Dans une installation électrique systèmes, les SPD sont généralement installés en configuration de dérivation (en parallèle) entre les conducteurs sous tension et la terre. Le principe de fonctionnement du SPD peut être semblable à celui d'un disjoncteur.
En utilisation normale (non surtension) : le SPD est similaire à un disjoncteur ouvert.
Quand il y a un surtension : le SPD devient actif et décharge le courant de foudre pour Terre. Cela peut être assimilé à la fermeture d'un disjoncteur qui court-circuiter le réseau électrique avec la terre via l'équipotentielle mise à la terre et les parties conductrices exposées pendant un très bref instant, limitée à la durée de la surtension.
Pour l'utilisateur, le le fonctionnement du SPD est totalement transparent car il ne dure qu'une infime fraction du temps. une seconde.
Quand le la surtension a été déchargée, le SPD revient automatiquement à son état normal état (disjoncteur ouvert).
1. Principes de protection
1.1 Modes de protection
Il y en a deux modes de surtension de foudre : mode commun et mode courant résiduel.
Foudre les surtensions apparaissent principalement en mode commun et sont généralement à l'origine du installation électrique. Les surtensions en mode courant résiduel apparaissent généralement en mode TT et affectent principalement les équipements sensibles (équipements électroniques, ordinateurs, etc).
Protection en mode commun entre phase/neutre et terre
Phase/neutre la protection dans un système de mise à la terre TT est justifiée lorsque le neutre sur le côté distributeur est lié à une connexion de faible valeur (quelques ohms alors que l’électrode de terre de l’installation est de plusieurs dizaines d’ohms).
Courant résiduel protection de mode entre phase et neutre
Le retour actuel Le circuit est alors susceptible de passer par le neutre de l'installation plutôt que par le Terre.
Le résidu la tension en mode courant U, entre phase et neutre, peut augmenter jusqu'à une valeur égale à la somme des tensions résiduelles de chaque élément du SPD, c'est-à-dire doubler le niveau de protection en mode commun.
Phase/neutre protection dans un système de mise à la terre TT
Un similaire Un phénomène peut se produire dans un système de mise à la terre TN-S si les conducteurs N et PE sont séparés ou ne sont pas correctement équipotentiels. Le courant est alors susceptible de suivre le conducteur neutre à son retour plutôt que le conducteur de protection et le système de liaison.
Une théorie un modèle de protection optimal, qui s'applique à tous les systèmes de mise à la terre, peut être défini, même si en fait les SPD combinent presque toujours une protection en mode commun et protection mode courant résiduel (sauf modèles IT ou TN-C).
Il est essentiel de vérifier que les SPD utilisés sont compatibles avec le système de mise à la terre.
1.2 Protection en cascade
Tout comme la protection contre les surintensités doit être assurée par des appareils dotés de valeurs nominales appropriées à chaque niveau de l'installation (origine, secondaire, terminal) coordonné avec entre eux, la protection contre les surtensions transitoires repose sur un principe similaire approche utilisant une combinaison « en cascade » de plusieurs SPD.
Deux ou trois des niveaux de SPD sont généralement nécessaires pour absorber l’énergie et limiter surtensions induites par couplage dues à des phénomènes d'oscillation haute fréquence.
L'exemple ci-dessous repose sur l'hypothèse selon laquelle seulement 80 % de l'énergie est détournée vers la terre (80 % : valeur empirique dépendant du type de SPD et du réseau électrique) installation, mais toujours inférieur à 100 %).
Le principe de la protection en cascade est également utilisée pour les applications à faible courant (téléphonie, réseaux de communication et de données), combinant les deux premiers niveaux de protection dans un seul appareil qui se situe généralement à l'origine de l'installation.
Basé sur un éclateur les composants conçus pour évacuer la majeure partie de l'énergie vers la terre sont combinés avec varistances ou diodes qui limitent les tensions à des niveaux compatibles avec le matériel à protéger.
Terminal la protection est généralement combinée à cette protection de l’origine. Le terminal la protection est proche de l'équipement, assurée par des parafoudres de proximité.
1.2.1 Combinaison de plusieurs SPD
Afin de limiter surtensions autant que possible, un SPD doit toujours être installé à proximité du matériel à protéger 3.
Cependant, ceci la protection ne protège que les équipements qui y sont directement connectés, mais surtout de toute façon, sa faible capacité énergétique ne permet pas d'évacuer toute l'énergie.
Pour ce faire, un SPD est nécessaire à l'origine de l'installation 1.
De même, SPD 1 ne peut pas protéger l'ensemble de l'installation car elle permet une quantité d'énergie résiduelle à laisser passer et que la foudre est un phénomène à haute fréquence.
