Comment fonctionne un parafoudre contre les surtensions transitoires ?

Les dispositifs de protection contre les surtensions (DPS) sont conçus pour minimiser les effets destructeurs des surtensions sur les équipements électriques et électroniques. Il existe différents types de DPS selon la technologie qu’ils contiennent et qui caractérise leur fonctionnement contre les surtensions transitoires.

Les surtensions transitoires sont des pics de tension, de très courte durée, mesurés entre deux conducteurs, ou entre un conducteur et la terre. Les surtensions transitoires peuvent causer des dommages importants aux installations et aux équipements électriques et électroniques.

Une protection interne adéquate contre les surtensions est capable de minimiser leurs effets destructeurs. La protection contre les surtensions est basée sur la limitation de l’amplitude de chaque surtension et la dérivation du courant de ces dernières par des composants de protection spécifiques.

Un dispositif de protection contre les surtensions (DPS) idéal devrait, à des tensions supérieures à la tension nominale du dispositif, conduire le courant tout en maintenant la tension stable pendant la durée de la surtension, mais cesser de conduire le courant dès que la tension revient à la valeur nominale.

Dans cet article, nous aborderons brièvement certaines des technologies utilisées dans les DPS et la manière dont ils fonctionnent pour se protéger contre les surtensions transitoires.

Dispositifs de protection contre les surtensions transitoires : dispositifs de court-circuit et de réduction de la tension.

Selon les normes, un parafoudre contient au moins un composant non linéaire et sa fonction est de limiter les surtensions transitoires. Dans la plupart des DPS, les composants électroniques non linéaires dérivent l’énergie extra de la surtension au moyen de deux technologies : coupure de tension (parafoudres de type « crowbar ») et/ou limitation de tension (de type « clamping »).

Les parafoudres de type coupure de tension présentent une impédance élevée en l’absence d’ondes transitoires, mais subissent un changement soudain de la valeur de cette impédance en réponse à des surtensions. C’est-à-dire qu’ils court-circuitent la haute tension à la terre jusqu’à ce que le niveau de courant diminue. Les DPS de type Crowbar comprennent les éclateurs, les tubes à éclateur à gaz, les thyristors silicium (redresseurs au silicium) et les triacs.

Les DPS de type limitation de tension présentant une impédance élevée en l’absence de choc, mais qui diminue de manière continue avec un courant et une tension de choc croissants.  Par conséquent, lorsque la tension dépasse un certain seuil, la résistance est réduite pour détourner l’énergie de la surtension. Cette impédance varie de façon non linéaire en fonction du courant qui traverse le dispositif ou de la tension à ses bornes. Ces dispositifs comprennent des redresseurs au sélénium, des diodes à avalanche (Zener) et des varistances constituées de différents matériaux tels que le carbure de silicium, l’oxyde de zinc, etc. De plus, les DPS composés de diodes de suppression de tension transitoire sont souvent utilisés pour un dernier niveau de protection dans les lignes de données.

Il existe également des DPS combinés qui comprennent à la fois des composants de coupure et de limitation de tension et qui peuvent agir comme des dispositifs de mise en court-circuit, des limiteurs, ou les deux, en fonction de la tension présente.

Les premiers DPS développés étaient simplement des éclateurs qui agissaient comme une liaison équipotentielle en maintenant deux bornes séparées, sauf en cas de surtension. Les éclateurs sont principalement utilisés dans les systèmes de mise à la terre. En tant que protecteurs des lignes d’alimentation et de télécommunication, ils ont certaines limites car ils nécessitent une technologie ou une topologie plus complexe pour désamorcer et donc éteindre les courants après que l’étincelle se soit produite.

Tube à éclateur à gaz

Les tubes à éclateur à gaz ont constitué une innovation par rapport aux éclateurs car, au lieu d’utiliser de l’air entre les électrodes, ils utilisent un gaz noble qui favorise l’amorçage et le désamorçage de l’étincelle. Ce gaz inerte se s’ionise et conduit le courant pendant la surtension. Le gaz a besoin d’un certain temps pour s’ioniser, les éclateurs à gaz peuvent donc avoir besoin de plusieurs microsecondes pour agir. Ils ont une faible capacité de dérivation, de sorte qu’ils ne limitent pas la bande passante des circuits haute fréquence autant que d’autres composants non linéaires.

Ces DPS peuvent également connaître ce que l’on appelle un courant de suite. C’est-à-dire que, même si la surtension a déjà disparu et que l’arc électrique est éteint, les électrodes sont encore chaudes et le gaz est ionisé, mais il peut s’enflammer dans le prochain demi-cycle de courant alternatif. Selon la source d’alimentation, le courant de suite peut être suffisant pour endommager les électrodes.

Les tubes à éclateur à gaz sont couramment utilisés pour les lignes de données et de télécommunications, où le courant de suite n’est pas aussi important que dans le cas des circuits électriques. Ces éléments sont particulièrement efficaces à hautes fréquences.

Varistances et diodes de suppression de surtensions

Les varistances sont des dispositifs céramiques semi-conducteurs qui fonctionnent comme des impédances non linéaires. Ils sont généralement composés d’oxydes métalliques frittés, le plus courant étant l’oxyde de zinc, et d’additifs adéquats. Leur structure consiste en une matrice conductrice composée de grains d’oxyde métallique, de sorte que chaque limite intergranulaire présente une barrière de tension spécifique. Lorsque cette tension est dépassée, les grains deviennent conducteurs de courant, formant un chemin à faible résistance qui absorbe l’énergie de la surtension.

Les diodes de suppression de surtensions sont similaires aux diodes Zener de type régulateur (diodes au silicium fortement dopées utilisées pour réguler des tensions relativement stables), mais sont spécifiquement conçues pour limiter les impulsions des surtensions avec la technologie des redresseurs au silicium. Leur principal avantage est que leur comportement est proche de celui d’un DPS idéal en termes de limitation de tension. Ces diodes suppriment toute tension supérieure à leur tension nominale, avec une réponse plus rapide que d’autres composants de protection tels que les varistances et les éclateurs à gaz (de l’ordre de picosecondes). Cependant, elles ne conviennent pas à la protection contre les surtensions liées à la foudre en raison de leur capacité limitée de dissipation d’énergie.

Les différentes technologies abordées présentent des avantages et des limites. Cependant, ce qui est important pour une protection adéquate contre les surtensions, ce sont les caractéristiques techniques de chaque DPS, telles que le courant de décharge maximal par pôle (Imax), le courant de choc coordonné (Iimp), le niveau de protection (Up), tension maximale de régime permanent (Uc), etc.

De plus, un seul dispositif de protection contre les surtensions transitoires n’est généralement pas suffisant car il ne répond pas à toutes les caractéristiques requises en matière de courant de décharge et de tension résiduelle. Il faut donc plusieurs DPS bien coordonnés, agissant de manière échelonnée en plusieurs étapes séquentielles de protection. De cette manière, ils peuvent résister aux courants des surtensions tout en laissant une tension résiduelle qui n’est pas dangereuse pour les équipements connectés.

Aplicaciones Tecnológicas S.A. dispose d’une large gamme de dispositifs de protection contre les surtensions pour différents domaines, y compris les environnements industriels et domestiques. Tous les parafoudres ont été testés dans des laboratoires officiels et indépendants qui certifient leurs caractéristiques selon les normes en vigueur.

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Références

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