Solutions de protection contre les surtensions

Qu'est-ce qu'une surtension ?

Solutions contre les surtensions Qu'est-ce qu'une charte contre les surtensions?
Une surtension, ou tension transitoire, est une brève pointe de surtension ou une perturbation de la forme d'onde électrique susceptible d'endommager, détériorer ou détruire l'équipement électronique d'une résidence, d'un bâtiment commercial, d'une installation industrielle ou d'un site manufacturier. Les transitoires ou surtensions peuvent atteindre des amplitudes de dizaines de milliers de volts, avec une durée inférieure à un demi-cycle de la forme d'onde normale de tension.

Chaque équipement électrique est conçu afin de fonctionner à une tension nominale spécifique, telle que 120 Vca, 240 Vca, 480 Vca, etc. Cependant, la plupart des équipements sont conçus pour supporter des variations mineures de leur tension nominale de service, mais ces surtensions peuvent être très dangereuses pour la majorité de ceux-ci.
 

Quelles sont les causes des surtensions ?

Les dispositifs de commutation de l'alimentation sont une source courante de surtensions générées à l'intérieur d'une installation. Il peut s'agir d'un simple interrupteur de thermostat actionnant un élément chauffant ou d'une alimentation à commutation utilisée sur de nombreux appareils.  Les surtensions provenant de l'extérieur de l'installation sont dues aux éclairs et aux commutations de réseaux de distribution électrique.

Les sources internes de surtensions proviennent de l'équipement et des commutations, notamment:

• Commutation de charges électriques
• Opérations de contacteurs, de relais et de disjoncteurs
• Commutation de batteries de condensateurs et de charges (telle la correction du facteur de puissance)
  Délestage de dispositifs inductifs (moteurs, transformateurs, etc.)
• Démarrages et interruptions de charges
• Déclenchement d'un défaut ou d'un arc électrique
• Défauts d'arc (à la terre)
• Élimination ou interruption de fautes
• Rétablissement du réseau électrique (après une panne)
• Connexions mal serrées
• Couplages magnétiques et inductifs
• Ascenseurs, systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC avec entraînement à fréquence variable), ballasts de lampes fluorescentes, photocopieuses et ordinateurs.

Sources externes de surtensions

La source la plus évidente de surtensions générées à l'extérieur de l'installation est la foudre.  Bien que celle-ci soit peu fréquente dans certaines régions, les dommages causés à une installation par la foudre peuvent être catastrophiques.

Parmi les autres sources externes de surtensions, citons les commutations de réseaux et batteries de condensateurs effectuées par les compagnies de services publics.  Au cours de l'exploitation des réseaux électriques, la compagnie d'électricité peut être amenée à commuter l'alimentation électrique vers une autre source ou à interrompre temporairement l'alimentation électrique de ses abonnés afin de faciliter l'élimination d'un défaut dans le système.  C'est souvent le cas lorsque la chute d'une branche d'arbre ou d'un petit animal provoque un défaut sur la ligne.  Ces interruptions de courant provoquent des surtensions lors de la coupure et du rétablissement de l'alimentation des abonnés.

Les compagnies de services publics produisent de l'électricité à partir d'un certain nombre d'installations de production d'énergie. Lorsqu'elles commutent l'approvisionnement d'un réseau à l'autre, elles provoquent des perturbations, notamment des transitoires ou des pointes, ainsi que des conditions de sous-tension et surtension.
 

Pourquoi une protection contre les surtensions ?

Les dommages dus aux surtensions électriques sont l'une des principales causes de défaillance des équipements électriques et les dommages dus à la foudre sont estimés à 5-6 milliards de dollars par an pour l'économie américaine, selon le National Lightning Safety Institute. Selon l'Insurance Information Institute, les dommages subis par les résidences aux États-Unis se sont élevés à 825 millions de dollars pour l'année 2016 seulement. Ce chiffre a augmenté de 40 % depuis 2007 en raison de l'augmentation du nombre d'appareils électroniques et électriques susceptibles de provoquer des surtensions.

