Dispositifs de protection contre les surtensions : un guide technique complet

Pendant le fonctionnement, les hautes tensions instantanées (surtensions) dans les alimentations à découpage LED agissent comme des "assassins de courant" invisibles, pouvant résulter de la foudre, des commutations de réseau, des démarrages/arrêts du moteur et des opérations similaires.

Bien que ces surtensions ne durent qu'une fraction de seconde (généralement des millisecondes à la microseconde), leurs tensions de crête peuvent atteindre des dizaines ou même des centaines de fois la tension normale, suffisante pour endommager ou brûler les composants semi-conducteurs, entraînant des dommages irréversibles.

La protection contre les surtensions sert de « ligne de vie » pour les luminaires LED contre l'instabilité du réseau et les coups de foudre. Par conséquent, la sélection d'une alimentation de pilote appropriée est cruciale. Si nécessaire, des parasurtenseurs doivent être ajoutés aux luminaires.

Cet article fournit une analyse complète des parasurtenseurs, couvrant les principes techniques, les applications techniques et les techniques d'installation.

Qu'est-ce qu'un dispositif de protection contre les surtensions pour les lumières LED ?

Qu'est-ce qu'un parasurtenseur ? En termes simples, un parasurtenseur "décharge" soudainement des tensions excessives (surtensions) dans un circuit, empêchant ainsi le système d'éclairage. Il agit comme une « vanne de sécurité » dans le circuit : lorsque la tension dépasse les limites, il conduit rapidement à détourner le courant, puis se réinitialise à son état ouvert une fois que la tension revient à la normale, garantissant toujours les luminaires LED dans les plages de tension de sécurité.

Les parasurtenseurs traitent principalement de deux scénarios de « surtension » typiques : les surtensions de foudre, nécessitant des SPD de type I et II, et des surtensions de commutation générées par les démarrages et les arrêts d'équipements industriels, nécessitant une protection SPD à limitation de tension. Les deux interceptent fondamentalement les tensions dépassant la plage de tolérance d'un appareil, offrant une protection complète pour les équipements électriques.

En résumé, les parasurtenseurs ont un double objectif : empêcher les fortes tensions soudaines d'endommager les équipements et atténuer les surtensions mineures qui accélèrent le vieillissement, fournissant ainsi une protection complète pour les systèmes d'éclairage LED.

Pour plus d'informations sur les dispositifs de protection contre les surtensions dans les applications d'éclairage LED, consultez le blog : "Dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) pour l'éclairage LED : guide complet pour les applications intérieures et extérieures.”

Quels types de dispositifs de protection contre les surtensions existe-t-il ?

Classé par principe de fonctionnement :

a) SPD à commutation de tension

Impédance élevée pendant le fonctionnement normal ; se déplace brusquement à une faible impédance lors des surtensions, permettant un flux de courant élevé. Aussi connu sous le nom de "type de commutateur court-circuit SPD". utilise généralement des espaces de décharge, des tubes de décharge de gaz, des thyristors ou des redresseurs contrôlés par silicium comme composants. Ces parasurtenseurs sont également appelés « type Croba » en raison de leurs caractéristiques de tension-courant discontinues.

b) SPD à limitation de tension

présente une impédance élevée en l'absence de surtensions. L'impédance diminue en permanence à mesure que le courant de surtension et la tension augmentent. Les composants comprennent généralement des varistances et des diodes de suppression. Aussi connu sous le nom de parasurtenseurs de type "clamping". caractérisée par des caractéristiques de tension-courant continues.

c) SPD combiné

Un parasurtenseur combinant des composants de commutation de tension et de limitation de tension. Ses caractéristiques peuvent se manifester par un changement de tension, une limitation de tension ou les deux, selon le profil de tension appliqué.

Les parasurtenseurs composites peuvent supprimer les tensions de surtension dépassant 6 kV à moins de deux fois la tension de fonctionnement maximale du système en une seule opération. Les unités triphasées peuvent supprimer jusqu'à 800 V, tandis que les unités monophasées peuvent supprimer en dessous de 600 V. En revanche, les parafoudres modulaires nécessitent trois niveaux de protection (classe B, C et D) pour obtenir une suppression d'environ 1 000 V.

Classement par candidature :

Selon l'application, les SPD peuvent être classés en deux types : les SPD de ligne de puissance et les SPD de la ligne de signal.

