Ces dernières années, avec l’avancée de la science et de la technologie, la nation technologique des appareils ménagers, et l’amélioration des besoins en énergie pour les équipements électroniques, il existe un grand nombre de circuits intégrés à grande échelle ou ultra-grande qui sont très sensibles à la surtension à l’intérieur de ces équipements électroniques, de sorte que la perte causée par la tension augmente. Dans cette situation, le « Code pour la conception des bâtiments contre la foudre » GB50057-94 (édition 2000) a ajouté le chapitre VI - Protection contre la foudre et impulsions électromagnétiques. Selon cette exigence, certains fabricants ont également introduit des produits de protection contre la surtension associés, que nous appelons souvent des 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 contre la compatibilité électromagnétique. Les caractéristiques physiques des composants de décharge dans différents dispositifs de protection contre la surtension présentent des avantages et des inconvénients dans les applications pratiques, de sorte que les circuits de protection utilisant plusieurs composants sont plus largement utilisés.
Cependant, il peut répondre à toutes les exigences techniques de l’arrête-courant capable de conduire un courant impulsionné de 10/350μs avec le niveau technique contemporain, du parasurtenseur branchable pour la distribution secondaire, du dispositif de protection électrique et du filtre d’alimentation. Par conséquent, la gamme de produits est rare. De plus, cette gamme de produits devrait inclure des arrête-cartes 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 électronique de données, ainsi que la communication sans fil et filaire, afin que les clients puissent les utiliser.
Une brève introduction à plusieurs produits de protection contre les surtensions couramment utilisés ainsi qu’une brève analyse de leurs caractéristiques et des circonstances applicables sont proposées.
1 Système de liaison équipotentielle
Le principe de base de la protection contre la surtension est que la surtension transitoire se produit à l’instant (niveau microseconde ou nanoseconde). Un équipotentiel doit être atteint entre toutes les parties 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 dispositifs électriques et de télécommunications, etc., dans l’espace où une 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 ces dispositifs ne peuvent pas être isolés des autres installations et personnes du bâtiment, ils doivent adopter une liaison équipotentielle. » Lors de l’établissement de ce réseau de liaison équipotentielle, il faut veiller à maintenir la distance la plus courte possible entre l’équipement électrique et électronique qui doit échanger les informations et les fils de connexion entre la ceinture 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 a peu 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 significativement l’inductance du système de compensation potentielle. Pour mettre ces deux éléments 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. En se basant sur le concept de la plaque métallique, la structure en ligne, en étoile ou en maille peut être utilisée lors de la rétroinstallation du système de liaison équipotentielle. En principe, seule l’équipotentialité maillée doit être utilisée lors de la conception d’un nouvel équipement — système de liaison.
2 Connecter les lignes d’alimentation au système de liaison équipotentielle
La tension ou courant transitoire signifie que son temps d’existence n’est que des microsecondes ou nanosecondes. Le principe de base de la protection contre les surtensions est d’établir un équipotentiel entre toutes les parties conductrices dans la zone protégée pendant une courte période lorsque la surtension transitoire existe. De tels éléments conducteurs incluent également les lignes électriques dans les circuits électriques. Il faut donc des composants qui répondent plus rapidement que les microsecondes, notamment pour les décharges électrostatiques.
Trop vite que des nanosecondes. De tels éléments sont capables de fournir des courants puissants pouvant atteindre plusieurs dix mille ampères en de courtes périodes. Des vents allant jusqu’à 50 kA sont calculés à des impulsions de 10/350 μS dans des conditions attendues de foudre. Grâce à un dispositif complet de liaison équipotentielle, un îlot équipotentielle peut se former rapidement, et la différence de potentiel de cet îlot équipotentielle à 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 significatives de potentiel.