Le coût moyen d'une panne d'une installation critique due à une surtension s'élève aux environs de 130 000 dollars par incident. En moyenne, une installation typique subit des surtensions environ 150 fois par mois.  Les États-Unis dépendent énormément des appareils connectés et l'électronique intelligente, rendant obligatoire la protection d'un fonctionnement sécuritaire et fiable de ces équipements.
Cette protection est une solution économique permettant d'éviter les temps de pannes, d'améliorer la fiabilité des systèmes et des données, et éliminer les dommages causés aux équipements par les transitoires et les surtensions, tant pour les lignes d'alimentation que pour les lignes de signaux. Elle convient à toute installation ou charge (1000 volts et moins).
 

Comment fonctionne un parasurtenseur ?

Un dispositif de protection contre les surtensions (parasurtenseur) fonctionne comme une soupape de sûreté dans un système d'alimentation en eau... il est normalement installé en parallèle avec l'équipement à protéger, et connecté à la terre. Dans des circonstances normales, à la tension nominale, ce dispositif reste en alerte, prêt à protéger votre système. Lors d'une surtension, le parasurtenseur devient conducteur et dirige la tension transitoire potentiellement dommageable vers la terre, protégeant ainsi l'équipement.  Un parasurtenseur bien sélectionné et installé protégera votre équipement contre de nombreuses surtensions pendant de nombreuses années - le dispositif est réutilisable - une fois la surtension passée, celui-ci revient à l'état normal, non conducteur (circuit ouvert à la terre) et protégeant contre de futures surtensions.  

Différentes technologies peuvent être utilisées pour la protection contre les surtensions; le Surge-Trap® de Mersen utilise des varistances à oxyde métallique (MOV) combinées à une protection thermique pour une performance rapide et sécuritaire.
 

Technologies

La ligne de parasurtenseurs offerte par Mersen est équipée de la technologie TPMOV (Thermally Protected MOV), une solution de protection contre les surtensions à sécurité intégrée de pointe la plus fiable du marché.
La technologie TPMOV, invention brevetée de Mersen, élimine les défaillances courantes, parfois catastrophiques, lorsque le MOV atteint la fin de sa durée de service.
Le TPMOV est composé d'un dispositif de blocage de la tension et d'un dispositif de sectionnement surveillant l'état du disque d'oxyde métallique, faisant du TPMOV un dispositif à sécurité intégrée. En cas de panne due à une surtension, le disque d'oxyde métallique se déconnecte en toute sécurité de l'alimentation du système grâce à un système de protection contre les arcs électriques.
En cas de défaillance, le TPMOV est également équipé d'un indicateur visuel de type "pin" et un micro-contact normalement ouvert, permettant une indication à distance si nécessaire.

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Avantages

• Technologie MOV avec protection thermique (TPMOV)

Grâce à son expertise en matière de protection et avec la ferme conviction que l'innovation technologique est essentielle, Mersen a mis au point la technologie de protection contre les surtensions la plus sécuritaire possible. Le TPMOV élimine les modes de défaillance dangereux et destructeurs du MOV (échauffement interne).

• Courant nominal de court-circuit élevé

Les TPMOV/PARASURTENSEURS de Mersen sont conçus pour résister à de hauts niveaux de courts-circuits (SCCR), et peuvent être installés dans presque n'importe quel endroit - indépendamment du courant de défaut disponible (AFC) - et se déconnecter du système en toute sécurité si nécessaire.

• Solution de protection contre les surtensions pour toutes les applicationsn

Nous proposons différents modes de montage: montage sur panneau - câblage fixe, parasurtenseur sur rail Din, montage en surface, composants pour OEM, ainsi qu'une large gamme de tensions, assurant ainsi la meilleure solution pour chaque application, peu importe la nature de l'application.
Les systèmes de distribution d'énergie, y compris les panneaux de branchement et de distribution, les armoires de contrôle, les automates programmables, les contrôles électroniques de moteurs, la surveillance des équipements, les circuits d'éclairage, les compteurs, les équipements médicaux, les charges critiques, l'alimentation de secours, les onduleurs (UPS), les équipements de chauffage, de ventilation et de climatisation, les centres de données, les énergies renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne, entre autres.
Signalisation en automatisation industrielle, télévision par câbles, systèmes de sécurité, signaux d'alarme, réseaux de télécommunication et d'informatique.

• Haute qualité

Nos produits sont conformes aux dernières normes ANSI/UL 1449.  Les TPMOV/PARASURTENSEURS de Mersen sont contrôlés et soumis á des essais électriques á 100 %.

• Indications et options de pointe

Une large gamme d'options, y compris des indicateurs de situation, la surveillance à distance et le filtrage de parasites EMI/RFI, offre une solution de protection contre les surtensions durable et très efficace.

