Un dispositif de protection contre les surtensions est l’un des rares composants d’un système électrique dont on attend qu’il ne fasse rien pendant des années, puis qu’il absorbe un impact de foudre en quelques microsecondes. Il est donc facile de l’omettre, facile de le sous-dimensionner et facile de l’installer d’une manière qui paraît correcte tout en laissant la charge exposée.
Ce guide explique ce que fait un SPD, en quoi les catégories Type 1, 2 et 3 diffèrent, où chacune doit être installée et comment coordonner la protection contre les surtensions avec un onduleur et un stabilisateur de tension.
Qu’est-ce qu’une surtension ?
Une surtension est une augmentation de courte durée de la tension au-dessus du niveau de fonctionnement normal. Elle peut être provoquée par un coup de foudre, par la commutation d’une charge importante, par la manœuvre d’une batterie de condensateurs ou par un défaut électrique proche. Sa durée peut être de quelques microsecondes pour un impact de foudre ou de quelques millisecondes pour un transitoire de commutation.
Le mécanisme de dégradation dépend de la charge. Un semi-conducteur peut tomber en panne immédiatement sous une forte tension de crête. Une alimentation peut se dégrader au fil de surtensions répétées de moindre amplitude. Un moteur peut subir une contrainte de son isolation. Le SPD limite la tension de crête et dérive le courant de surtension vers la terre ; il n’élimine pas la surtension et ne corrige pas une surtension permanente.
Pour les problèmes de tension durables, utilisez un stabilisateur de tension ou un régulateur automatique de tension. Pour une coupure, utilisez un onduleur. Le SPD constitue la couche dédiée aux transitoires.
Comment fonctionne un SPD ?
Un SPD est un composant dépendant de la tension, généralement une varistance à oxyde métallique, un éclateur ou une combinaison des deux. À tension normale, il présente une impédance élevée et n’a que peu d’effet sur le circuit. Lorsque la tension dépasse son seuil, l’impédance chute et le dispositif dérive le courant de surtension à l’écart de la charge.
Les caractéristiques déterminantes sont la tension maximale de fonctionnement continu, le courant de décharge nominal, le courant de décharge maximal, le niveau de protection contre les surtensions et le courant de court-circuit assigné. Le niveau de protection correspond à la tension résiduelle que voit la charge pendant la surtension ; plus il est bas, mieux c’est pour les équipements sensibles, mais le dispositif doit néanmoins rester coordonné avec la protection amont.
Les types de SPD : Type 1, 2 et 3
La série IEC 61643 définit les catégories courantes de SPD. La classe d’essai exacte et les caractéristiques requises dépendent de l’installation et du code local.
| Type | Emplacement | Objet des essais | Utilisation typique |
|---|---|---|---|
| Type 1 | Arrivée de service, en amont du disjoncteur principal | Courant de foudre direct | Bâtiments équipés d’un système de protection contre la foudre ou alimentés par une ligne aérienne |
| Type 2 | Tableau de distribution | Courant de surtension après le premier étage | Tableaux principaux et secondaires de distribution |
| Type 3 | Au plus près de la charge | Tension résiduelle faible | Équipements sensibles, boîtes de raccordement, tableaux de contrôle |
Un dispositif de Type 1 n’est pas automatiquement meilleur qu’un Type 2. Le bon choix dépend de la présence ou non d’un système de protection contre la foudre sur le site, du caractère aérien ou souterrain de l’alimentation et des exigences du code local. Dans de nombreux projets, un Type 1 à l’arrivée et un Type 2 dans le tableau de distribution sont utilisés ensemble.
Où chaque SPD doit-il être installé ?
L’emplacement compte autant que les caractéristiques assignées. Un long conducteur de raccordement ajoute de l’inductance et augmente la tension résiduelle au niveau de la charge. Le SPD doit être installé avec des conducteurs courts et rectilignes et une liaison de terre à faible impédance.
| Emplacement | Dispositif | Ce qu’il protège |
|---|---|---|
| Arrivée de service | Type 1 ou Type 2 | L’installation et le tableau principal |
| Tableau de distribution principal | Type 2 | La sous-distribution et les départs |
| Tableau de distribution secondaire | Type 2 ou Type 3 | Les charges locales et les tableaux de contrôle |
| Entrée de l’onduleur | Type 2 en amont | Le redresseur de l’onduleur et la voie de dérivation |
| Sortie de l’onduleur / tableau critique | Type 3 | Serveurs, automates (PLC) et électronique sensible |
| Circuit de batterie CC | SPD adapté au courant continu | Le parc de batteries et le bus CC |
L’entrée et la sortie de l’onduleur sont souvent traitées comme des zones de protection distinctes. Une surtension à l’entrée peut endommager le redresseur ; une surtension à la sortie peut atteindre la charge même lorsque l’onduleur fonctionne sur batterie. Le schéma unifilaire doit représenter les deux.
SPD, onduleur et stabilisateur : des rôles différents
Ces dispositifs sont souvent vendus ensemble, mais ils remplissent des fonctions différentes. Le tableau ci-dessous constitue une référence rapide pour une réunion de projet.
| Dispositif | Fonction principale | Répond à | Ne remplace pas |
|---|---|---|---|
| SPD | Écrête la surtension transitoire | Surtensions d’origine atmosphérique et de commutation | La régulation de tension ou le secours |
| Stabilisateur / AVR | Corrige la tension efficace | Surtensions et sous-tensions durables | La protection contre les surtensions ou le secours |
| Onduleur | Conditionne l’alimentation et porte la charge | Coupure, creux, dérive de fréquence | La protection contre les surtensions à l’arrivée de service |
| Groupe électrogène | Produit de l’énergie pour une coupure prolongée | Coupure prolongée | La protection pendant le temps de transfert |
Une architecture courante associe un SPD de Type 1 à l’arrivée de service, un stabilisateur à servo pour l’ensemble de l’installation, un SPD de Type 2 à l’entrée de l’onduleur et un SPD de Type 3 au niveau de la charge critique. La page de solutions de protection contre les surtensions décrit cette coordination plus en détail.