3 Installation et fonctionnement du parasurtenseur
Les composants électriques de protection contre les surtensions se divisent en caractéristiques de réponse souples et complexes. Les éléments de décharge présentant des caractéristiques de réponse dure incluent les tubes de décharge de gaz et les déchargeurs de gap de décharge, soit des écarts d’étincelle angulaires basés sur la technologie de coupe d’arc, soit des interstices d’étincelle à décharge coaxiale. Les éléments de décharge appartenant aux caractéristiques de réponse douce incluent les varistors et les diodes suppresseurs. (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. Comme ces composants présentent des avantages et des inconvénients, les gens les combinent en circuits de protection spéciaux pour favoriser leurs forces et éviter les faiblesses. Les parasurtenseurs couramment utilisés dans les bâtiments civils sont principalement des pare-surtensions de type décharge et des pare-paravents varistors.
Les courants d’éclair et post-foudre nécessitent des décharges extrêmement puissantes. Pour conduire le courant électrique à travers le système de liaison équipotentielle vers le dispositif de mise à la terre, il est recommandé d’utiliser des pare-éclairs à courant avec des intervalles angulaires selon la technique de découpe à arc. Seul lui peut conduire un courant d’impulsion de 10/350μs supérieur à 50 kA et réaliser l’extinction automatique par arc. La tension nominale de cette application peut atteindre 400 V. De plus, cet arrêt-circuit ne provoquera pas la grille d’un fusible de 125A lorsque le courant de court-circuit atteint 4 kA.
Grâce à ses bonnes performances, les caractéristiques de fonctionnement ininterrompu des instruments et équipements installés dans la zone protégée sont grandement améliorées. Cependant, il convient de souligner que non seulement le courant à haute amplitude peut être traité, mais plus important encore, la forme impulsionnelle du courant joue un rôle décisif. Les deux doivent être considérés simultanément. Ainsi, bien que l’écart angulaire puisse aussi conduire des courants allant jusqu’à 100 kA, sa forme d’impulsion est plus courte (8/80μs). Ces impulsions sont des impulsions à courant impulsionnel, qui jusqu’en octobre 1992 ont servi de base à la conception des parafoudres.
Bien que l’arrêt-courant ait une bonne capacité de décharge, il présente toujours ses défauts : sa tension résiduelle peut atteindre 2,5~3,5 kV. Par conséquent, lorsque l’arrêt-éclair est installé dans son ensemble, il doit être utilisé en combinaison avec d’autres pare-éclairs.
Ces produits incluent 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) ; Écart d’étincelle d’angle PHOENIX Allemagne : FLT60-400 (phase 10/350μs, 60kA), FLT25-400 (phase 10/350μs, 25kA) ; le protecteur contre surtension PRF1 de Schneider ; La série VBF de MOELLER.
Les varistors fonctionnent autant que de nombreuses diodes suppressrices bidirectionnelles en série et en parallèle et fonctionnent comme des résistances dépendantes de la tension. Lorsque la tension dépasse la tension spécifiée, le varistor peut conduire l’électricité ; lorsque la tension est inférieure à la tension spécifiée, le varistor ne conduit pas l’électricité. De cette façon, le varistor peut jouer un rôle parfait de limitation de tension. Les varistors agissent extrêmement rapidement, avec des temps de réponse de l’ordre de quelques nanosecondes.
Le varistor couramment utilisé dans l’alimentation peut conduire le courant avec une limite d’impulsion de 40kA8/20us, il est donc très adapté au déchargeur de deuxième étage de l’alimentation. Mais ce n’est pas idéal comme para-éclairs. Il est consigné dans le document IEC1024-1 du Comité international de technologie électronique que la charge à traiter est de 10/350μs, ce qui équivaut à 20 fois la charge dans le cas d’une impulsion de 8/20μs.
( 10/350) μs = 20xQ(8/20) μs
On peut voir à partir de cette formule qu’il est essentiel non seulement de prêter attention à l’amplitude du courant de décharge, mais aussi à la forme de l’impulsion. L’inconvénient du varistor est qu’il vieillit facilement et possède une forte capacité. De plus, l’élément de diode est décomposé. Puisque, dans la plupart des cas, un court-circuit se produit lorsque la jonction PN est surchargée, selon la fréquence de charge, le varistor commence à tirer des courants de fuite qui peuvent provoquer des erreurs dans les circuits de test insensibles aux données de mesure. En même temps, surtout à haute tension, il génère une chaleur intense au cours du parcours.
