Sélection de dispositifs de protection contre les surtensions

01 Définition et classification des dispositifs de protection contre les surtensions

1.Définition du dispositif de protection contre les surtensions
Un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) est un dispositif de protection non-linéaire utilisé dans les systèmes électriques sous tension pour limiter les surtensions transitoires et détourner les courants de surtension. Il est conçu pour protéger les systèmes électriques ou électroniques contre les dommages causés par la foudre, les surtensions de commutation et les courants d'appel.

2.Classification des dispositifs de protection contre les surtensions
Les SPD peuvent être classés en fonction des caractéristiques de leurs composants non-linéaires ou en fonction de leurs exigences d'application spécifiques dans différents systèmes.

2.1 Classification basée sur les caractéristiques des composants non-linéaires
(1) Type de commutation de tension SPD :
Présente une impédance élevée dans des conditions normales et passe à une impédance faible en cas de surtension. Les composants courants comprennent des éclateurs, des tubes à décharge gazeuse, des redresseurs contrôlés au silicium (SCR) ou des triacs. Également connu sous le nom de SPD « type Crowbar », il présente des caractéristiques de tension et de courant discontinues.

(2) Type SPD à limitation de tension :
Présente une impédance élevée dans des conditions normales, l'impédance diminuant continuellement à mesure que le courant de surtension et la tension augmentent. Les composants courants comprennent les varistances à oxyde métallique (MOV) et les diodes de suppression. Également connu sous le nom de SPD « de type à serrage », il présente des caractéristiques de tension et de courant continus.

(3) Type combiné SPD :
Composé de composants de commutation de tension et de limitation de tension. Ses caractéristiques peuvent se manifester par un type de commutation de tension, un type de limitation de tension ou une combinaison des deux, en fonction de la tension appliquée.

2.2 Classification basée sur les exigences d'application dans différents systèmes
Selon leur objectif, les SPD peuvent être classés en : SPD du système d'alimentation, SPD du système de signalisation et SPD du système d'alimentation d'antenne.

 

02 Paramètres clés pour la sélection des dispositifs de protection contre les surtensions

1.Sélection de la catégorie de test SPD
Les catégories de tests SPD sont classées en trois types : classe I, classe II et classe III. Généralement, les SPD de classe I ou de classe II sont utilisés dans les armoires de distribution principales ; Les SPD de classe II ou de classe III conviennent aux sous--panneaux de distribution et aux applications en aval. Les spécifications décrivent cela comme suit :

(1) Pour les lignes d'alimentation CA entrant dans un bâtiment, à la limite entre des zones telles que LPZ0A ou LPZ0B et LPZ1 (par exemple, l'armoire de distribution principale), un SPD testé de classe I ou de classe II doit être installé comme protection principale.
(2) Aux limites ultérieures des zones de protection, telles que les tableaux de distribution dans les circuits de dérivation ou les armoires de distribution d'énergie dans les salles d'équipement électronique, des SPD testés de classe II ou de classe III peuvent être installés comme protection secondaire.
(3) Pour les ports d'alimentation des équipements d'information électroniques particulièrement critiques, des SPD testés de classe II ou III peuvent être installés pour une protection fine. Pour les équipements d'information utilisant une alimentation CC, des SPD de ligne électrique CC appropriés doivent être installés en fonction de leurs exigences en matière de tension de fonctionnement.

2. Sélection de la tension de fonctionnement continue maximale
(1) La tension de fonctionnement continue maximale (Uc) est la tension efficace maximale (ou tension continue) qui peut être appliquée en continu à un SPD. Cette valeur sert de seuil pour le SPD ; lorsque la tension de fonctionnement dépasse cette valeur, le SPD s'active et le courant de fuite augmente de façon exponentielle.

(2) La sélection de Uc dépend du type de mise à la terre du système, de la tension du système et de la qualité de l'alimentation. La valeur Uc doit être supérieure à la tension normale de fonctionnement. Par exemple, dans un système TN de 380/220 V, l'écart de tension positif ne dépasse généralement pas 7 %. Cependant, dans la pratique, l'écart positif de tension en Chine dépasse souvent cette valeur. En considérant un écart de 10% et 5% supplémentaires pour les facteurs de vieillissement, Uc devrait être supérieur ou égal à 1,15Uo.

(3) Dans les endroits où l'écart de tension du système d'alimentation dépasse 10 % ou où les effets harmoniques provoquent une augmentation de l'amplitude de tension de fonctionnement normale, la valeur Uc du SPD doit être augmentée de manière appropriée en fonction de conditions spécifiques. Dans le même temps, la coordination entre le niveau de protection contre les surtensions (Up) et l'équipement protégé doit être prise en compte. Veuillez vous référer à la figure ci-dessous pour plus de détails, où Uo représente la tension de phase et U représente la tension de ligne.

