Comprendre les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD)
Définition et fonction principale
A dispositif de protection contre les surtensions (SPD) Il s'agit d'un dispositif de protection limitant les surtensions transitoires en déviant ou en limitant les surtensions. Il est capable de répéter ces fonctions selon les spécifications. Les parafoudres étaient auparavant appelés suppresseurs de surtensions transitoires (TVSS) ou parafoudres secondaires (SSA), mais la terminologie a été normalisée en SPD avec l'adoption de la norme ANSI/UL 1449 3e édition en 2009.
Le principe fondamental des parafoudres repose sur la connexion en parallèle du circuit d'alimentation des charges qu'ils protègent. Un parafoudre connecté en parallèle présente une impédance élevée. Dès l'apparition d'une surtension transitoire dans le système, l'impédance du dispositif diminue, ce qui provoque un courant de surtension dans le parafoudre, contournant ainsi les équipements sensibles.
Système de classification SPD
Selon le National Electrical Code (NEC) et la norme ANSI/UL 1449, les SPD sont classés en trois types principaux en fonction de leur emplacement d'installation et de leur application prévue :
SPD de type 1 : protection des entrées de service
Type 1 : Raccordés en permanence, destinés à être installés entre le secondaire du transformateur de service et le côté ligne du dispositif de coupure de surintensité (équipement de service). Leur fonction principale est de protéger l'isolation du système électrique contre les surtensions externes causées par la foudre ou la commutation des batteries de condensateurs.
Principales spécifications :
– Onde de courant : courant d'impulsion 10/350 µs
– Courant admissible : 50 000 à 200 000 ampères
– Installation : Équipement d’entrée de service
– Protection primaire contre les coups de foudre directs
SPD de type 2 : protection du panneau de distribution
Type 2 : Raccordement permanent, destiné à être installé côté charge du dispositif de coupure de courant de service (équipement de service), y compris sur les panneaux de marque. Leur fonction principale est de protéger les charges électroniques sensibles et les charges à microprocesseur contre l'énergie résiduelle de la foudre, les surtensions générées par les moteurs et autres surtensions internes.
Principales spécifications :
– Onde de courant : onde de courant 8/20 µs
– Courant admissible : 20 000 à 100 000 ampères
– Installation : Tableaux de distribution et centres de charge
– Protection primaire des systèmes électriques des bâtiments
DPS de type 3 : Protection au point d'utilisation
Type 3 : SPD au point d'utilisation installés à une longueur de conducteur minimale de 10 mètres (30 pieds) du panneau de service électrique au point d'utilisation.
Principales spécifications :
– Onde de courant : Combinaison de tension 1,2/50 μs et de courant 8/20 μs
– Courant admissible : 5 000 à 20 000 ampères
– Installation : À proximité d’équipements protégés
– Couche finale de protection localisée
Autres méthodes de protection contre les surtensions électriques
Systèmes d'alimentation sans interruption (UPS)
Les systèmes UPS offrent une protection électrique complète qui va au-delà de la simple protection contre les surtensions. Ces appareils surveillent en permanence la tension d'entrée et réagissent aux problèmes de qualité de l'alimentation en basculant sur batterie en cas de panne ou de perturbations importantes.
Caractéristiques de protection de l'onduleur :
– Temps de réponse: 2 à 10 millisecondes pour le transfert de puissance
– Champ d'application de la protection:Niveau d'équipement individuel
– Gestion actuelle: Variable en fonction de la capacité de l'unité
– Fonctions supplémentaires: Batterie de secours, conditionnement de l'énergie, régulation de tension
– Fourchette de coûts: $100-5 000+ selon la capacité
Limitations de l'onduleur pour la protection contre les surtensions :
– Temps de réponse plus lent par rapport aux SPD
– Capacité limitée de gestion des courants de surtension
– Nécessite un entretien et un remplacement de la batterie
– Non conçu pour les surtensions de foudre à haute énergie
Multiprises avec protection contre les surtensions et multiprises de base
Multiprises de base
Une multiprise est un ensemble de prises électriques permettant d'alimenter plusieurs appareils électriques à partir d'une seule prise. Les multiprises classiques n'offrent aucune protection contre les surtensions, malgré leur ressemblance visuelle avec les parasurtenseurs.