La composition du dispositif de protection contre les surtensions

La structure de protection contre les surtensions est principalement composée des composants suivants :

• Varistors à oxyde métallique (MOV): Le composant central du parasurtenseur, fabriqué à partir de matériaux tels que l'oxyde de zinc. Lorsque la surtension se produit dans le circuit, le MOV passe rapidement à un état conducteur, absorbant l'énergie de surtension et le détournant vers la terre.

• Protection de l'environnement Circuit Bfaire un tour: Situé à l'intérieur du parasurtenseur, il contrôle et surveille les changements de courant et de tension. Généralement composé de circuits intégrés, il permet la commutation automatique et la réinitialisation des fonctions de surtension.

• terminal Bserrure: Connectez le parasurtenseur au circuit, avec généralement deux bornes, une pour la puissance d'entrée et une autre pour la puissance de sortie.

• Logement: Protège les composants internes du parasurtenseur, généralement en matériau isolant pour éviter les chocs électriques et autres risques.

Différences entre les SPD et les fusibles ordinaires et les circuits de filtre

Différences entre les SPD et les fusibles

‌SPD‌ : spécialement conçu pour dissiper les courants de surtension transitoires (par exemple, coups de foudre, commutation de grille). Il canalise les surtensions à haute tension à la terre via des composants tels que les varisteuses à oxyde métallique (MOV) ou les tubes de décharge de gaz (GDT), protégeant les équipements contre les dommages instantanés à haute tension.

‌Fusibles‌ : ne traitent que les surcharges ou les courants de court-circuit soutenus en interruption du circuit par fusion. Ils ne peuvent pas gérer les surtensions de niveau nanoseconde.

Le temps de réponse SPD varie de nanosecondes à microsecondes (par exemple, nanosecondes pour les MOV, microsecondes pour les GDT), tandis que les fusibles nécessitent des millisecondes pour souffler, ne protégeant pas les équipements sensibles à temps. Les SPD dégradés peuvent fuir le courant ou les courts-circuits, ce qui nécessite une utilisation avec des fusibles (et non des disjoncteurs) pour éviter les risques de suivi ; les fusibles grillés nécessitent un remplacement mais ne posent aucun problème de courant ultérieur.

Différences entre les SPD et les circuits de filtre

‌SPD‌ : Protège contre les hautes tensions transitoires (niveau de kV), telles que les coups de foudre ou les surtensions.

‌Circuits de filtre‌ : Supprimez le bruit persistant à haute fréquence (kHz-MHz), tel que les interférences électromagnétiques dans les alimentations.

Les SPD fonctionnent en déchargeant ou en serrant la tension (par exemple, les MOV conduisent au-dessus de 600 V) ); les circuits de filtre utilisent des inductances et des condensateurs pour former des réseaux passe-bas, atténuant progressivement le bruit. Les SPDS protègent contre les coups de foudre et les surtensions de réseau de services publics ; les circuits de filtre servent des applications exigeant une grande pureté de puissance, comme les équipements médicaux et les systèmes de communication.

Tableau de comparaison des résumés

‌Fonctionnalité	spd	fusée	‌Filtre encerclé
‌Fonction de base‌	Décharger les surtensions transitoires	Protection contre les surcharges/court-circuit	Filtrer le bruit à haute fréquence
‌Temps de réponse‌	Gamme de nanosecondes-microseconde	Gamme milliseconde	Fonctionnement continu
‌Composants typiques‌	MOV, GDT, TVS2	fusible métallique	Inductances, condensateurs
‌Risques d'échec‌	Fuite potentielle ou court-circuit	nécessite un remplacement	Dégradation des performances

Comme le montre la comparaison ci-dessus, les SPD, les fusibles et les circuits de filtre jouent chacun des rôles distincts au sein des systèmes électriques. Leur utilisation coordonnée est essentielle pour obtenir une protection complète.

Principe de fonctionnement des dispositifs de protection contre les surtensions

Dans des conditions normales, le parasurtenseur présente un état de circuit ouvert à la masse dans le circuit, ce qui signifie un état de haute résistance. Cette caractéristique à haute résistance minimise son impact sur le circuit. Il fonctionne comme un interrupteur, restant ouvert lorsqu'il n'est pas nécessaire pour assurer un fonctionnement normal du circuit sans interférence. Comme le montre la figure 1 ci-dessous.