Où appliquer la protection contre les surtensions?

Tous les équipements électriques sont sensibles aux surtensions. Les applications spécifiques des parasurtenseurs dans les secteurs industriels, commerciaux et résidentiels comprennent les suivants ::

• Distribution d'énergie, armoires de contrôle, automates programmables, contrôleurs électroniques de moteur, surveillance des équipements, circuits d'éclairage, mesurage, équipements médicaux, charges critiques, alimentation de secours, onduleurs (UPS), équipements de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC).
• Circuits de communication, lignes téléphoniques ou de télécopies, alimentations de télévision par câble, systèmes de sécurité, circuits de signaux d'alarme, centres de divertissement ou équipements stéréo, appareils électroménagers ou de cuisine.

Localisation et degré de protection

• Catégories ("Surge-Trap and the Different kA Ratings" et "UL 1449 4th Edition Location and/or Type Designation")
• Tensions des systèmes et configurations:
• Quel niveau de protection mon installation a-t-elle besoin? 
   

Types de dispositifs et paramètres de performance  

• Protection de la tension, tension de blocage, classement VPR - les plus importants/critiques pour la protection de l'équipement  ("Surge Protective Device Performance and Cascaded Protection"). 
• Valeur nominale
• Capacité maximale - (détermine la garantie et la durée de service du parasurtenseur)    

Où installer une protection contre les surtensions ?  

La norme IEEE C62.41.1 définit les catégories d'emplacement.  Celles-ci indiquent leur emplacement dans le réseau électrique et correspondent environ aux types de dispositifs UL.  Les catégories d'emplacement sont les suivantes :

• Emplacement Catégorie C - Extérieur, branchement et équipement (Valeur de crête de 6-10kV)
• Emplacement Catégorie B - Équipement de service, principales lignes d'alimentation et courts circuits de dérivation (valeur de crête de 3 à 6 kV)
• Emplacement Catégorie A - Longs circuits de dérivation et prises de courant (valeur de crête de 0,5 à 6 kV)

Voici quelques exemples de localisations :

Veuillez noter que les équipements électriques situés à l'extérieur des installations doivent être considérés comme des équipements de Catégorie C et que des dispositifs de Type 1 doivent être utilisés sur les circuits (plus d'informations sur les types de dispositifs ci-dessous).  En effet, ces équipements sont plus sensibles aux surtensions externes susceptibles de contourner le disjoncteur de branchement et de pénétrer dans le bâtiment via les équipements et le câblage externes.  Voir l'exemple ci-dessous.

La norme UL 1449 définit plusieurs différents types de dispositifs en fonction de leur lieu d'installation et de leur utilisation. Les trois types les plus utilisés sont décrits ci-dessous.

• Type 1 – Les parasurtenseurs connectés en permanence et destinés à être installés entre le secondaire du transformateur de service et le côté ligne du dispositif de surintensité de l'équipement de service, ainsi que le côté charge, y compris les boîtiers de prise de compteur et les dispositifs de protection contre les surtensions à boîtier moulé destinés à être installés sans dispositif de protection contre les surintensités externes.
• Type 2 – Les parasurtenseurs raccordés en permanence et destinés à être installés du côté charge du dispositif de surintensité de l'équipement de service, y compris les parasurtenseurs situés au niveau du panneau de dérivation et les parasurtenseurs à boîtier moulé.
• Type 3 – Les parasurtenseurs au point d'utilisation, installés à une longueur minimum de 10 mètres (30 pieds) du panneau de service électrique au point d'utilisation, par exemple les parasurtenseurs à cordon, à branchement direct, à réceptacle et les parasurtenseurs installés au niveau de l'équipement utilisé à protéger. Voir le marquage au point 80.3. La distance (10 mètres) ne tient pas compte des conducteurs fournis ou utilisés pour installer les parasurtenseurs.