Caractéristiques :
– Fonction : Distribution d’énergie uniquement
– Protection : Disjoncteur pour surcharges uniquement
– Temps de réponse : Aucune capacité de protection contre les surtensions
– Coût : $10-30
– Application : Appareils non critiques où la protection contre les surtensions n'est pas nécessaire
Multiprises parasurtenseurs grand public
La principale différence entre un parasurtenseur et une multiprise réside dans le fait que le premier contient un MOV. Ce MOV détourne les surtensions électriques dangereuses des appareils connectés.
Caractéristiques :
– Courant admissible : 1 000 à 4 000 joules généralement
– Temps de réponse : 25 nanosecondes (basé sur MOV)
– Portée de la protection : Seuls les appareils branchés directement sur la multiprise
– Tension de serrage : 330-600 volts
– Durée de vie : se dégrade à chaque surtension
Varistances à oxyde métallique (MOV)
Les varistances à oxyde métallique sont des résistances dépendantes de la tension qui constituent la technologie de base de la plupart des parafoudres grand public. Elles contiennent une matrice céramique de grains d'oxyde de zinc dont les joints de grains forment des jonctions de diodes.
Fonctionnement du MOV :
– Conditions normales:Haute résistance avec un flux de courant minimal
– Conditions de surtension:La rupture de l'avalanche crée un chemin de faible résistance
– Temps de réponse: 25 nanosecondes
– Gestion actuelle: 1 000 à 20 000 ampères selon la taille
Limitations du MOV :
– Dégradation progressive avec exposition répétée aux surtensions
– Nécessite éventuellement un remplacement après avoir géré plusieurs surtensions
– Aucune indication du statut de protection dans les implémentations de base
Diodes de suppression de tension transitoire (TVS)
Les diodes TVS sont des diodes à avalanche spécialisées conçues pour une protection ultra-rapide contre les surtensions dans les appareils électroniques sensibles.
Caractéristiques de la diode TVS :
– Temps de réponse: 1 picoseconde (le plus rapide disponible)
– Gestion actuelle:Impulsion de crête de 10 000 à 30 000 ampères
– Précision de la tension:Niveaux de serrage très précis
– Durée de vie:Aucun effet de vieillissement, excellente stabilité à long terme
– Application:Protection au niveau des PCB dans les équipements électroniques
Avantages par rapport aux MOV :
– Aucune dégradation dans le temps
– Réponse extrêmement rapide pour la protection ESD
– Caractéristiques précises de serrage de tension
– Fonctionnement fiable pendant toute la durée de vie de l'appareil
Tubes à décharge de gaz (GDT)
Les tubes à décharge de gaz fonctionnent comme des commutateurs à tension contrôlée utilisant les principes de décharge de gaz inerte, couramment utilisés dans les équipements de télécommunications.
Caractéristiques du GDT :
– Temps de réponse: <1 microsecond
– Gestion actuelle: 10 000 à 40 000 ampères
– État normal: Très haute impédance, capacité minimale
– État activé: Chemin de conduction à faible impédance
– Applications: Télécommunications, protection haute tension
Disjoncteurs et protection de sécurité
Disjoncteurs traditionnels
Les disjoncteurs offrent une protection contre les surintensités, mais ne sont pas conçus pour la protection contre les surtensions.
Spécifications du disjoncteur :
– Fonction: Protection contre les surintensités et les courts-circuits
– Temps de réponse: 16 à 100 millisecondes
– Protection contre les surtensions:Aucun (trop lent pour les pics de tension)
– Gestion actuelle:Ampérage nominal pour un fonctionnement continu
– Application:Protection générale des circuits électriques
Protection GFCI et AFCI
– GFCI:Protection contre les défauts à la terre (sensibilité de 5 mA, réponse de 25 à 30 ms)
– AFCI: Protection contre les défauts d'arc pour la prévention des incendies
– Fonction: Protection de sécurité, pas de protection contre les surtensions
– Exigences:Obligatoirement imposé par le NEC dans des endroits spécifiques
Systèmes de protection contre la foudre
Parafoudres
Les parafoudres protègent les systèmes de transmission et de distribution contre les coups de foudre directs et les transitoires de commutation.