Lorsqu'une haute tension transitoire se produit dans le circuit principal, comme lors d'un coup de foudre, le parasurtenseur réagit instantanément. Dans cette condition de surtension transitoire, le parasurtenseur se comporte comme un état de faible résistance. Ses composants internes (par exemple, varistances, tubes de décharge de gaz) passent rapidement des états à haute résistance à des états à faible résistance, formant un chemin conducteur. Il détourne instantanément le courant de surtension et limite la tension de surtension à un niveau de sécurité, protégeant ainsi le circuit et l'équipement des dommages. Comme le montre la figure 2.

Comme le montre la figure 2, le parasurtenseur joue un rôle de protection critique lors d'événements de surtension transitoire. Il agit comme une barrière, protégeant l'alimentation et les luminaires de l'impact de la surtension.

Pourquoi la protection contre les surtensions est-elle importante pour les systèmes d'éclairage LED ?

La protection contre les surtensions est essentielle pour les systèmes d'éclairage LED pour les principales raisons suivantes :

1. Sensibilité LED aux surtensions

En tant que dispositifs à semi-conducteurs, les LED ont des tensions directes de seulement quelques volts et présentent une résistance de surtension extrêmement faible, en particulier une faible tolérance de tension inverse. Les surtensions transitoires (atteignant des milliers de volts) provenant de la foudre ou de la commutation de grille peuvent endommager directement les puces ou les conducteurs LED, entraînant une défaillance immédiate ou des dommages latents.

2. Diverses sources de surtension

• ‌Induction par la foudre‌ : La décharge du courant de foudre provoque des surtensions de potentiel de sol soudaines, entrant dans les luminaires via des lignes d'alimentation/signal.

• ‌Opérations de la grille‌ : appareillage de commutation, défauts de court-circuit, etc., génèrent des surtensions transitoires.

• ‌Électrostatique jeinterférence: L'électricité statique (>10 kV) accumulée sur les boîtiers métalliques peut décomposer les circuits de commande.

3. Conséquences des dommages causés par les

Les événements de surtension accélèrent non seulement le vieillissement de la source de lumière LED (efficacité lumineuse réduite), mais peuvent également déclencher des défaillances en cascade : un seul court-circuit LED transfère sa chute de tension aux LED adjacentes, accélérant ainsi le burn-out des cordes de lampe entières. Les coûts d'entretien élevés pour les systèmes d'éclairage extérieur signifient que la protection inadéquate augmente considérablement les dépenses d'entretien.

Dans une ville, 30% de conducteurs d'éclairage de la route principale ont échoué après une saison des orages en raison du manque de protection contre les surtensions, encourant plus de 500 000 yuans de réparations. L'inspection a révélé que plusieurs impacts de surtension avaient vieilli et dégradé les varisteuses à oxyde métallique (MOV), permettant aux éclairs ultérieurs d'endommager directement les modules LED.

La protection contre les surtensions est une mesure essentielle pour assurer la longévité et la fiabilité des luminaires LED, particulièrement indispensables dans les environnements à haut risque comme les environnements extérieurs et industriels. Les luminaires LED équipés d'une protection contre les surtensions présentent une fiabilité accrue. L'installation de SPDS conforme aux normes de test telles que la norme CEI 61000-4-5 réduit considérablement les coûts de maintenance, ce qui le rend vital pour les systèmes d'éclairage LED.

Méthodes de connexion pour les parasurtenseurs dans les luminaires LED

L'approche la plus courante pour connecter des parasurtenseurs aux appareils à LED consiste à les installer en série ou en parallèle sur les bornes d'entrée ou de sortie. En fonction de différents emplacements et méthodes d'installation, ceux-ci peuvent être classés comme suit :

1. Protecteurs de surtension intégrés dans chauffeurs

Les parasurtenseurs intégrés atténue l'impact des surtensions transitoires causées par la foudre, les opérations de commutation ou la décharge électrostatique sur le système. Ils maintiennent la stabilité de l'alimentation en énergie et assurent un fonctionnement continu du système d'éclairage. En réagissant et en supprimant rapidement les surtensions transitoires, les parasurtenseurs réduisent les dommages aux modules de commande LED et aux modules d'émission de lumière causés par des tensions anormales, étendant ainsi la durée de vie globale de l'équipement.

