Avantages du dispositif de protection contre les surtensions 3PN (SPD) par rapport au SPD 4P dans les systèmes basse tension

Avantages du dispositif de protection contre les surtensions 3PN (SPD) par rapport au SPD 4P dans les systèmes basse tension

 

Dans les réseaux de distribution basse tension CA, les parafoudres (PARFUM) jouent un rôle essentiel dans la protection des équipements électriques contre les surtensions transitoires. Parmi les configurations de PARFUM, les types 3PN (« 3+1 ») et 4P (« 4+0 ») sont couramment utilisés. Bien que ces deux conceptions utilisent des composants limiteurs de tension (par exemple, des varistances à oxyde métallique ou MOV) pour la protection phase-neutre (LN) et phase-terre (L-PE), leur principale différence réside dans le composant de protection neutre-terre (N-PE). Cette distinction a un impact significatif sur leurs performances dans des conditions de défaut spécifiques, rendant le PARFUM 3PN supérieur dans les scénarios impliquant une élévation du potentiel du point neutre. Cet article analyse les arguments techniques justifiant cet avantage.

 

Différences structurelles entre les parafoudres 3PN et 4P

• SPD de type 4P : les quatre pôles (L1-N, L2-N, L3-N et N-PE) utilisent des composants limiteurs de tension (MOV).  
• SPD de type 3PN : les pôles LN utilisent des MOV, tandis que le pôle N-PE utilise un composant de commutation de tension, généralement un tube à décharge de gaz (GDT).  

Cette divergence dans la conception de la protection N-PE répond directement à un scénario de défaut critique : l'élévation du potentiel du point neutre lors des défauts à la terre des transformateurs moyenne tension (MT) .

 

Élévation du point neutre et ses risques

Dans les réseaux électriques, les transformateurs sont généralement mis à la terre au point neutre. Lorsqu'un transformateur MT subit un défaut à la terre, le courant traverse la résistance de terre (Rg), augmentant le potentiel du point neutre (V _N ) conformément à la loi d'Ohm :  

V _N = I _défaut X Rg

Par exemple, selon la norme chinoise GB 50057-2010, Rg ≤ 4 Ω. Si le courant de défaut atteint 300 A (seuil courant de coupure de circuit), V _N  augmente à :  

V _N = 300AX 4Ω= 1200V

Cette surtension de 1 200 V se propage le long du conducteur neutre jusqu'aux systèmes en aval. La norme GB/T 18802.11-2020 exige que les SPD résistent à un test de 1 200 V sur le chemin N-PE pour simuler cette condition.

 

Mécanisme de défaillance des MOV dans le chemin N-PE

Dans un SPD de type 4P, le MOV N-PE est confronté à deux défis dans ce scénario :  

1. Dépassement de tension de blocage : la surtension de 1 200 V dépasse largement la tension maximale de fonctionnement continu (Uc) des MOV classiques (par exemple, 440-600 V). Cela provoque une panne immédiate.  

2. Emballement thermique : Après un claquage, la vanne MOV conduit un courant de défaut continu. Avant que le déconnecteur thermique ne puisse s'activer, la dissipation d'énergie (\(I^2t\)) entraîne souvent une surchauffe, un incendie ou la destruction du parafoudre.  

 

Avantages des GDT dans les parafoudres de type 3PN

Le SPD de type 3PN remplace le MOV N-PE par un GDT, qui offre :  

1. Tension de tenue plus élevée : les GDT ont une tension d'amorçage plus élevée (par exemple, 600-1500 V), ce qui leur permet de rester inactifs dans des conditions normales mais de s'activer lors de surtensions sévères comme le défaut de 1200 V.  

2. Current Interruption Capability: Once triggered, GDTs extinguish the arc after the transient, preventing sustained conduction. This avoids thermal stress and ensures SPD survivability.  

3. Energy Coordination: The GDT’s delayed response aligns with upstream MOVs, enabling staged energy dissipation. MOVs handle fast transients (e.g., lightning surges), while the GDT addresses low-frequency, high-magnitude faults.  

 

Compliance with Standards and Safety

The GB/T 18802.11-2020 test validates that only SPDs with voltage-switching components (GDTs) in the N-PE path can safely endure 1200 V overvoltages. 4P-type SPDs, relying solely on MOVs, risk catastrophic failure in this scenario. The 3PN design thus aligns with regulatory requirements while enhancing fire safety and equipment reliability.

 

Conclusion

The 3PN-type SPD’s hybrid design —combining MOVs for L-N protection and a GDT for N-PE protection— provides a robust defense against neutral-point elevation faults. By mitigating thermal runaway risks and complying with rigorous testing standards, the 3PN configuration outperforms the 4P-type SPD in systems prone to ground faults. Engineers and designers should prioritize this topology in applications where neutral conductor overvoltages are a foreseeable risk, ensuring both compliance and operational resilience.