Caractéristiques du parafoudre :
– Gestion actuelle: plus de 100 000 ampères
– Niveaux de tension: Tensions du système de transmission (> 1000 V)
– Temps de réponse: Microsecondes
– Application: Systèmes de transport et de distribution de services publics
– Coût: $1 000-10 000+ pour les appareils de classe transmission
Paratonnerres (paratonnerres)
– Fonction:Fournir le chemin de foudre préféré
– Protection de l'environnement: Protection structurelle des bâtiments
– Intégration:Fonctionne avec un système de mise à la terre
– Gestion actuelle:Courant de foudre complet (jusqu'à 200 000 ampères)
Équipement de qualité et de conditionnement de l'énergie
Régulateurs et stabilisateurs de tension
Les conditionneurs de puissance se concentrent sur la qualité de l’énergie à l’état stable plutôt que sur la protection contre les surtensions transitoires.
Caractéristiques de régulation de tension :
– Fonction: Maintenir des niveaux de tension constants (±1-5%)
– Temps de réponse:Millisecondes pour la correction de tension
– Type de protection:Protection contre les baisses de tension et les surtensions
– Application:Zones où la qualité de l'électricité est médiocre
– Coût: $100-1 000+ selon la capacité
Transformateurs d'isolement
– Fonction: Isolation électrique et réduction des surtensions
– Protection de l'environnement: Atténuation des surtensions en mode commun (-60 dB ou mieux)
– Traitement de la tension: Entrée d'impulsion 30 kV, sortie 10 kV (typique)
– Application: Équipement médical, instrumentation sensible
Filtres de lignes électriques et protection EMI
– Fonction: Filtrer les interférences électromagnétiques et le bruit électrique
– Opération: Filtrage continu des EMI/RFI conduites
– Composants: Inductances, condensateurs, noyaux de ferrite
– Portée: Complétez la protection contre les surtensions, ne la remplacez pas
Parafoudres et autres méthodes de protection contre les surtensions électriques
| Méthode | Fonction | Réponse | Localisation | Actuel | Tension | Durée de vie | Coût | Applications |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SPD Type 1 | Surtension due à la foudre | 25 ns | Entrée de service | 50-200 kA | 700-1500V | Haute durabilité | Haut | Panneaux de service |
| SPD Type 2 | Distribution | 25 ns | Distribution | 20-100 kA | 600-1200V | Haute durabilité | Moyen | circuits de dérivation |
| SPD Type 3 | Point d'utilisation | 25 ns | À proximité de l'équipement | 5-20 kA | 330-600V | Durabilité moyenne | Faible | Électronique sensible |
| Systèmes UPS | Alimentation de secours | 2 à 10 ms | Niveau d'équipement | Variable | ±3-5% | Dépend de la batterie | Haut | Équipement critique |
| Disjoncteurs | Surintensité | 16-100 ms | Distribution | Variable | Aucun | Très élevé | Faible | Circuit général |
| MOV | Pince de tension | 25 ns | Niveau de l'appareil | 1 à 20 kA | Variable | Se dégrade | Très faible | Composant prot |
| Diodes TVS | Transitoire rapide | 1 ps | Niveau de PCB | 10-30 kA | Très précis | Pas de vieillissement | Faible | Électronique |
| Décharge de gaz | Haute tension | <1 µs | Niveau d'équipement | 10-40 kA | Haute tension | Très élevé | Moyen | Télécom |
| Arrêt de la foudre | Protection contre la foudre | Microsecondes | Transmission | 100+ kA | niveaux kV | Très élevé | Haut | Systèmes d'alimentation |
| État de l'alimentation | Qualité de l'énergie | Continu | Niveau d'équipement | En fonction de la charge | ±5-10% | Haut | Haut | Équipement sensible |
| Isolation Trans | Isolation électrique | Continu | Niveau d'équipement | En fonction de la charge | Bonne isolation | Très élevé | Haut | Équipement médical |
Comparaison complète : Parafoudres et autres méthodes de protection
Analyse du temps de réponse
Protection ultra-rapide (picosecondes) :
– Diodes TVS : 1 picoseconde – Idéales pour les décharges électrostatiques et les transitoires rapides
Protection rapide (nanosecondes) :
– SPD (tous types) : 25 nanosecondes – Excellent pour les surtensions
– MOV : 25 nanosecondes – Convient aux surtensions modérées