2. Protecteur de surtension installé à chauffeur frontal

Cette approche est principalement adaptée aux zones où les coups de foudre sont fréquents et l'humidité environnementale élevée. L'installation d'un parasurtenseur à l'extrémité avant des lampadaires, par exemple, offre une protection améliorée contre les dommages électriques causés par la foudre et les interférences électromagnétiques, servant de double protection. Cela facilite également l'entretien plus tard. Cependant, il est essentiel de s'assurer que le SPD nouvellement ajouté est compatible et adapté à la méthode de mise à la terre du système existant.

3. Connexion série à l'entrée

Connectez le parasurtenseur en série avec l'entrée de l'alimentation du pilote LED. Lorsqu'une surtension se produit à l'entrée, le parasurtenseur interrompt le flux de courant, protégeant ainsi la lampe LED.

4. Connexion parallèle à l'entrée

Connectez le parasurtenseur en parallèle avec l'entrée du pilote LED. Lorsqu'une surtension se produit à l'entrée, le parasurtenseur entraîne le courant, détournant le courant excédentaire.

Différents types de parasurtenseurs présentent des avantages et des inconvénients distincts, nécessitant une sélection en fonction de conditions spécifiques.

En règle générale, les parasurtenseurs en série offrent des temps de réponse rapides, une protection solide et un impact minimal sur le fonctionnement normal, mais présentent des inconvénients tels que l'installation complexe, les exigences d'espace et la sensibilité aux dommages.

Les parasurtenseurs parallèles sont dotés d'une installation simple, d'un encombrement compact et d'une facilité de remplacement, mais souffrent de temps de réponse plus lents, de protections plus faibles et d'interférences potentielles avec un fonctionnement normal.

Quel type de SPD est utilisé dans l'éclairage LED ?

Les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) sont principalement classés en fonction de leur capacité de protection, de leur emplacement d'installation et de leurs caractéristiques de tolérance de forme d'onde. Les normes internationales les classent généralement en trois types, comme suit :

Type 1 SPD

Conçu pour les coups de foudre directs ou les surtensions à haute énergie, installés au niveau du panneau de distribution principal ou du point d'entrée électrique d'un bâtiment. Dispose d'un niveau de protection de tension (en haut) plus élevé allant de 1,5 kV à 4 kV, avec un courant de décharge nominal (in) typiquement compris entre 12,5 et 200 kA.

Applications typiques : emplacements à haut risque sujets à des coups de foudre directs, tels que des installations industrielles et des stations de base de communication.

Type 2 SPD

Convient pour les coups de foudre indirects ou les perturbations du réseau électrique, installés dans des panneaux de distribution ou des armoires de distribution au niveau du sol. Dans est généralement 5 ka à 20 ka, et le hausse est généralement de 1,5 kV à 2,5 kV.

Applications typiques : applications d'éclairage à LED extérieurs et commerciaux et fabricants de signalisation et de signalisation LED, y compris l'éclairage de la route, l'éclairage de stationnement, l'éclairage de lavage de mur, l'éclairage de la circulation, l'éclairage d'inondation, la signalisation numérique, l'éclairage de la rue et l'éclairage de tunnel.

Type 3 SPF

Convient pour la protection de l'appareil final, installé à l'extrémité avant de l'équipement ou des prises. Généralement en ≤ 10 kA. Fournit une protection fine (jusqu'à ≤ 1 kV) avec des temps de réponse plus rapides (niveau de nanoseconde).

Applications typiques : souvent intégrées dans les pilotes LED pour la protection locale de la tension.

Général Les panneaux de distribution principaux utilisent des périphériques de type 1 ou 2 ; les boîtes de distribution peuvent utiliser des appareils de type 2 et 3, avec des appareils de type 2 et 3 également adaptés aux applications dorsales.

Pour les lignes d'alimentation CA entrant dans les bâtiments, installez les parasurtenseurs de type 1 ou 2 comme protection principale à la limite entre les zones LPZ0A/LPZOB et LPZ1 (par exemple, sur le panneau de distribution principal).

Aux limites des zones de protection ultérieures, telles que les panneaux de distribution dans les lignes de distribution d'énergie ou les salles d'équipement électronique, les parasurtenseurs de type 2 peuvent être installés comme protection secondaire. Pour les appareils tels que les luminaires LED, les parasurtenseurs de type 2 ou 3 peuvent être installés avant le port d'alimentation.

Comment choisir correctement un parasurtenseur ?