 

Valeurs minimales de tension de fonctionnement continue maximale pour les dispositifs de protection contre les surtensions en fonction des caractéristiques du système

Connexion SPD	Système TN-S	Système TN-C	Système TT	Avec système informatique dérivé neutre	Sans système informatique dérivé neutre
L - N	Supérieur ou égal à 1,15 Uo	N/A	Supérieur ou égal à 1,15 Uo	Supérieur ou égal à 1,15 Uo	N/A
L - PE	Supérieur ou égal à 1,15 Uo	N/A	Supérieur ou égal à 1,15 Uo	Supérieur ou égal à √3 Uo	Supérieur ou égal à U
L - STYLO	N/A	Supérieur ou égal à 1,15 Uo	N/A	N/A	N/A
N - PE	N/A	N/A	N/A	Supérieur ou égal à 1,15 Uo	Supérieur ou égal à 1,15 Uo
L - L	Supérieur ou égal à 1,15 U	Supérieur ou égal à 1,15 U	Supérieur ou égal à 1,15 U	Supérieur ou égal à 1,15 U	Supérieur ou égal à 1,15 U

Dans les systèmes DC, la tension de fonctionnement continue maximale (Uc) d'un SPD est d'environ 1,5 fois la tension nominale du système protégé (en tant que valeur empirique).

 

3. Sélection du courant d'impulsion et du courant de décharge maximal

Le courant d'impulsion (Iimp) est généralement utilisé comme paramètre pour le test de charge d'action de classification de classe I d'un SPD, sa forme d'onde étant généralement de 10/350 μs.

Le courant de décharge maximal (Imax) est utilisé pour le test de classification de classe II d'un SPD. La sélection spécifique dépend du lieu d'exposition et peut être référencée dans le tableau ci-dessous.

Tableau 5.4.3-3 Valeurs recommandées pour les paramètres de courant d'impulsion et de courant de décharge nominal des dispositifs de protection contre les surtensions des lignes électriques

Niveau de protection contre la foudre	Armoire de distribution principale		Sous-armoire de distribution	Armoire de distribution de salle d'équipement et ports nécessitant une protection spéciale
	LPZ0 à LPZ1		LPZ1 à LPZ2	Limites ultérieures des zones de protection
	10/350μs (Test de classe I)	8/20μs (Test de classe II)	8/20μs (Test de classe II)	8/20μs (Test de classe II)	Onde composite (1,2/50 μs et 8/20 μs) (Test de classe III)
	Iimp (kA)	En (kA)	En (kA)	En (kA)	Uoc (kV) / Isc (kA)
A	Supérieur ou égal à 20	Supérieur ou égal à 80	Supérieur ou égal à 40	Supérieur ou égal à 5	Supérieur ou égal à 10/ Supérieur ou égal à 5
B	Supérieur ou égal à 15	Supérieur ou égal à 60	Supérieur ou égal à 30	Supérieur ou égal à 5	Supérieur ou égal à 10/ Supérieur ou égal à 5
C	Supérieur ou égal à 12,5	Supérieur ou égal à 50	Supérieur ou égal à 20	Supérieur ou égal à 3	Supérieur ou égal à 6/ Supérieur ou égal à 3
D	Supérieur ou égal à 12,5	Supérieur ou égal à 50	Supérieur ou égal à 10	Supérieur ou égal à 3	Supérieur ou égal à 6/ Supérieur ou égal à 3

 

4, sélection du niveau de protection contre la tension

Le niveau de protection de tension (Up) est un paramètre de performance d'un SPD qui limite la tension entre ses bornes. Pour les SPD de type à commutation de tension-, il s'agit de l'étincelle maximale-surtension sous un taux d'augmentation spécifié ; pour les SPD de type limitation de tension-, il fait référence à la tension résiduelle maximale sous une forme d'onde de courant spécifiée.

La somme du niveau de protection contre la tension (Up) du SPD et de la tension induite aux bornes de ses câbles de connexion doit être inférieure à la tension nominale de tenue aux chocs (Uw) de l'isolation du système et de l'équipement (voir la figure ci-dessous pour les valeurs Uw) et ne doit de préférence pas dépasser 80 % du niveau de tension de tenue de l'équipement protégé.