En fonction de la l'ampleur de l'installation et les types de risques (exposition et sensibilité des équipements, criticité de la continuité de service), la protection du circuit 2 est nécessaire en plus de 1 et 3.
Protection en cascade
Notez que le Le premier niveau du SPD (1) doit être installé le plus en amont possible du installation afin de réduire au maximum les effets induits de la foudre par couplage électromagnétique.
1.3 Emplacement des SPD
Pour efficace protection par SPD, il peut être nécessaire de combiner plusieurs SPD :
1. SPD principal ➀
2. SPD du circuit ➁
3. SPD de proximité ➂
Supplémentaire une protection peut être nécessaire en fonction de l'échelle (longueurs de ligne) et de la sensibilité des équipements à protéger (informatique, électronique, etc.). Si plusieurs parafoudres sont installés, des règles de coordination très précises doivent être appliquées.
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Origine de installation |
Distribution niveau |
Application niveau |
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Le
la protection à l'origine de l'installation (protection primaire) shunte la plupart
de l'énergie incidente (commune |
Circuit (protection secondaire) complète la protection de l’origine en coordination et limite les surtensions en mode courant résiduel provenant du configuration de l'installation. |
Proximité La protection (protection des bornes) effectue la limitation finale de la crête du les surtensions, qui sont les plus dangereuses pour les équipements. |
Il est important de garder à l’esprit que la protection de l’ensemble de l’installation et de l’équipement est seulement pleinement efficace si:
1. Plusieurs niveaux des parafoudres sont installés (en cascade) pour assurer la protection des équipements situés à distance de l'origine de l'installation : nécessaire pour l'équipement situé à 30 m ou plus (IEC 61643-12) ou requis si le niveau de protection Up du SPD principal est supérieur à la catégorie d'équipement (IEC 60364-4-443 et 62305-4)
2. Tous les réseaux sont protégés :
2.1. Pouvoir réseaux alimentant le bâtiment principal ainsi que tous les bâtiments secondaires, extérieurs systèmes d'éclairage des parkings, etc.
2.2. Communication réseaux : lignes entrantes et lignes entre différents bâtiments
1.4 Longueurs protégées
C'est essentiel que la conception d'un système efficace de protection contre les surtensions prend en compte de la longueur des lignes alimentant les récepteurs à protéger (voir tableau ci-dessous).
En fait, au-dessus d'un certaine longueur, la tension appliquée au récepteur peut, au moyen d'un phénomène de résonance, dépasse considérablement la tension limite attendue. Le L'ampleur de ce phénomène est directement liée aux caractéristiques du installation (conducteurs et systèmes de liaison) et avec la valeur du courant induite par la décharge lumineuse.
Un SPD est correctement câblé lorsque :
1. Les protégés l'équipement est équipotentiellement lié à la même terre à laquelle le SPD est connecté
2. Le SPD et ses les protections de sauvegarde associées sont connectées :
2.1. Au réseau (fils sous tension) et à la barre de protection principale (PE/PEN) de la carte avec des longueurs de conducteur aussi courtes que possible et inférieures à 0,5 m.
2.2. Avec conducteurs dont les sections sont adaptées aux exigences du SPD (voir tableau ci-dessous).
Tableau 1 – Maximum longueur de ligne entre le SPDe et l'appareil à protéger
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Poste SPD |
A l'origine de l'installation |
Pas à l'origine de l'installation |
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Conducteur coupe transversale |
câblage |
gros câbles |
câblage |
gros câbles |
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Composition du système de liaison |
SUR conducteur |
< 10 m |
10 m |
< 10 m* |
20 m* |
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maillé/équipotentiel |
10 m |
20 m |
20 m* |
30 m* |
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* Protection recommandé au point d'utilisation si la distance est plus grande
1.4.1 Effet de la double tension
Au dessus d'un certain longueur d, le circuit protégé par le SPD commencera à résonner lorsque le l'inductance et la capacité sont égales :
Lω = -1 / Cω
Le circuit l'impédance est alors réduite à sa résistance. Malgré la part absorbée par le SPD, le courant de foudre résiduel I sur le circuit est toujours impulsionnel. C'est l'augmentation, due à la résonance, entraînera des augmentations significatives de Ud, Uc et tensions Urm.
Sous ces conditions, la tension appliquée au récepteur peut doubler.
Effet de double tension
Où:
•C – capacité représentant la charge
• Ld – inductance de la ligne d'alimentation
• Lrm – inductance du système de liaison
L'installation des SPD ne doit pas nuire à la continuité du service, ce qui serait contraire au but recherché. Ils doivent être installés, notamment au niveau origine des installations domestiques ou assimilées (SLT TT), en conjointement avec un dispositif à courant résiduel retardé de type S.