La forte capacité du varistor rend son utilisation impossible dans les lignes de transmission de signal dans de nombreux cas. La capacité et l’inductance du fil forment un circuit passe-bas qui atténue significativement le signal. Mais l’atténuation en dessous d’environ 30 kHz est négligeable. Ces produits incluent principalement le Limitor V, Limited VTS, Limitor VE, Limitor VETS, LimitorGE-S de l’ABB ; les parasurtenseurs remplaçables de la série PRD de Schneider ; les produits VR7 et VS7 de MOELLER ; DEHNguard385 allemand (phase 8/20μs, 40kA), DEHNguard275 (phase 8/20μs, 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, phase 40kA).
4 Installer un parasurtenseur selon le schéma de protection contre les surtensions
Un ensemble (type de montage sur rail, type de prise électrique, adaptateur) contenant un seul élément de protection ou un circuit de protection combiné intégré selon les conditions techniques d’installation est appelé un déchargeur.
La protection contre la surtension doit dans presque tous les cas être divisée en au moins deux niveaux. Par exemple, chaque arrêt-arrêt contenant un seul niveau de sécurité peut être installé à différents endroits de l’alimentation. Le même arrêt-arrêt peut également avoir plusieurs niveaux de protection. Pour obtenir une protection adéquate contre la surtension, il faudra protéger la plage des différentes divisions de compatibilité électromagnétique, cette plage de protection, y compris de la zone de protection contre la foudre 0 à la zone de protection contre la surtension 1 à 3, jusqu’à ce que la zone de protection contre la tension d’interférence ait un numéro de série plus élevé. Les zones de protection de compatibilité électromagnétique 0 à 3 sont réglées pour éviter les dommages de l’équipement dus à un couplage à haute énergie. La protection de compatibilité électromagnétique avec un numéro de série supérieur est conçue pour éviter la distorsion et la perte d’informations. Plus le numéro de zone de protection est élevé, plus l’énergie de perturbation attendue et le niveau de tension de perturbation sont faibles. Les équipements électriques et électroniques nécessitant une protection sont installés dans un anneau de protection très efficace. Un tel anneau de protection peut concerner un seul appareil électronique, un espace comportant plusieurs types d’équipements électroniques, ou même un bâtiment entier qui le traverse. Les fils qui possèdent généralement un anneau de protection blindé en espace sont connectés à l’arrêt-tension en même temps que l’équipement périphérique du cercle de protection.
Cependant, il peut répondre à toutes les exigences techniques de l’arrête-courant capable de conduire un courant impulsionné de 10/350μs avec le niveau technique contemporain, du parasurtenseur branchable pour la distribution secondaire, du dispositif de protection électrique et du filtre d’alimentation. Par conséquent, la gamme de produits est rare. De plus, cette gamme de produits devrait inclure des arrête-cartes 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 électronique de données, ainsi que la communication sans fil et filaire, afin que les clients puissent les utiliser.
Une brève introduction à plusieurs produits de protection contre les surtensions couramment utilisés ainsi qu’une brève analyse de leurs caractéristiques et des circonstances applicables sont proposées.
1 Système de liaison équipotentielle
Le principe de base de la protection contre la surtension est que la surtension transitoire se produit à l’instant (niveau microseconde ou nanoseconde). Un équipotentiel doit être atteint entre toutes les parties 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 dispositifs électriques et de télécommunications, etc., dans l’espace où une 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 ces dispositifs ne peuvent pas être isolés des autres installations et personnes du bâtiment, ils doivent adopter une liaison équipotentielle. » Lors de l’établissement de ce réseau de liaison équipotentielle, il faut veiller à maintenir la distance la plus courte possible entre l’équipement électrique et électronique qui doit échanger les informations et les fils de connexion entre la ceinture 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 a peu 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 significativement l’inductance du système de compensation potentielle. Pour mettre ces deux éléments 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. En se basant sur le concept de la plaque métallique, la structure en ligne, en étoile ou en maille peut être utilisée lors de la rétroinstallation du système de liaison équipotentielle. En principe, seule l’équipotentialité maillée doit être utilisée lors de la conception d’un nouvel équipement — système de liaison.
