Ces dernières années, avec les progrès de la science et de la technologie, la nation technologique des appareils ménagers et l’amélioration des exigences en énergie pour les équipements électroniques, il existe un grand nombre de circuits intégrés à grande échelle ou à très grande échelle qui sont très sensibles aux surtensions à l’intérieur de ces équipements électroniques, de sorte que la perte causée par la tension augmente. Compte tenu de cette situation, le « Code de conception des bâtiments pour la protection contre la foudre » GB50057-94 (édition 2000) a ajouté le chapitre VI - Protection contre la foudre : impulsions électromagnétiques. Selon cette exigence, certains fabricants ont également introduit des produits de protection contre les surtensions, que nous appelons souvent parasurtenseurs. Il est essentiel de mettre en place un système complet de liaison équipotentielle pour protéger les systèmes électriques et électroniques, y compris tous les conducteurs actifs dans la zone de protection de compatibilité électromagnétique. Les caractéristiques physiques des composants de décharge dans différents dispositifs de protection contre les surtensions présentent des avantages et des inconvénients dans les applications pratiques, de sorte que les circuits de protection utilisant plusieurs pièces sont plus largement utilisés.
Cependant, il peut répondre à toutes les exigences techniques du parafoudre qui peut conduire un courant d’impulsion de 10/350μs avec le niveau technique contemporain, du parasurtenseur enfichable pour la distribution d’énergie secondaire, du dispositif de protection de l’alimentation électrique et du filtre de puissance. Par conséquent, la gamme de produits est rare. En outre, cette gamme de produits devrait inclure des parafoudres pour tous les circuits, c’est-à-dire, en plus des alimentations, pour la mesure, le contrôle, les circuits de régulation technique, les circuits de transmission de traitement électronique de données et les communications sans fil et filaires, afin que les clients puissent les utiliser.
Une brève introduction à plusieurs produits de protection contre les surtensions couramment utilisés et une brève analyse de leurs caractéristiques et des occasions applicables sont données.
1 Système de liaison équipotentielle
Le principe de base de la protection contre les surtensions est que les surtensions transitoires se produisent à l’instant (niveau microseconde ou nanoseconde). Une équipotentielle doit être obtenue entre toutes les pièces métalliques de la zone protégée. « L’équipotentiel est l’utilisation de fils de connexion ou de protecteurs de surtension pour connecter des dispositifs de protection contre la foudre, des structures métalliques de bâtiments, des conducteurs externes, des appareils électriques et de télécommunication, etc., dans l’espace où la protection contre la foudre est requise. » ( « Spécifications pour la conception de la protection contre la foudre des bâtiments ») (GB50057-94). « Le but de la liaison équipotentielle est de réduire la différence de potentiel entre les pièces métalliques et les systèmes dans les espaces nécessitant une protection contre la foudre » (IEC13123.4). Le « Code de conception de la protection contre la foudre pour les bâtiments » (GB50057-94) stipule : « Article 3.1.2 Pour les bâtiments équipés de dispositifs de protection contre la foudre, lorsque les dispositifs de protection contre la foudre ne peuvent pas être isolés des autres installations et des personnes présentes dans le bâtiment, ils doivent être adoptés par liaison équipotentielle. » Lors de l’établissement de ce réseau de liaison équipotentielle, il faut veiller à garder la distance la plus courte entre les équipements électriques et électroniques qui doivent échanger des informations et les fils de connexion entre la courroie de liaison équipotentielle.
Selon le théorème d’induction, plus l’inductance est grande, plus la tension générée par le courant transitoire dans le circuit est élevée ; (U=L·di/dt> L’inductance est principalement liée à la longueur du fil et n’a pas grand-chose à voir avec la section transversale du fil. Par conséquent, il faut garder le fil de terre aussi court que possible. De plus, la connexion parallèle de plusieurs fils peut réduire considérablement l’inductance du système de compensation de potentiel. Pour mettre ces deux en pratique, il est théoriquement possible de connecter tous les circuits qui devraient être connectés au dispositif de liaison équipotentielle. Il est relié à la même plaque métallique que l’équipement. Sur la base du concept de la plaque métallique, la structure en ligne, en étoile ou en maille peut être utilisée lorsque le système de liaison équipotentielle est installé ultérieurement. En principe, seule l’équipotentialité du maillage doit être utilisée lors de la conception d’un nouvel équipement.