Comment coordonner les SPD ?
La coordination consiste à choisir les dispositifs de sorte que le SPD aval n’absorbe pas la totalité de la surtension et que le SPD amont ne laisse pas une tension résiduelle trop élevée pour le dispositif aval. On utilise pour cela le tableau de coordination du fabricant ou une méthode de calcul.
Les vérifications pratiques sont les suivantes :
- Le niveau de protection du dispositif amont doit être inférieur à la tension de tenue du dispositif aval.
- La longueur de câble entre les étages doit être suffisante, ou une inductance de découplage doit être utilisée.
- Le fusible ou le disjoncteur de réserve doit être choisi en fonction du courant de court-circuit assigné du SPD.
- La liaison de terre doit être courte et commune au système de mise à la terre du bâtiment.
Ne mélangez pas des dispositifs de fabricants différents sans vérifier la coordination. Deux SPD individuellement corrects peuvent néanmoins être mal appariés.
Foudre, mise à la terre et circuit de batterie
Un système de protection contre la foudre et un système de SPD sont liés mais distincts. Le système de protection contre la foudre capte l’impact ; le SPD limite la surtension qui atteint l’installation électrique. Les deux nécessitent un chemin de terre à faible impédance.
Pour un onduleur, le circuit de batterie CC peut également transporter du courant de surtension. Un SPD adapté au courant continu peut être nécessaire au niveau de l’armoire de batteries, en particulier sur un site à risque élevé de foudre. Vérifiez la tension assignée en courant continu et la polarité ; un SPD pour courant alternatif ne convient pas au bus CC.
Les pages de la gamme de batteries VRLA et de la gamme de batteries LiFePO4 décrivent les configurations de batteries. La gamme de transformateurs et de réacteurs est pertinente lorsque le projet nécessite une isolation ou une impédance pour la coordination des surtensions.
Maintenance et inspection
Un SPD est un consommable. L’indicateur d’état doit être vérifié à chaque visite de maintenance, et la cartouche ou l’appareil doit être remplacé lorsque l’indicateur change. Un contact à distance peut reporter l’état vers le BMS ou le système de supervision de l’onduleur.
L’inspection doit également porter sur les conducteurs de raccordement, la liaison de terre et la protection de réserve. Un conducteur desserré ou une liaison de terre corrodée peut augmenter la tension résiduelle même lorsque le SPD lui-même est en bon état.
Liste de contrôle pour le projet
Utilisez cette liste de contrôle lors de la spécification de la protection contre les surtensions dans un projet d’onduleur.
- Confirmer la présence ou non d’un système de protection contre la foudre sur le site et le caractère aérien ou souterrain de l’alimentation.
- Sélectionner le dispositif de Type 1 ou de Type 2 pour l’arrivée de service.
- Ajouter un dispositif de Type 2 dans le tableau de distribution qui alimente l’onduleur et les charges critiques.
- Ajouter un dispositif de Type 3 dans le tableau critique lorsque la charge est sensible.
- Vérifier le niveau de protection contre la tension de tenue de la charge.
- Vérifier le courant de court-circuit assigné et le fusible de réserve.
- Confirmer la liaison de terre et la longueur des conducteurs.
- Ajouter un SPD adapté au courant continu au niveau du parc de batteries lorsque cela est nécessaire.
- Consigner l’indicateur d’état et le contact à distance dans le plan de maintenance.
- Faire figurer les emplacements des SPD sur le schéma unifilaire.
Pour la partie onduleur, utilisez le calculateur de dimensionnement et l’index complet des modèles. Pour un centre de données, commencez par le guide onduleur pour centre de données ; pour une salle de serveurs, utilisez le guide pour salle de serveurs. Les sites industriels peuvent commencer par la page onduleur industriel ou par la famille de produits onduleurs industriels.
Quels marchés exigent une attention particulière ?
La foudre et la distribution aérienne rendent la protection contre les surtensions plus importante dans certains marchés que dans d’autres. Le guide Afrique du Sud, le guide Philippines et le guide Bangladesh décrivent les conditions d’alimentation locales et les documents que les acheteurs demandent habituellement.
Pour les sites télécom, consultez la page de solutions télécom ; pour les salles de sécurité, consultez sécurité et vidéosurveillance ; pour les bâtiments commerciaux, consultez bâtiments commerciaux. Ces pages montrent la position du SPD par rapport à l’onduleur, au stabilisateur et au tableau de distribution.
Comment spécifier un SPD avec un onduleur ?
Envoyez le schéma unifilaire, la tension de service, la puissance de l’onduleur, la configuration des batteries, la sensibilité des charges et le risque de foudre du site. L’équipe d’ingénierie peut alors proposer l’agencement Type 1/2/3, le niveau de protection et la protection de réserve.
Utilisez la page fournisseur et devis pour la liste de contrôle commerciale, ou la page de contact pour une revue technique. La page des certifications détaille les documents propres à chaque modèle, et la page des téléchargements répertorie le dossier documentaire.
La protection contre les surtensions n’est pas un dispositif unique. C’est une couche coordonnée qui commence à l’arrivée de service et se termine au niveau de la charge. L’onduleur, le stabilisateur et le SPD remplissent chacun une fonction différente ; le projet fonctionne lorsque les frontières entre ces fonctions sont tracées sur le schéma unifilaire.