2 Connecter les lignes d’alimentation au système de liaison équipotentielle
La tension ou courant transitoire signifie que son temps d’existence n’est que des microsecondes ou nanosecondes. Le principe de base de la protection contre les surtensions est d’établir un équipotentiel entre toutes les parties conductrices dans la zone protégée pendant une courte période lorsque la surtension transitoire existe. De tels éléments conducteurs incluent également les lignes électriques dans les circuits électriques. Il faut donc des composants qui répondent plus rapidement que les microsecondes, notamment pour les décharges électrostatiques.
Trop vite que des nanosecondes. De tels éléments sont capables de fournir des courants puissants pouvant atteindre plusieurs dix mille ampères en de courtes périodes. Des vents allant jusqu’à 50 kA sont calculés à des impulsions de 10/350 μS dans des conditions attendues de foudre. Grâce à un dispositif complet de liaison équipotentielle, un îlot équipotentielle peut se former rapidement, et la différence de potentiel de cet îlot équipotentielle à 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 significatives de potentiel.
3 Installation et fonctionnement du parasurtenseur
Les composants électriques de protection contre les surtensions se divisent en caractéristiques de réponse souples et complexes. Les éléments de décharge présentant des caractéristiques de réponse dure incluent les tubes de décharge de gaz et les déchargeurs de gap de décharge, soit des écarts d’étincelle angulaires basés sur la technologie de coupe d’arc, soit des interstices d’étincelle à décharge coaxiale. Les éléments de décharge appartenant aux caractéristiques de réponse douce incluent les varistors et les diodes suppresseurs. (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. Comme ces composants présentent des avantages et des inconvénients, les gens les combinent en circuits de protection spéciaux pour favoriser leurs forces et éviter les faiblesses. Les parasurtenseurs couramment utilisés dans les bâtiments civils sont principalement des pare-surtensions de type décharge et des pare-paravents varistors.
Les courants d’éclair et post-foudre nécessitent des décharges extrêmement puissantes. Pour conduire le courant électrique à travers le système de liaison équipotentielle vers le dispositif de mise à la terre, il est recommandé d’utiliser des pare-éclairs à courant avec des intervalles angulaires selon la technique de découpe à arc. Seul lui peut conduire un courant d’impulsion de 10/350μs supérieur à 50 kA et réaliser l’extinction automatique par arc. La tension nominale de cette application peut atteindre 400 V. De plus, cet arrêt-circuit ne provoquera pas la grille d’un fusible de 125A lorsque le courant de court-circuit atteint 4 kA.
Grâce à ses bonnes performances, les caractéristiques de fonctionnement ininterrompu des instruments et équipements installés dans la zone protégée sont grandement améliorées. Cependant, il convient de souligner que non seulement le courant à haute amplitude peut être traité, mais plus important encore, la forme impulsionnelle du courant joue un rôle décisif. Les deux doivent être considérés simultanément. Ainsi, bien que l’écart angulaire puisse aussi conduire des courants allant jusqu’à 100 kA, sa forme d’impulsion est plus courte (8/80μs). Ces impulsions sont des impulsions à courant impulsionnel, qui jusqu’en octobre 1992 ont servi de base à la conception des parafoudres.
Bien que l’arrêt-courant ait une bonne capacité de décharge, il présente toujours ses défauts : sa tension résiduelle peut atteindre 2,5~3,5 kV. Par conséquent, lorsque l’arrêt-éclair est installé dans son ensemble, il doit être utilisé en combinaison avec d’autres pare-éclairs.
Ces produits incluent 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) ; Écart d’étincelle d’angle PHOENIX Allemagne : FLT60-400 (phase 10/350μs, 60kA), FLT25-400 (phase 10/350μs, 25kA) ; le protecteur contre surtension PRF1 de Schneider ; La série VBF de MOELLER.