Vitesse modérée (microsecondes) :
– Tubes à décharge de gaz : < 1 microseconde – Convient aux événements à haute énergie
Réponse lente (millisecondes) :
– Systèmes UPS : 2 à 10 millisecondes – Suffisant pour le transfert de puissance
– GFCI/AFCI : 25-30 millisecondes – Applications axées sur la sécurité
– Disjoncteurs : 16 à 100 millisecondes – Protection contre les surintensités uniquement
Comparaison de la capacité de traitement actuelle
Énergie la plus élevée (100 kA et plus) :
– Parafoudres : Protection au niveau de la transmission
– SPD Type 1 : protection d'entrée de service 50-200 kA
Haute énergie (20-100 kA) :
– SPD Type 2 : protection de distribution 20-100 kA
– Tubes à décharge de gaz : protection des télécommunications 10-40 kA
Énergie modérée (5-30 kA) :
– SPD Type 3 : protection au point d'utilisation 5-20 kA
– Diodes TVS : protection électronique de précision 10-30 kA
Énergie limitée (1-20 kA) :
– Parasurtenseurs grand public : protection des appareils de 1 à 4 kA
– MOV : protection des composants 1-20 kA
Aucune protection contre les surtensions :
– Multiprises de base : valeur nominale du disjoncteur uniquement
– Disjoncteurs : protection contre les surintensités, pas de gestion des surtensions
Emplacement d'installation et intégration du système
Installation hiérarchique du SPD
Les SPD suivent une approche d'installation systématique offrant une protection coordonnée :
1. DOCUP de type 1: Entrée de service – première ligne de défense
2. DOCUP de type 2: Tableaux de distribution – protection du bâtiment principal
3. DOCUP de type 3: Point d'utilisation – protection de l'équipement final
Autres installations de méthodes
– Systèmes UPS: Niveau d'équipement, nécessite des connexions de charge
– Parasurtenseurs grand public: Niveau appareil, portable
– Protection des circuits: Tableaux de distribution axés sur la sécurité
– Protection des composants: Niveau PCB ou dans l'équipement
– Équipement de qualité de l'énergie: Niveau d'équipement, applications spécifiques
Normes et conformité réglementaire
Cadre de normes SPD
– ANSI/UL 1449: Norme SPD nord-américaine principale
– Série IEC 61643: Normes internationales SPD
– Article 285 du Code national de l'électricité:Exigences d'installation pour les parafoudres
– Exigences obligatoires:NEC 2020+ exige des SPD pour les unités d'habitation
Autres normes de méthode
– Systèmes UPS: Série UL 1778, IEC 62040
– Disjoncteurs: Série UL 489, IEC 60947
– Parasurtenseurs grand public: UL 1449 (classification de type 3)
– Protection des composants: Diverses normes spécifiques aux composants
Considérations économiques et pratiques
Analyse coûts-avantages
Avantages de l'investissement SPD :
– Protection de l’ensemble du système par rapport aux coûts appareil par appareil
– Longue durée de vie opérationnelle avec un minimum d’entretien
– Conformité réglementaire avec installation unique
– Protection du câblage des bâtiments et des appareils encastrés
Coût total de possession :
– DOCUP de type 2: L'installation $200-800 plus protège toute la maison
– Parasurtenseurs grand public multiples: $20-100 chacun, plusieurs unités nécessaires
– Systèmes UPS: $100-5 000+ plus les frais de remplacement de la batterie
– Dégâts causés par les surtensions:Une installation industrielle moyenne perd 1439 milliards de livres sterling par an
Exigences en matière de maintenance
Faible entretien :
– SPD : Surveillance de l’état, inspection périodique
– Diodes TVS : Aucun entretien requis
– Disjoncteurs : Tests périodiques
Entretien élevé :
– Systèmes UPS : Remplacement de la batterie tous les 3 à 5 ans
– MOV : Remplacement après dégradation
– Conditionneurs de puissance : remplacement des filtres, étalonnage
Recommandations spécifiques à l'application
Applications résidentielles
Protection primaire : SPD de type 2 au panneau principal (NEC requis 2020+)
Protection secondaire : Parafoudres de type 3 pour l'électronique sensible
Alimentation de secours : Onduleurs pour équipements critiques (ordinateurs, appareils médicaux)