Tensions et configurations du système

Il est essentiel de connaître la tension et la configuration du système avant de choisir le dispositif le plus adapté à l'application.  Chaque modèle a une tension maximale de service permanent (MCOV).  Cette tension ne peut être dépassée dans aucune condition de service potentielle du système électrique, au risque de provoquer une défaillance inutile du dispositif.  Étant donné les exigences des règlements des tensions aux États-Unis autorisant jusqu'à +/-6 % de la tension nominale (selon ANSI C84.1), un MCOV typique aura un niveau supérieur de plus de 20 % de la tension nominale entre la ligne et la terre.  La configuration du système électrique est basée sur le côté secondaire du transformateur en amont, et non pas sur la charge connectée.  La plupart des erreurs de commande des parasurtenseurs sont des erreurs de compréhension liées à la mise à la terre ou aux neutres.  Quand un système est défini comme mis à la terre, cela signifie que le système est électriquement relié à la terre, et non pas qu'il y a une mise à la terre sécuritaire.  Par convention, les fils de terre ne sont pas comptés parmi les fils de ceux-ci (3 fils, 4 fils, etc.).  Les systèmes non mis ou mis à la terre à haute résistance peuvent leur causer des problèmes s'ils ne sont pas sélectionnés selon les normes en vigueur.  En effet, ces systèmes ont la capacité de maintenir indéfiniment un défaut à la terre, entraînant une augmentation du potentiel de mise à la terre dans les phases intactes. Consultez Mersen Tech Topic TT-SPN4 and Fact Sheet FS-Surge-Electrical-System-Guide pour plus d'informations.   

Quel niveau de protection votre installation exige-t-elle?

Le niveau de protection requis par votre installation implique différentes conditions selon la norme IEEE C62.41.2.   Lors de la sélection de la capacité de surtension du parasurtenseur, certains éléments doivent être pris en considération, dont :

• La protection nécessaire dépend de l'application.  Dans des applications telles le traitement de données, les procédés médicaux critiques ou procédés de fabrication, toute interruption ou perturbation risque d'être inacceptable, nécessitant ainsi un haut niveau de protection.
• La sensibilité de l'équipement aux dommages causés par les surtensions. Les sensibilités seront différentes selon les défaillances de matériel ou les problèmes de procédés.
• Valeur de l'équipement et temps de panne: Quelle est le niveau critique des charges et leurs fonctions?  
• Sensibilité des équipements
• L'environnement électrique - les surtensions
• L'environnement électrique - le système électrique
• Performance des parasurtenseurs

o    Protection

o    Durabilité

o    Modes de défaillance

• Environnement d'essais, courants de court-circuit appropriés
• Coûts totaux et relatifs
• Un système électrique doit être totalement protégé par un système de parasurtenseurs, avec le plus puissant près de l'entrée de service, des panneaux individuels et équipements incluant leur propre protection contre les surtensions en tant que protection secondaire.  

La sensibilité de l'équipement au niveau de l'environnement des surtensions implique l'intersection probable de deux distributions :

Concept probable de l'immunité aux surtensions

Dans les circuits basse tension (1000 V et moins), la norme IEEE C62.41.2, Méthode recommandée pour la définition des surtensions, décrit les catégories d'emplacement et les niveaux d'exposition.  Les niveaux d'exposition sont de type qualitatif :

• Faible exposition: applications reconnues pour une faible activité de foudre, peu de commutations de charges.
• Exposition moyenne: systèmes et zones géographiques connus pour une activité de foudre moyenne à élevée ou pour des transitoires de commutation importantes, ou les deux.
• Exposition élevée: rares installations dont l'exposition aux surtensions est plus importante que celles définies comme faibles ou moyennes.

Sélection et installation des produits :

Le choix du parasurtenseur est fonction du réseau où l'équipement critique est raccordé et du niveau de protection requis.  

Les facteurs à prendre en considération pour le réseau du système sont les suivants :

• Tension AC ou DC
• Circuits en étoile ou triangle
• Tension nominale du système
• Mise à la terre du système 
• Homologations des produits 
   

Les critères à respecter afin de déterminer le niveau de protection sont les suivants :