Les varistors fonctionnent autant que de nombreuses diodes suppressrices bidirectionnelles en série et en parallèle et fonctionnent comme des résistances dépendantes de la tension. Lorsque la tension dépasse la tension spécifiée, le varistor peut conduire l’électricité ; lorsque la tension est inférieure à la tension spécifiée, le varistor ne conduit pas l’électricité. De cette façon, le varistor peut jouer un rôle parfait de limitation de tension. Les varistors agissent extrêmement rapidement, avec des temps de réponse de l’ordre de quelques nanosecondes.
Le varistor couramment utilisé dans l’alimentation peut conduire le courant avec une limite d’impulsion de 40kA8/20us, il est donc très adapté au déchargeur de deuxième étage de l’alimentation. Mais ce n’est pas idéal comme para-éclairs. Il est consigné dans le document IEC1024-1 du Comité international de technologie électronique que la charge à traiter est de 10/350μs, ce qui équivaut à 20 fois la charge dans le cas d’une impulsion de 8/20μs.
( 10/350) μs = 20xQ(8/20) μs
On peut voir à partir de cette formule qu’il est essentiel non seulement de prêter attention à l’amplitude du courant de décharge, mais aussi à la forme de l’impulsion. L’inconvénient du varistor est qu’il vieillit facilement et possède une forte capacité. De plus, l’élément de diode est décomposé. Puisque, dans la plupart des cas, un court-circuit se produit lorsque la jonction PN est surchargée, selon la fréquence de charge, le varistor commence à tirer des courants de fuite qui peuvent provoquer des erreurs dans les circuits de test insensibles aux données de mesure. En même temps, surtout à haute tension, il génère une chaleur intense au cours du parcours.
La forte capacité du varistor rend son utilisation impossible dans les lignes de transmission de signal dans de nombreux cas. La capacité et l’inductance du fil forment un circuit passe-bas qui atténue significativement le signal. Mais l’atténuation en dessous d’environ 30 kHz est négligeable. Ces produits incluent principalement le Limitor V, Limited VTS, Limitor VE, Limitor VETS, LimitorGE-S de l’ABB ; les parasurtenseurs remplaçables de la série PRD de Schneider ; les produits VR7 et VS7 de MOELLER ; DEHNguard385 allemand (phase 8/20μs, 40kA), DEHNguard275 (phase 8/20μs, 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, phase 40kA).
4 Installer un parasurtenseur selon le schéma de protection contre les surtensions
Un ensemble (type de montage sur rail, type de prise électrique, adaptateur) contenant un seul élément de protection ou un circuit de protection combiné intégré selon les conditions techniques d’installation est appelé un déchargeur.
La protection contre la surtension doit dans presque tous les cas être divisée en au moins deux niveaux. Par exemple, chaque arrêt-arrêt contenant un seul niveau de sécurité peut être installé à différents endroits de l’alimentation. Le même arrêt-arrêt peut également avoir plusieurs niveaux de protection. Pour obtenir une protection adéquate contre la surtension, il faudra protéger la plage des différentes divisions de compatibilité électromagnétique, cette plage de protection, y compris de la zone de protection contre la foudre 0 à la zone de protection contre la surtension 1 à 3, jusqu’à ce que la zone de protection contre la tension d’interférence ait un numéro de série plus élevé. Les zones de protection de compatibilité électromagnétique 0 à 3 sont réglées pour éviter les dommages de l’équipement dus à un couplage à haute énergie. La protection de compatibilité électromagnétique avec un numéro de série supérieur est conçue pour éviter la distorsion et la perte d’informations. Plus le numéro de zone de protection est élevé, plus l’énergie de perturbation attendue et le niveau de tension de perturbation sont faibles. Les équipements électriques et électroniques nécessitant une protection sont installés dans un anneau de protection très efficace. Un tel anneau de protection peut concerner un seul appareil électronique, un espace comportant plusieurs types d’équipements électroniques, ou même un bâtiment entier qui le traverse. Les fils qui possèdent généralement un anneau de protection blindé en espace sont connectés à l’arrêt-tension en même temps que l’équipement périphérique du cercle de protection.