2 Connectez les lignes d’alimentation au système de liaison équipotentielle
La tension transitoire ou courant transitoire signifie que son temps d’existence n’est que de quelques microsecondes ou nanosecondes. Le principe de base de la protection contre les surtensions est d’établir une équipotentielle entre toutes les parties conductrices de la zone protégée pendant une brève période lorsque la surtension transitoire existe. Ces éléments conducteurs comprennent également les lignes électriques dans les circuits électriques. Par conséquent, il faut des composants qui réagissent plus rapidement que la microseconde, en particulier pour les décharges électrostatiques.
À plus vite que la nanoseconde. De tels éléments sont capables de fournir des courants puissants allant jusqu’à plusieurs fois dix mille ampères dans de brefs intervalles de temps. Les vents jusqu’à 50 kA sont calculés à des impulsions de 10/350 μS dans des conditions de foudre prévues. Grâce à un dispositif complet de liaison équipotentielle, un îlot équipotentiel peut se former rapidement, et la différence de potentiel de cet îlot équipotentiel à une distance peut même atteindre des centaines de milliers de volts. Cependant, ce qui est essentiel, c’est que dans la zone à protéger, toutes les parties conductrices puissent être considérées comme ayant des potentiels presque égaux ou égaux sans différences de potentiel significatives.
3 Installation et fonctionnement du parasurtenseur
Les composants électriques de protection contre les surtensions sont divisés en deux catégories : souples et complexes en termes de caractéristiques de réponse. Les éléments de décharge à réponse dure comprennent les tubes à décharge de gaz et les déchargeurs d’espace de décharge, soit les éclateurs angulaires basés sur la technologie de hachage à l’arc, soit les éclateurs à décharge coaxiale. Les éléments de décharge appartenant aux caractéristiques de réponse douce comprennent les varistances et les diodes suppressives. (Notre parasurtenseur est une réponse faible.) La différence entre ces composants réside dans la capacité de décharge, les caractéristiques de réponse et la tension résiduelle. Étant donné que ces composants présentent des avantages et des inconvénients, les gens les combinent dans des circuits de protection spéciaux pour favoriser les forces et éviter les faiblesses. Les parafoudres couramment utilisés dans les bâtiments civils sont principalement les parafoudres de type espace déchargé et les parafoudres de type varistance.
Les courants de foudre et les courants post-foudre nécessitent des déchargeurs extrêmement puissants. Pour conduire le courant de foudre à travers le système de liaison équipotentielle dans le dispositif de mise à la terre, il est recommandé d’utiliser des parafoudres à courant avec éclateurs angulaires selon la technique de hachage d’arc. Seul il peut conduire un courant d’impulsion de 10/350μs supérieur à 50kA et réaliser une extinction automatique de l’arc. La tension nominale de cette application de produit peut atteindre 400 V. De plus, ce parafoudre ne fera pas griller un fusible de 125 A lorsque le courant de court-circuit passe à 4 kA.
En raison de ses bonnes performances, les caractéristiques de fonctionnement ininterrompu des instruments et des équipements installés dans la zone protégée sont considérablement améliorées. Cependant, il convient de souligner que non seulement le courant de grande amplitude peut être traité, mais plus important encore, la forme impulsionnelle du courant joue un rôle décisif. Les deux doivent être considérés simultanément. Par conséquent, bien que l’éclateur angulaire puisse également conduire des courants jusqu’à 100 kA, sa forme d’impulsion est plus courte (8/80 μs). Ces impulsions sont des impulsions de courant d’impulsion qui, jusqu’en octobre 1992, étaient la base de conception du développement des parafoudres à courant.
Bien que le parafoudre ait une bonne capacité de décharge, il a toujours ses défauts : sa tension résiduelle est aussi élevée que 2,5 ~ 3,5 kV. Par conséquent, lorsque le parafoudre est installé dans son ensemble, il doit être utilisé en combinaison avec d’autres parafoudres.