Applications commerciales et industrielles
Protection primaire : Parafoudres de type 1 ou de type 2 à l'entrée de service
Protection de la distribution : Parafoudres de type 2 dans les sous-panneaux
Protection de l'équipement : SPD et onduleurs de type 3 pour systèmes critiques
Protection spécialisée : Conditionneurs de puissance pour processus sensibles
Télécommunications et centres de données
Protection CA : Installation coordonnée de parafoudres (types 1, 2, 3)
Protection CC : Parafoudres spécialisés pour lignes de télécommunications
Données à haut débit : Diodes TVS pour la protection des lignes de signal
Systèmes critiques : Onduleur avec batterie de secours pour un fonctionnement ininterrompu
Résumé des principales différences
Parafoudres et parasurtenseurs grand public
– Gestion de l'énergie : Les SPD gèrent 20 à 200 kA contre 1 à 4 kA pour les unités grand public
– Portée de la protection : Protection de l'ensemble du système ou protection individuelle des appareils
– Installation : Montage permanent sur panneau ou enfichable portable
– Normes : Normes électriques professionnelles vs normes des produits de consommation
– Durée de vie : Conçu pour une longue durée de vie par rapport au remplacement après des surtensions importantes
SPD vs. Systèmes UPS
– Fonction principale : Protection contre les surtensions ou alimentation de secours
– Temps de réponse : 25 nanosecondes contre 2 à 10 millisecondes
– Gestion de l'énergie : Courant de surtension élevé vs. protection limitée contre les surtensions
– Entretien : Remplacement minimal ou remplacement de la batterie requis
– Coût: Installation unique vs. coûts de batterie récurrents
Parafoudres et équipements de contrôle de la qualité de l'énergie
– Type de protection : Protection contre les surtensions transitoires et qualité de l'alimentation en régime permanent
– Vitesse de réponse : Nanosecondes contre millisecondes
– Application : Surtensions vs. conditionnement électrique continu
– Installation : Connexion parallèle ou installation en série
Conclusion
Les parafoudres constituent une approche spécialisée et hautement efficace de la protection contre les surtensions électriques. Ils se distinguent fondamentalement des autres méthodes de protection par leur application systématique, leur conformité réglementaire et leurs capacités de protection complètes. Alors que d'autres méthodes telles que les onduleurs, les disjoncteurs, les MOV, les diodes TVS et les conditionneurs de puissance jouent un rôle important dans la protection électrique, les parafoudres offrent des avantages uniques grâce à :
– Système de classification normalisé (Types 1, 2, 3) pour une protection coordonnée
– Temps de réponse rapides (25 nanosecondes) pour un blocage efficace des surtensions
– Capacité de traitement de courant élevée (20 000 à 200 000 ampères) pour les surtensions sévères
– Cadre réglementaire complet avec des exigences NEC spécifiques
– Hiérarchie d'installation systématique pour la protection de l'ensemble du bâtiment
Le principal avantage des parafoudres réside dans leur capacité à fournir une protection fondamentale contre les surtensions pour l'ensemble des systèmes électriques, tandis que d'autres méthodes protègent généralement des appareils individuels ou répondent à des problématiques électriques spécifiques. Les installations électriques modernes bénéficient particulièrement d'une approche de protection multicouche, combinant des parafoudres bien coordonnés avec des protections complémentaires adaptées aux exigences spécifiques de l'application.
La compréhension de ces différences permet aux professionnels de l’électricité de concevoir des stratégies de protection complètes qui répondent à la fois aux objectifs de performance et aux exigences réglementaires tout en optimisant l’investissement en matière de protection dans les applications résidentielles, commerciales et industrielles.
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