Tableau 5.4.3-1 Valeurs nominales de tension de tenue aux impulsions (Uw) pour divers équipements dans un système de distribution triphasé 220 V/380 V

Emplacement de l'équipement	Borne d'arrivée d'alimentation	Équipement de circuit de distribution de dérivation	Équipement d'utilisation	Équipement d’information électronique nécessitant une protection
Catégorie de tension de tenue aux impulsions	IV	III	II	I
Uw (kV)	6	4	2.5	1.5

 

5. Principes généraux de conception de la sélection des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD)

(1) Principe holistique.
Considérez la protection contre la foudre pour l'ensemble du système électromécanique du projet d'ingénierie de sécurité comme un objet de protection unifié. Il est essentiel d'assurer la protection contre la foudre de chaque sous-système tout en assurant une coordination efficace entre les différents sous-systèmes basse tension-et entre eux et les sous-systèmes d'alimentation et de distribution d'énergie. La configuration du système doit être systématique, économiquement raisonnable, sûre, fiable et inclure une redondance appropriée.

(2) Prévention intégrée.
Utilisez pleinement les mesures techniques traditionnelles de protection contre la foudre telles que « l'égalisation de potentiel, le blindage, la terminaison d'air, la dérivation, la mise à la terre et la protection ». Sélectionnez des dispositifs de terminaison d'air et des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) fiables pour mettre en œuvre une solution technique complète et fiable.

(3) Sélection rationnelle.
En fonction des caractéristiques spécifiques de l'environnement géographique du projet d'ingénierie de sécurité et de la zone de protection contre la foudre dans laquelle se trouve l'équipement électromécanique, sélectionnez les paramètres de performances électriques du SPD et les fonctionnalités du produit appropriés.

 

03 Paramètres de sélection pour chaque niveau de dispositifs de protection contre les surtensions

1.SPD1

Si le dispositif de protection contre les surtensions de premier-niveau SPD1 est installé dans la salle de distribution électrique principale d'un bâtiment, trois SPD de type à commutation de tension-sont généralement suffisants pour répondre aux exigences du système. Même dans le système d'alimentation électrique actuel de la Chine, qui adopte une configuration TN-S, le neutre (N) et la terre de protection (PE) sont reliés en un seul point dans la salle de distribution principale. Par conséquent, l'installation de trois SPD de type commutation de tension-dans l'armoire de distribution principale de la salle de distribution électrique est efficace. Il n'est pas nécessaire d'installer un SPD supplémentaire entre N et PE.

Les paramètres de sélection recommandés pour SPD1 sont les suivants :

Tension de fonctionnement continue maximale :Uc=440V

Courant de décharge maximal :Généralement conçu et calculé selon les exigences du code ou référencé à partir de normes.

Niveau de protection :Inférieur ou égal à 2,5 kV

Temps de réponse :tA Inférieur ou égal à 100ns

2.SPD2

Le dispositif de protection contre les surtensions de deuxième-niveau est le produit le plus largement utilisé. Les situations dans lesquelles des impulsions électromagnétiques de foudre peuvent induire des surintensités supérieures à 20 kA sur les lignes électriques pénétrant dans les zones LPZ1 sont relativement rares. Par conséquent, le courant de décharge nominal (In) pour le SPD de deuxième-niveau, en tant que SPD de type limiteur de tension-, est généralement spécifié entre 20 et 40 kA.

Les paramètres de sélection recommandés pour SPD2 sont les suivants :

Tension de fonctionnement continue maximale :Uc=260~320 V

Courant de décharge nominal (8/20μs) :En=20kA

Courant de décharge maximal (8/20 μs) :Imax=40kA

Niveau de protection :Inférieur ou égal à 1,5 kV

Temps de réponse :tA Inférieur ou égal à 25ns

3.SPD3

Le dispositif de protection contre les surtensions de troisième-niveau est généralement installé à l'avant des équipements importants, servant de-protection fine.

Les paramètres de sélection recommandés pour SPD3 sont les suivants :

Tension de fonctionnement continue maximale :Uc=255V

Courant de décharge nominal (8/20μs) :

Dans (L → N)=3kA

Dans (N → PE)=5 kA

Niveau de protection de tension (haut) :

L → N Inférieur ou égal à 1,25 kV

L → PE Inférieur ou égal à 1,5 kV

Temps de réponse :tA Inférieur ou égal à 25ns

04 Exigences d'installation des dispositifs de protection contre les surtensions

Les trois exigences fondamentales pour l’installation et l’utilisation des SPD :

(1)Après l'installation d'un SPD, dans des conditions normales de fonctionnement sans surtensions, le SPD ne doit pas nuire au fonctionnement du système électrique (ou électronique).

(2)Après l'installation d'un SPD, en cas de surtension, le SPD doit être capable de résister au courant de foudre attendu sans dommage, tout en limitant la surtension et en détournant le courant de surtension.

(3)Une fois le courant de surtension passé, le SPD doit rapidement revenir à un état d'impédance élevée-et interrompre le courant de suivi de fréquence d'alimentation-.

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