Ces produits comprennent principalement Limitor MB, Limitor NB-B, LimitorG-B, Limited GN-B de la société Asia Brown Boffary (ABB) ; DEHNportMaxi (10/350μs, 50kA/ phase), DEHNport255 (10/350μs, 75kA/phase) ; Allemagne Éclateur d’angle PHOENIX : FLT60-400 (10/350μs, phase 60kA), FLT25-400 (10/350μs, phase 25kA) ; le parasurtenseur PRF1 de Schneider ; La série VBF de MOELLER.
Les varistances fonctionnent comme autant de diodes suppressives bidirectionnelles en série et en parallèle et fonctionnent comme des résistances dépendantes de la tension. Lorsque la tension dépasse la tension spécifiée, la varistance peut conduire l’électricité ; Lorsque la tension est inférieure à la tension spécifiée, la varistance ne conduit pas l’électricité. De cette façon, la varistance peut jouer un rôle de limitation de tension parfait. Les varistances fonctionnent extrêmement rapidement, avec des temps de réponse de l’ordre de la nanoseconde.
La varistance couramment utilisée dans l’alimentation peut conduire le courant avec une limite d’impulsion de 40kA8/20us, elle est donc très appropriée pour le déchargeur du deuxième étage de l’alimentation. Mais il n’est pas idéal comme parafoudre. Il est consigné dans le document IEC1024-1 du Comité international de la technologie électronique que la quantité de charge à traiter est de 10/350 μs, ce qui équivaut à 20 fois la quantité de charge dans le cas d’une impulsion de 8/20 μs.
( 10/350) μs=20xQ(8/20) μs
On peut voir à partir de cette formule qu’il est essentiel non seulement de faire attention à l’amplitude du courant de décharge, mais aussi de faire attention à la forme de l’impulsion. L’inconvénient de la varistance est qu’elle est facile à vieillir et qu’elle a une capacité élevée. De plus, l’élément diode est décomposé. Étant donné que, dans la plupart des cas, un court-circuit se produit lorsque la jonction PN est surchargée, en fonction de la fréquence à laquelle elle est chargée, la varistance commence à tirer des courants de fuite qui peuvent provoquer des erreurs dans les circuits de test insensibles aux données de mesure. Dans le même temps, en particulier à des tensions nominales élevées, il générera une chaleur intense dans le cours.
La capacité élevée de la varistance rend dans de nombreux cas impossible son utilisation dans les lignes de transmission de signaux. La capacité et l’inductance du fil forment un circuit passe-bas qui atténue considérablement le signal. Mais l’atténuation en dessous d’environ 30 kHz est négligeable. Ces produits comprennent principalement le Limitor V, le VTS Limited, le Limitor VE, le Limitor VETS, le LimitorGE-S d’ABB ; Parafoudres remplaçables de la série PRD de Schneider ; les produits des séries VR7 et VS7 de MOELLER ; Allemagne DEHNguard385 (8/20μs, phase 40kA), DEHNguard275 (8/20μs, phase 40kA) ; VAL-MS400ST (8/20μs, phase 40kA), VAL-ME400ST/FM (8/20μs, 40kA/phase) de PHOENIX, Allemagne ; Ma Shen DB30-4A/B (8/20μs, 30kA/phase), DB40-4A/B (8/20μs, 40kA phase).
4 Installez un parasurtenseur selon le schéma de protection contre les surtensions
Un ensemble (type montage sur rail, type prise de courant, adaptateur) qui contient un seul élément de protection ou un circuit de protection combiné intégré selon les conditions techniques d’installation est appelé déchargeur.
Dans presque tous les cas, la protection contre les surtensions doit être divisée en au moins deux niveaux. Par exemple, chaque parafoudre ne contenant qu’un seul niveau de sécurité peut être installé à différents endroits de l’alimentation électrique. Le même parafoudre peut également avoir plusieurs niveaux de protection. Pour obtenir une protection adéquate contre les surtensions, les gens devront protéger la gamme des différentes divisions de compatibilité électromagnétique, cette gamme de protection, y compris de la zone de protection contre la foudre 0 à la zone de protection contre les surtensions 1 à 3, jusqu’à ce que la zone de protection contre les tensions d’interférence ait un numéro de série plus élevé. Les zones de protection de compatibilité électromagnétique 0 à 3 sont réglées pour éviter d’endommager l’équipement en raison d’un couplage à haute énergie. La protection de compatibilité électromagnétique avec un numéro de série plus élevé est configurée pour éviter la distorsion et la perte d’informations. Plus le numéro de la zone de protection est élevé, plus l’énergie de perturbation et le niveau de tension de perturbation attendus sont faibles. Les équipements électriques et électroniques à protéger sont installés dans un anneau de protection très efficace. Un tel anneau de protection peut concerner une seule pièce d’équipement électronique, un espace avec plusieurs types d’équipements électroniques, ou même un bâtiment entier qui le traverse. Les fils qui ont généralement un anneau de protection blindé dans l’espace sont connectés au parafoudre de protection contre la tension en même temps que l’équipement périphérique du cercle de protection.