• La tension maximale continue (MCOV) est la tension permanente (RMS) que le parasurtenseur peut supporter sans subir de dommages. Par définition, une surtension est un incident de tension de très courte durée et de forte amplitude, ce qui est différent d'une élévation de tension.  Une surtension dangereuse qui dure quelques cycles (5 ms) peut endommager le parasurtenseur.  Il est important de choisir ce dernier ayant une valeur nominale de MCOV appropriée avec une tolérance (en général, 15 à 20 % conviennent). (Références EPRI, IEEE).
• La capacité de courant de surtension, parfois appelée Imax, tient compte de la capacité du parasurtenseur et du nombre de surtensions qu'il peut supporter ou contre lesquelles il peut protéger l'équipement durant son utilisation.  Sur la base d'une analyse de risque de l'équipement ou de l'emplacement à protéger, la capacité peut être augmentée afin de garantir la durée de service du parasurtenseur et de l'équipement.  
• Valeur nominale du courant de décharge (In) Valeur de crête du courant traversant le parasurtenseur, choisie par le fabricant dans une liste de valeurs prédéterminées, ayant une forme d'onde de courant de court-circuit de 8/20 µs où il reste opérationnel après 15 surtensions.  
• Courant nominal de court-circuit (SCCR) basé sur le courant de faute disponible à l'emplacement de l'installation. 
• Tension de protection (VPR): Un indice conforme à la 4e édition de la norme UL 1449, également appelé tension de " blocage ", signifie la moyenne de la tension limite mesurée et arrondie d'un parasurtenseur lorsque celui-ci est soumis à la surtension produite par un générateur de forme d'onde combinée de 6 kV, 3 kA 8/20 µs.  Si tous les autres facteurs sont égaux, une VPR plus faible protège mieux l'équipement final, mais en général, l'équipement final est conçu pour résister à des tensions de fuite de 2kV.  
   

Lors du choix d'un parasurtenseur, il est important d'équilibrer tous ces facteurs, la valeur MCOV, la garantie d'une valeur VPR suffisante et la garantie de courants de surtension adéquats afin de garantir la longévité du parasurtenseur.  La valeur In et la valeur Imax sont représentatives de la capacité du parasurtenseur à absorber, supporter et atténuer les surtensions tout au long de la durée de service de l'équipement.  Les parasurtenseurs utilisant des MOV plus petits auront tendance à avoir une valeur VPR plus élevée, des courants nominaux plus élevés et plus faibles, et des durées de service plus courtes.  Mersen utilise des MOV à protection thermique de très haute qualité et de diamètre plus large dans ses parasurtenseurs afin de les adapter aux charges les plus critiques.  Voir les livres blancs de Mersen sur la capacité d'absorption d'énergie des MOV ici et sur la sélection des parasurtenseurs ici.   

Système de protection en cascade

Pour maximiser la protection du système contre les surtensions, les concepteurs et les propriétaires de systèmes utilisent souvent une protection contre les surtensions en cascade.  Dans un schéma en cascade, les dispositifs de protection contre les surtensions sont utilisés à plusieurs endroits du système électrique.  Ainsi, il peut y avoir un parasurtenseur au niveau du branchement principal, un au niveau de chaque panneau ou appareillage de distribution, et un au niveau de chaque panneau de circuit de dérivation.  Les équipements critiques peuvent également être équipés de parasurtenseurs installés sur l'équipement pour une protection supplémentaire.  L'illustration ci-dessous présente un exemple de protection en cascade.  Elle présente l'avantage supplémentaire de réduire rapidement les surtensions de commutation produites à l'intérieur de l'installation et empêche ces dernières d'affecter d'autres équipements.

Installation - Parasurtenseur interne vs externe

Longueur des fils du parasurtenseur

Comme les surtensions sont des événements transitoires rapides, la réponse du circuit est différente de celle de la tension nominale AC à 50 ou 60 Hz. La variation rapide de la tension apparaît au circuit comme un signal à haute fréquence et, à des fréquences plus élevées, les circuits AC ont plus d'impédance. La fréquence équivalente de la tension combinée UL est de 208,3 kHz. La principale cause de cette réponse en fréquence est l'inductance du circuit. Le simple fait d'ajouter des fils à un circuit augmente l'inductance et donc l'impédance de la surtension à haute fréquence. L'augmentation de la longueur des fils des parasurtenseurs augmente la tension de blocage et réduit leurs performances en matière de protection des charges en aval. Les essais standards UL VPR sont effectués avec une longueur de fil de 6 pouces. Pour la plupart des applications, cette longueur n'est pas pratique pour l'installation sur site.    

La meilleure pratique en matière d'installation consiste à utiliser les fils les plus courts possibles. Dans le cas contraire, la torsion des fils permet de réduire l'inductance des fils et donc de réduire la chute de tension et la perte de performance. La photo ci-dessous illustre un exemple de fils torsadés. Voir le document technique  Mersen Tech Topic TT-SPN 8 pour plus d'informations.