Prudence! S'il y a s'il y a des coups de foudre importants (> 5 kA), le courant résiduel secondaire les appareils peuvent encore se déclencher.
2. Installation des SPD
2.1 Connexion des SPD
2.1.1 Système de mise à la terre ou connexion à la terre
Organismes de normalisation utiliser le terme générique « dispositif de mise à la terre » pour désigner à la fois la notion de mise à la terre système et celui d’une prise de terre, sans faire de distinction entre le deux. Contrairement à une idée reçue, il n’existe pas de corrélation directe entre valeur de l'électrode de terre, fournie à basse fréquence pour assurer la sécurité des personnes et de l’efficacité de la protection assurée par les SPD.
Comme démontré ci-dessous, ce type de protection peut être établi même en l'absence de mise à la terre électrode.
L'impédance de le circuit de décharge du courant shunté par le SPD peut être décomposé en deux parties.
Le premier, le électrode de terre, est formée de conducteurs, qui sont généralement des fils, et de la résistance du sol. Son caractère essentiellement inductif fait que son l'efficacité diminue avec la fréquence, malgré les précautions de câblage (limitation de longueur, règle de 0,5 m). La deuxième partie de cette impédance est inférieure visible mais indispensable en haute fréquence car il est en fait constitué du capacité parasite entre l’installation et la terre.
Bien sûr le les valeurs relatives de chacun de ces composants varient selon le type et l'échelle de l'installation, l'emplacement du SPD (type principal ou de proximité) et selon le schéma des prises de terre (système de mise à la terre).
Cependant il a Il a été prouvé que la part du parasurtenseur dans le courant de décharge peut atteindre 50 à 90% sur le système équipotentiel alors que le montant directement déchargée par l'électrode de terre est de l'ordre de 10 à 50 %. Le système de liaison est essentiel de maintenir une tension de référence faible, qui est plus ou moins la même sur toute l’installation.
Les SPD devraient être connecté à ce système de liaison pour une efficacité maximale.
Le minimum La section recommandée pour les conducteurs de raccordement tient compte des valeur maximale du courant de décharge et caractéristiques de fin de vie dispositif de protection.
C'est irréaliste d'augmenter cette section pour compenser les longueurs de raccordement qui ne respecter la règle des 0,5 m. En effet, à haute fréquence, l'impédance du Les conducteurs sont directement connectés à leur longueur.
En électricité tableaux de distribution et panneaux de grande taille, il peut être judicieux de réduire impédance de la liaison en utilisant les parties conductrices métalliques exposées du châssis, plaques et boîtiers.
Tableau 2 – Minimum section des conducteurs de raccordement SPD
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Capacité SPD |
Section transversale (mm2) |
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Classe II SPD |
SStandard : Imax < 15 kA (x 3-classe II) |
6 |
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EAugmenté : Imax < 40 kA (x 3-classe II) |
10 |
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HÉlevé : Imax < 70 kA (x 3-classe II) |
16 |
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Classe Je SPD |
16 |
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L'utilisation du les parties conductrices métalliques exposées des boîtiers en tant que conducteurs de protection sont autorisé par la norme CEI 60439-1 pour autant que cela ait été certifié par le fabricant.
C'est toujours préférable de conserver un fil conducteur pour connecter les conducteurs de protection au bornier ou au collecteur, qui double alors la liaison réalisée via les parties conductrices exposées du châssis du boîtier.
2.1.2 Longueur de connexion
En pratique, c'est Il est recommandé que la longueur totale du circuit SPD ne dépasse pas 50 cm. Cette exigence n'est pas toujours facile à mettre en œuvre, mais en utilisant les ressources disponibles des pièces conductrices exposées à proximité peuvent aider.
Longueur totale du Circuit SPD
* peut être installé sur le même rail DIN. Toutefois, l'installation sera mieux protégée si les deux les appareils sont installés sur 2 rails DIN différents (SPD sous la protection)
Le nombre de Les coups de foudre que le SPD peut absorber diminueront avec la valeur du courant de décharge (de 15 coups pour un courant de valeur In à un seul coup à Imax/Iimp).
Règle de 0,5 m En théorie, lors d'un éclair, la tension Ut à laquelle le récepteur est soumise est la même que la tension de protection Up de la surtension protecteur (pour son In), mais en pratique ce dernier est plus élevé.
En fait, le chutes de tension provoquées par les impédances des conducteurs de connexion du SPD et de ses dispositif de protection s'ajoutent à cela :
Ut = UI1 + Ud + UI2 + Haut + UI3
Par exemple, le chute de tension dans 1 m de conducteur parcouru par un courant impulsionnel de 10 kA pendant 10 μs atteindront 1000 V.