Cependant, il peut répondre à toutes les exigences techniques du parafoudre qui peut conduire un courant d’impulsion de 10/350μs avec le niveau technique contemporain, du parasurtenseur enfichable pour la distribution d’énergie secondaire, du dispositif de protection de l’alimentation électrique et du filtre de puissance. Par conséquent, la gamme de produits est rare. En outre, cette gamme de produits devrait inclure des parafoudres pour tous les circuits, c’est-à-dire, en plus des alimentations, pour la mesure, le contrôle, les circuits de régulation technique, les circuits de transmission de traitement électronique de données et les communications sans fil et filaires, afin que les clients puissent les utiliser.
Une brève introduction à plusieurs produits de protection contre les surtensions couramment utilisés et une brève analyse de leurs caractéristiques et des occasions applicables sont données.
1 Système de liaison équipotentielle
Le principe de base de la protection contre les surtensions est que les surtensions transitoires se produisent à l’instant (niveau microseconde ou nanoseconde). Une équipotentielle doit être obtenue entre toutes les pièces métalliques de la zone protégée. « L’équipotentiel est l’utilisation de fils de connexion ou de protecteurs de surtension pour connecter des dispositifs de protection contre la foudre, des structures métalliques de bâtiments, des conducteurs externes, des appareils électriques et de télécommunication, etc., dans l’espace où la protection contre la foudre est requise. » ( « Spécifications pour la conception de la protection contre la foudre des bâtiments ») (GB50057-94). « Le but de la liaison équipotentielle est de réduire la différence de potentiel entre les pièces métalliques et les systèmes dans les espaces nécessitant une protection contre la foudre » (IEC13123.4). Le « Code de conception de la protection contre la foudre pour les bâtiments » (GB50057-94) stipule : « Article 3.1.2 Pour les bâtiments équipés de dispositifs de protection contre la foudre, lorsque les dispositifs de protection contre la foudre ne peuvent pas être isolés des autres installations et des personnes présentes dans le bâtiment, ils doivent être adoptés par liaison équipotentielle. » Lors de l’établissement de ce réseau de liaison équipotentielle, il faut veiller à garder la distance la plus courte entre les équipements électriques et électroniques qui doivent échanger des informations et les fils de connexion entre la courroie de liaison équipotentielle.
Selon le théorème d’induction, plus l’inductance est grande, plus la tension générée par le courant transitoire dans le circuit est élevée ; (U=L·di/dt> L’inductance est principalement liée à la longueur du fil et n’a pas grand-chose à voir avec la section transversale du fil. Par conséquent, il faut garder le fil de terre aussi court que possible. De plus, la connexion parallèle de plusieurs fils peut réduire considérablement l’inductance du système de compensation de potentiel. Pour mettre ces deux en pratique, il est théoriquement possible de connecter tous les circuits qui devraient être connectés au dispositif de liaison équipotentielle. Il est relié à la même plaque métallique que l’équipement. Sur la base du concept de la plaque métallique, la structure en ligne, en étoile ou en maille peut être utilisée lorsque le système de liaison équipotentielle est installé ultérieurement. En principe, seule l’équipotentialité du maillage doit être utilisée lors de la conception d’un nouvel équipement.
2 Connectez les lignes d’alimentation au système de liaison équipotentielle
La tension transitoire ou courant transitoire signifie que son temps d’existence n’est que de quelques microsecondes ou nanosecondes. Le principe de base de la protection contre les surtensions est d’établir une équipotentielle entre toutes les parties conductrices de la zone protégée pendant une brève période lorsque la surtension transitoire existe. Ces éléments conducteurs comprennent également les lignes électriques dans les circuits électriques. Par conséquent, il faut des composants qui réagissent plus rapidement que la microseconde, en particulier pour les décharges électrostatiques.
