Coordination des dispositifs de protection contre les surtensions

Les surtensions dues à la foudre contiennent des quantités importantes d'énergie qui doivent être détournées des équipements vulnérables, c'est-à-dire du système à protéger contre les surtensions. Les équipements électroniques marqués CE sont conçus avec une certaine immunité intégrée aux surtensions conformément à la norme CEI 61000-4-5. Ce niveau d'immunité sera suffisant pour la majorité des immeubles de bureaux où les équipements vulnérables sont situés loin de l'entrée de service électrique. Par conséquent, les équipements portant la marque CE fonctionneront bien sans protection contre les surtensions dans de nombreux environnements. Cependant, lorsque l'équipement vulnérable est installé à proximité de l'entrée de service électrique ou dans une enceinte extérieure, en particulier dans des zones avec un sol physique médiocre comme du sable sec ou de la roche, il est souvent nécessaire d'ajouter des dispositifs de protection contre les surtensions externes (SPD). La CEI recommande (CEI 61024) d'établir des zones de protection contre la foudre (LPZ) pour réduire successivement les courants de foudre par étapes, jusqu'à l'immunité intégrée de l'équipement vulnérable. Le nombre de zones requises dépend de la structure contenant l'installation et de l'équipement vulnérable. La norme CEI 61024 exige qu'un parafoudre soit installé à chaque limite de zone et que les valeurs nominales de courant de surtension et de tension des parafoudres individuels ne soient pas dépassées. Cet article explique l'objectif et le concept de la coordination des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) conformément à la norme CEI 61312.

Objectif de la coordination

Réduire progressivement la menace de foudre, par étapes (SPD 1, 2 et 3) jusqu'à la capacité de résistance aux surtensions de l'équipement vulnérable, sans dépasser les valeurs nominales de courant de surtension et de tension des SPD individuels. 

VarianteI

Notions de coordination

VarianteI

Comme le montre la figure 1, la tension nominale des SPD est identique et la coordination est obtenue en séparant chaque SPD au moyen d'une impédance série. La variante I n'est pas recommandée par la CEI, probablement parce qu'elle nécessiterait environ 10 m (30') de fil ou des inducteurs séparés entre chaque SPD, ce qui n'est pas pratique lors de l'installation d'équipements à proximité de l'entrée de service électrique ou dans des enceintes extérieures.

Variante II

Comme le montre la figure 2, les tensions nominales des SPD sont échelonnées. Le SPD de l'équipement vulnérable a la tension nominale la plus élevée et les SPD 3, 2 et 1 ont des tensions nominales progressivement plus basses, ce qui garantit que chaque SPD en amont détournera des courants progressivement plus élevés. La variante II est difficile à mettre en œuvre car la plupart des alimentations électriques, des systèmes d'alimentation sans interruption et des redresseurs de télécommunications, évalués à 230 V, utilisent des SPD d'entrée d'une valeur nominale de 275 V. Par conséquent, une réduction de la tension nominale entraînerait la destruction des SPD 1 et 2 par des fluctuations normales de la tension de ligne. L'expérience a montré que des fluctuations de plus de 10 %, aboutissant à 250 V, ne sont pas inhabituelles.

 Variante II

Variante III

Shown in Figure 3, Variant III includes a component with a non-linear current/voltage characteristic, such as a spark gap. The SPD 1 spark gap would divert the majority of the surge current and output a combined wave (similar to ANSI/IEEE C62.41-1991, Category B3, Combination Wave, 3000 A, 6000 V) to downstream SPDs 2 and 3. The voltage ratings of SPD 2 and 3 are identical, but each device will handle considerably less current thanks to the much higher energy handling capability of spark gap SPD 1. Variant III is a better choice than I or II because the spark gap is insensitive to fluctuations in line voltage. However, spark gap follow-on, short-circuit current may be an issue and the Metal Oxide Varistors (MOVs) will still be sensitive to line voltage fluctuations.

  Variant III

Variant III is a better choice than I or II as the spark gap is insensitive to fluctuations in line voltage.

Variant IV

Figure 4 shows a two-port hybrid device that incorporates cascaded stages of SPDs internally coordinated with series impedances. A hybrid device can be designed to maximize performance while reducing the undesirable characteristics of spark gaps and SPDs based on varistor or silicon-avalanche-diode technology. The use of a hybrid device eliminates the need to coordinate surge protective devices, but does not eliminate sensitivity to prolonged line over voltage.

   Variant IV

Summary

Equipment designed to conform to CE requirements has a built-in surge immunity level that is sufficient in most office applications. However, equipment installed close to the electric service entrance or in an outdoor enclosure, particularly in areas with a large number of lightning days, requires additional protection – especially if the physical ground is poor. Surge protective devices require coordination to perform well. The remnant voltage of the SPD closest to the vulnerable equipment, shall not exceed its built-in immunity level. Coordination of surge protective devices is not always easy and the best solution may be a two-port, hybrid device, which will simplify the planning and installation process. Because high line voltage will destroy varistor and silicon-avalanche devices that are rated too close to the line voltage, this must be considered when planning for protection in areas with unstable power lines.