Δu = L × di / dt
• di – Variation de courant 10 000 A
• dt – Variation de temps 10 μs
• L – inductance de 1 m de conducteur = 1 μs
• Valeur Δu à ajouter à la tension Up
La longueur totale Elle doit donc être la plus courte possible. En pratique, il est recommandé que 0,5 m n'est pas dépassé. En cas de difficulté, il peut être utile d'utiliser des supports larges et plats. conducteurs (tresses isolées, barres flexibles isolées).
SPD de 0,5 m règle de connexion
Le lien terrestre Le conducteur du parasurtenseur ne doit pas être vert/jaune dans le sens de la définition d’un conducteur PE.
La pratique courante est de sorte que ce marquage est pourtant fréquemment utilisé.
Un peu de câblage les configurations peuvent créer des couplages entre l’amont et l’aval conducteurs du SPD, susceptibles de provoquer la propagation de l'onde de foudre tout au long de l'installation.
Câblage SPD configuration #1
En amont et conducteurs en aval connectés sur la borne du parasurtenseur avec un chemin commun.
Câblage SPD configuration 1
Câblage SPD configuration #2
Entrée et sortie conducteurs physiquement bien séparés et connectés sur la même borne.
Câblage SPD configuration 2
Câblage SPD configuration #3
Connexion conducteurs trop longs, conducteurs de sortie physiquement séparés.
Câblage SPD configuration 3
Câblage SPD configuration #4
Connexion conducteurs les plus courts possibles avec conducteur de retour depuis la borne de terre à proximité des chefs d'orchestre.
Câblage SPD configuration 4
2.2 Protection en fin de vie des parafoudres
Le SPD est un appareil dont la fin de vie nécessite une attention particulière. Ses composants vieillissent à chaque fois il y a un coup de foudre.
En fin de vie un dispositif interne au SPD le déconnecte de l'alimentation. Un indicateur (allumé le protecteur) et un retour d'alarme en option (accessoire de retour d'état installé) indiquent cet état qui nécessite le remplacement du module concerné.
Si le SPD dépasse ses capacités de limitation, il peut être détruit en se court-circuitant. UN un dispositif de protection contre les courts-circuits et les surcharges doit donc être installé dans série en amont du SPD (on parle communément de branche SPD).
Figure X – Principes d'installation SPD avec protection associée
Contrairement à certaine opinion reçue, un parafoudre doit toujours être protégé contre d'éventuels courants de court-circuit et de surcharge. Et cela s'applique à tous parafoudres, de classe II et de classe I, quels que soient les types des composants ou des technologies utilisés.
Cette protection doivent être fournis conformément aux règles habituelles de discrimination.
2.3 Coordination des SPD
Organiser plusieurs SPD en cascade nécessite de les coordonner pour que chacun d'eux absorbe les l'énergie de manière optimale et limite la propagation de la foudre à travers l'installation autant que possible.
La coordination des SPD est une notion complexe qui doit faire l'objet d'études spécifiques et des tests. Distances minimales entre SPD ou insertion de selfs de découplage ne sont pas recommandés par les fabricants.
Primaire et les SPD secondaires doivent être coordonnés de manière à ce que l'énergie totale à dissiper (E1 + E2) est partagé entre eux en fonction de leur capacité de décharge. Le la distance recommandée d1 permet de découpler les parafoudres et empêche ainsi une trop grande partie de l'énergie de passer directement dans le SPD secondaire avec le risque de le détruire.
C'est un situation qui dépend en fait des caractéristiques de chacun des SPD.
Figure X – Coordination des SPD
Deux identiques parafoudres de tension. Par exemple Up : 2 kV et Imax : 70 kA) peuvent être installé sans que la distance d1 soit nécessaire : l'énergie sera partagée plus ou moins également entre les deux SPD. Mais deux SPD différents (par exemple Up : 2 kV/Imax : 70 kA et Up : 1,2 kV/Imax : 15 kA) doivent être espacés d'au moins 8 m pour évitez que la deuxième protection contre les surtensions ne soit trop sollicitée.
Si non indiqué, prendre d1 min (en mètres) comme étant 1% de la différence entre Up1 et Up2 (en volts). Par exemple:
Up1 = 2,0 kV (2000 V) et Up2 = 1,2 kV (1 200 V)
⇒ d1 = 8 m min. (2000 – 1200 = 800 >> 1% de 800 = 8 m)
Un autre exemple, si:
Up1 = 1,4 kV et Up2 = 1,2 kV ⇒ d1 = 2 m min