Dans les applications électriques, la sélection d'un parasurtenseur est un problème très complexe impliquant des facteurs tels que la configuration de la mise à la terre du système, le niveau d'exposition, les zones de protection contre la foudre, la longueur du câble, la protection inter-niveau, l'amplitude du courant de court-circuit aux points de protection et le nombre de circuits de shunt.

De nombreux fabricants produisent des parasurtenseurs sur le marché. Par conséquent, lors de la sélection des dispositifs de protection contre les surtensions, une attention particulière doit être portée aux points suivants :

1. Déterminer la valeur UC

La sélection de la tension de fonctionnement continue maximale (UC) du parasurtenseur nécessite une prise en compte complète de la tension du système, de la tension de résistance à l'équipement et des spécifications standard. La valeur minimale de l'UC doit être de 1,15 fois la tension nominale.

Par exemple, dans un système de tension de phase 220 V, UC = 1,15 × 220 V = 253 V. Puisque les tensions de crête du réseau CA peuvent atteindre 1,1 fois la valeur RMS (253 V × 1,414 = 357 V ; env. 350V crête Pour un système 220V), UC doit dépasser cette valeur. Cependant, dans les applications pratiques, pour éviter une activation fréquente, il est recommandé de sélectionner une valeur plus élevée telle que 385V. Simultanément, la tension d'activation de la varistance (U1MA) doit correspondre à la plage de fluctuation du réseau.

2. Sélection des niveaux de protection

Les SPD de classe I (par exemple, IIMP ≥ 100 ka) sont utilisés pour la distribution principale, tandis que les SPD de classe II (en ≥ 40 ka) sont utilisés pour les panneaux de distribution, formant une protection à plusieurs niveaux. Les dimensions et les types d'installation du SPD doivent répondre aux exigences sur site. Les directives de sélection sont présentées ci-dessous :

Niveau de protection	Emplacement d'installation	Scénario d'application	Paramètres clés
Type 1	Panneau de distribution principal	Protection directe contre la foudre	≥100KA (10/350μS)
Type 2	boîte de distribution	Foudre/Surge de fonctionnement induite	40 ka (8/20μs)
Type 3	LED conducteur avant	Protection terminale de l'équipement de précision	Jusqu'à ≤1,5 kV

3. Méthode d'installation

Sélectionnez un SPD correctement positionné et facile à installer en fonction de l'emplacement du luminaire. Les SPD étant généralement dissimulés dans des zones difficiles d'accès, comme devant les luminaires, ils peuvent en outre déconnecter le luminaire du circuit en cas de panne, facilitant le remplacement et la maintenance.

4. Adaptation environnementale

Pour l'éclairage extérieur, sélectionnez les SPD avec une cote IP de IP54 ou supérieure. Dans des conditions humides ou poussiéreuses, utilisez des SPD avec une cote IP supérieure à IP67.

5. Spécifications de mise à la

Le SPD doit être mis à la terre via un terminal PE dédié, en évitant les chemins de masse partagés avec des conducteurs sortants. Test de résistance de continuité au sol ≤0,1Ω.

6. Protection multi-niveaux

Au-delà de la sauvegarde des alimentations 230 V, envisagez de protéger les unités de contrôle telles que DALI, la deuxième phase (contrôle), 1-10 V ou DMX. Les SPD combinés AC et témoins sont idéaux pour ces luminaires, offrant généralement une meilleure protection coordonnée que deux SPD distincts.

7 Certification et sécurité

Sélectionnez les SPD avec des certifications fiables comme TUV ou UL, testées pour répondre aux exigences CEI 61643-11 et VDE 0100-534.

Conclusion

Les dispositifs de protection contre les surtensions servent de barrière centrale pour les systèmes d'éclairage extérieur contre les coups de foudre et les surtensions de la grille. Grâce à l'action synergique des varistances et des tubes de décharge de gaz, ils détournent les surtensions à haute tension en quelques microsecondes tout en serrant les tensions sur des seuils d'équipement sûrs.

Sans protection adéquate, les appareils LED et leurs conducteurs sont confrontés à des risques de dommages irréversibles, à une efficacité réduite et à une défaillance complète potentielle. Les dispositifs de protection contre les surtensions améliorent considérablement la fiabilité des lampadaires LED dans les environnements de réseau difficiles, ce qui en fait des composants de protection indispensables pour les systèmes d'éclairage Smart City.