À plus vite que la nanoseconde. De tels éléments sont capables de fournir des courants puissants allant jusqu’à plusieurs fois dix mille ampères dans de brefs intervalles de temps. Les vents jusqu’à 50 kA sont calculés à des impulsions de 10/350 μS dans des conditions de foudre prévues. Grâce à un dispositif complet de liaison équipotentielle, un îlot équipotentiel peut se former rapidement, et la différence de potentiel de cet îlot équipotentiel à une distance peut même atteindre des centaines de milliers de volts. Cependant, ce qui est essentiel, c’est que dans la zone à protéger, toutes les parties conductrices puissent être considérées comme ayant des potentiels presque égaux ou égaux sans différences de potentiel significatives.
3 Installation et fonctionnement du parasurtenseur
Les composants électriques de protection contre les surtensions sont divisés en deux catégories : souples et complexes en termes de caractéristiques de réponse. Les éléments de décharge à réponse dure comprennent les tubes à décharge de gaz et les déchargeurs d’espace de décharge, soit les éclateurs angulaires basés sur la technologie de hachage à l’arc, soit les éclateurs à décharge coaxiale. Les éléments de décharge appartenant aux caractéristiques de réponse douce comprennent les varistances et les diodes suppressives. (Notre parasurtenseur est une réponse faible.) La différence entre ces composants réside dans la capacité de décharge, les caractéristiques de réponse et la tension résiduelle. Étant donné que ces composants présentent des avantages et des inconvénients, les gens les combinent dans des circuits de protection spéciaux pour favoriser les forces et éviter les faiblesses. Les parafoudres couramment utilisés dans les bâtiments civils sont principalement les parafoudres de type espace déchargé et les parafoudres de type varistance.
Les courants de foudre et les courants post-foudre nécessitent des déchargeurs extrêmement puissants. Pour conduire le courant de foudre à travers le système de liaison équipotentielle dans le dispositif de mise à la terre, il est recommandé d’utiliser des parafoudres à courant avec éclateurs angulaires selon la technique de hachage d’arc. Seul il peut conduire un courant d’impulsion de 10/350μs supérieur à 50kA et réaliser une extinction automatique de l’arc. La tension nominale de cette application de produit peut atteindre 400 V. De plus, ce parafoudre ne fera pas griller un fusible de 125 A lorsque le courant de court-circuit passe à 4 kA.
En raison de ses bonnes performances, les caractéristiques de fonctionnement ininterrompu des instruments et des équipements installés dans la zone protégée sont considérablement améliorées. Cependant, il convient de souligner que non seulement le courant de grande amplitude peut être traité, mais plus important encore, la forme impulsionnelle du courant joue un rôle décisif. Les deux doivent être considérés simultanément. Par conséquent, bien que l’éclateur angulaire puisse également conduire des courants jusqu’à 100 kA, sa forme d’impulsion est plus courte (8/80 μs). Ces impulsions sont des impulsions de courant d’impulsion qui, jusqu’en octobre 1992, étaient la base de conception du développement des parafoudres à courant.
Bien que le parafoudre ait une bonne capacité de décharge, il a toujours ses défauts : sa tension résiduelle est aussi élevée que 2,5 ~ 3,5 kV. Par conséquent, lorsque le parafoudre est installé dans son ensemble, il doit être utilisé en combinaison avec d’autres parafoudres.
Ces produits comprennent principalement Limitor MB, Limitor NB-B, LimitorG-B, Limited GN-B de la société Asia Brown Boffary (ABB) ; DEHNportMaxi (10/350μs, 50kA/ phase), DEHNport255 (10/350μs, 75kA/phase) ; Allemagne Éclateur d’angle PHOENIX : FLT60-400 (10/350μs, phase 60kA), FLT25-400 (10/350μs, phase 25kA) ; le parasurtenseur PRF1 de Schneider ; La série VBF de MOELLER.
Les varistances fonctionnent comme autant de diodes suppressives bidirectionnelles en série et en parallèle et fonctionnent comme des résistances dépendantes de la tension. Lorsque la tension dépasse la tension spécifiée, la varistance peut conduire l’électricité ; Lorsque la tension est inférieure à la tension spécifiée, la varistance ne conduit pas l’électricité. De cette façon, la varistance peut jouer un rôle de limitation de tension parfait. Les varistances fonctionnent extrêmement rapidement, avec des temps de réponse de l’ordre de la nanoseconde.
