que le système est parfaitement protégé contre toutes les surtensions possibles.
  

Conclusion 

Dans un système électrique triphasé, la protection contre les surtensions fonctionne en détectant une surtension anormale, en passant à un chemin à faible impédance, en détournant le courant de surtension vers la terre et en limitant la tension qui atteint l'équipement. Il réduit le stress électrique plutôt que d'éliminer complètement les surtensions. Étant donné que les systèmes triphasés ont plusieurs chemins de surtension, la protection doit couvrir les modes ligne à ligne et ligne à masse. Les résultats les plus efficaces proviennent d'un placement correct, de courtes connexions et d'une coordination entre les différents types de SPD. Bien appliqués, ces appareils réduisent considérablement les taux de défaillance et les temps d'arrêt, même si aucun système ne peut supprimer tous les effets de surtension.

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