Parafoudres connectés en parallèle et parafoudres/filtres connectés en série

Lors de la conception et de l'installation de systèmes de distribution d'énergie, les ingénieurs et les entrepreneurs doivent sélectionner des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) pour protéger les équipements et les systèmes électriques contre les surtensions transitoires. Pour ce faire, les rédacteurs de devis doivent comprendre les différences entre les SPD connectés en parallèle et en série, et où appliquer au mieux chaque type de dispositif. Le récit suivant résume la conception et la fonction des SPD connectés en parallèle et en série, et décrit certaines applications courantes pour chacun.

APERÇU

L'application appropriée consiste à savoir quel type d'appareil est installé et comment le SPD est connecté au système de distribution d'énergie. En général, un appareil connecté en parallèle est installé sur un tableau électrique ou un panneau de distribution, généralement sur un sectionneur de service dédié, tel qu'un disjoncteur. Alternativement, des filtres autonomes connectés en série sont connectés en ligne à proximité de l'équipement de charge protégé. La figure 1 et la figure 2 illustrent chaque type.

 

 

APPAREILS CONNECTÉS EN PARALLÈLE

Les SPD connectés en parallèle utilisent généralement des varistances à oxyde métallique (MOV) pour détourner les surtensions transitoires des charges. Ces composants sensibles à la tension ne conduisent que lorsque la surtension dépasse le niveau de blocage de la varistance. Comme le montrent les figures 3 et 4, ces SPD commencent à dériver l'excès de tension lorsque la tension dépasse le niveau de blocage. La tension résiduelle trouvée en dessous des niveaux de blocage, mais au-dessus de l'onde sinusoïdale, est appelée tension de passage.

 

Dans les SPD connectés en parallèle, les MOV sont fixés sur chaque mode du système électrique. La longueur des voies de surtension résultantes dépend de la longueur des conducteurs installés pour connecter l'unité à son circuit. La longueur des câbles a un effet direct sur les performances de l'appareil, des longueurs de câbles plus importantes équivalant à des tensions de passage plus élevées. Par conséquent, les SPD connectés en parallèle doivent être montés aussi près que possible des panneaux de distribution qu'ils protègent. La figure 5 montre les voies de surtension à travers un appareil connecté en parallèle.

 

Les SPD connectés en parallèle sont capables de bloquer les transitoires basse fréquence à haute énergie. Leurs avantages comprennent un coût inférieur et une taille plus petite que les dispositifs connectés en série, ainsi que des procédures d'installation qui ne nécessitent pas d'interruption de l'alimentation des charges. Leurs inconvénients comprennent des différences de performances en fonction de la longueur des câbles installés, des tensions de coupure instantanées qui varient en fonction de l'angle de phase et un manque d'atténuation du bruit haute fréquence.

APPAREILS CONNECTÉS EN SÉRIE

Series-connected devices fall into two broad categories – series-connected SPDs and series-connected filters. Typically, series-connected SPD designs are wired in series, but internal suppression components are connected in parallel to the circuit. The benefit of this configuration is that lead length is not added during installation, allowing the device to clamp impulses at tighter levels than a parallel-connect unit. The ampere ratings of series-connected units are limited by their lug or terminal block characteristics.

Series-connected filters are designed to protect sensitive equipment, such as computers and digitally controlled equipment, from high-frequency noise that could disrupt reliable operation. Manufacturers offer these products to provide protection from high-frequency, low-energy transient overvoltages as well as noise filtering. As shown in Figure 6, these devices mitigate voltage whenever transient voltages exceed the instantaneous nominal voltage by a specified amount, regardless of phase angle.

Series-connected filters use a low-pass circuit (consisting of series-connected inductors, capacitors, and resistors) to eliminate high-frequency noise. Because the entire load current passes through the components, the device must be designed to pass all of the current carried by the circuit it serves. As a result, series-connected filters are typically larger and more costly than parallel-connected devices.

Series-connected filters employ many different technologies. Figure 7 below shows a typical hybrid design with MOVs acting as a first line of defense, clamping the initial overvoltage event. The inductors and capacitors then mitigate the remaining let through voltage, providing a filtered sign wave to the connected equipment.

 

Figure 7: Phase-to-Ground, Phase-to-Neutral, and Neutral-to-Ground pathways in a series-connected filter

Benefits of series-connected devices include mitigation of potentially damaging high-frequency noise, a tighter clamping voltage, and performance that is independent of installation practices.

DEVICE SELECTION

During the design process, specifiers must decide where to use parallel-connected SPDs and where to use series-connected filters. The appropriate selection could depend on whether protection is needed against damage to equipment, disruption of operations, or both. It also depends on the location in the power distribution where the device will be installed.

Differing types of transients are likely to occur at different locations within a power distribution system. Studies show that 20-30 percent of transient overvoltages originate externally, from environmental and utility sources, and are more likely to consist of high-energy, low-frequency impulses. That means 70-80 percent originate from equipment and operations inside of a facility, and are more likely to consist of low-energy, high-frequency noise, such as ring waves. If destructive high-energy transients pose the greatest risks, then a parallel-connected device is likely to be the most cost effective solution. Consequently, parallel-connected devices are most often used at or near a building’s service entrance and on panels and equipment that manage large amounts of load. If sensitive equipment could be disrupted by highfrequency noise, then a series-connected filter may be the best choice. Where multiple types of transients may occur or where the characteristics of any power disturbance are unknown, then a staged strategy involving both parallel-connected and series-connected devices should be used. Effective protection is often provided when parallel-connected SPDs are installed at service entrances and distribution panels, and series-connected devices are installed near load equipment.

SUMMARY

Parallel-connected SPDs typically use voltage-sensitive MOVs that conduct current only when line voltage exceeds their maximum continuous operating voltage. Parallel-connected SPDs are capable of clamping high-energy, low-frequency transients.

Series-connected filters provide protection from low-energy transient overvoltages as well as noise filtering. These devices provide consistent clamping of let-through voltages regardless of phase angle, and are usually installed close to critical loads.

Cascading parallel-connected devices at service entrances and power distribution panels, coupled with series-connected devices at both load equipment and internal sources of transients and noise, can provide comprehensive protection from a range of potentially damaging and disruptive surge events.