La varistance couramment utilisée dans l’alimentation peut conduire le courant avec une limite d’impulsion de 40kA8/20us, elle est donc très appropriée pour le déchargeur du deuxième étage de l’alimentation. Mais il n’est pas idéal comme parafoudre. Il est consigné dans le document IEC1024-1 du Comité international de la technologie électronique que la quantité de charge à traiter est de 10/350 μs, ce qui équivaut à 20 fois la quantité de charge dans le cas d’une impulsion de 8/20 μs.
( 10/350) μs=20xQ(8/20) μs
On peut voir à partir de cette formule qu’il est essentiel non seulement de faire attention à l’amplitude du courant de décharge, mais aussi de faire attention à la forme de l’impulsion. L’inconvénient de la varistance est qu’elle est facile à vieillir et qu’elle a une capacité élevée. De plus, l’élément diode est décomposé. Étant donné que, dans la plupart des cas, un court-circuit se produit lorsque la jonction PN est surchargée, en fonction de la fréquence à laquelle elle est chargée, la varistance commence à tirer des courants de fuite qui peuvent provoquer des erreurs dans les circuits de test insensibles aux données de mesure. Dans le même temps, en particulier à des tensions nominales élevées, il générera une chaleur intense dans le cours.
La capacité élevée de la varistance rend dans de nombreux cas impossible son utilisation dans les lignes de transmission de signaux. La capacité et l’inductance du fil forment un circuit passe-bas qui atténue considérablement le signal. Mais l’atténuation en dessous d’environ 30 kHz est négligeable. Ces produits comprennent principalement le Limitor V, le VTS Limited, le Limitor VE, le Limitor VETS, le LimitorGE-S d’ABB ; Parafoudres remplaçables de la série PRD de Schneider ; les produits des séries VR7 et VS7 de MOELLER ; Allemagne DEHNguard385 (8/20μs, phase 40kA), DEHNguard275 (8/20μs, phase 40kA) ; VAL-MS400ST (8/20μs, phase 40kA), VAL-ME400ST/FM (8/20μs, 40kA/phase) de PHOENIX, Allemagne ; Ma Shen DB30-4A/B (8/20μs, 30kA/phase), DB40-4A/B (8/20μs, 40kA phase).
4 Installez un parasurtenseur selon le schéma de protection contre les surtensions
Un ensemble (type montage sur rail, type prise de courant, adaptateur) qui contient un seul élément de protection ou un circuit de protection combiné intégré selon les conditions techniques d’installation est appelé déchargeur.
Dans presque tous les cas, la protection contre les surtensions doit être divisée en au moins deux niveaux. Par exemple, chaque parafoudre ne contenant qu’un seul niveau de sécurité peut être installé à différents endroits de l’alimentation électrique. Le même parafoudre peut également avoir plusieurs niveaux de protection. Pour obtenir une protection adéquate contre les surtensions, les gens devront protéger la gamme des différentes divisions de compatibilité électromagnétique, cette gamme de protection, y compris de la zone de protection contre la foudre 0 à la zone de protection contre les surtensions 1 à 3, jusqu’à ce que la zone de protection contre les tensions d’interférence ait un numéro de série plus élevé. Les zones de protection de compatibilité électromagnétique 0 à 3 sont réglées pour éviter d’endommager l’équipement en raison d’un couplage à haute énergie. La protection de compatibilité électromagnétique avec un numéro de série plus élevé est configurée pour éviter la distorsion et la perte d’informations. Plus le numéro de la zone de protection est élevé, plus l’énergie de perturbation et le niveau de tension de perturbation attendus sont faibles. Les équipements électriques et électroniques à protéger sont installés dans un anneau de protection très efficace. Un tel anneau de protection peut concerner une seule pièce d’équipement électronique, un espace avec plusieurs types d’équipements électroniques, ou même un bâtiment entier qui le traverse. Les fils qui ont généralement un anneau de protection blindé dans l’espace sont connectés au parafoudre de protection contre la tension en même temps que l’équipement périphérique du cercle de protection.