Un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) limite les surtensions transitoires en dérivant l'énergie excédentaire vers la terre, protégeant les équipements contre la foudre et les opérations de commutation. Une surtension non protégée peut dégrader silencieusement l'électronique des variateurs pendant des mois avant une panne définitive, aussi le type et l'emplacement du SPD méritent-ils une véritable attention d'ingénierie.
Une surtension, ou surtension transitoire, est un pic bref durant des microsecondes à des millisecondes superposé à la sinusoïde normale. Les surtensions liées à la foudre proviennent d'un coup direct ou proche injectant du courant dans les conducteurs d'alimentation ou de mise à la terre, directement ou par couplage inductif. Les surtensions de commutation prennent naissance à l'intérieur du système : commutation de batteries de condensateurs, mise sous tension de transformateurs, réenclenchement d'alimentations, et interruption de charges inductives comme les moteurs et les contacteurs. Les transitoires de commutation surviennent beaucoup plus fréquemment que les transitoires de foudre, même si les événements de foudre transportent généralement plus d'énergie par événement.
La norme IEEE C62.41.2 définit la forme d'onde combinée standard pour ces événements : une forme d'onde de tension en circuit ouvert 1,2/50 microsecondes associée à une forme d'onde de courant court-circuit 8/20 microsecondes. Les courants de crête mesurés des retours de foudre varient largement, les premiers coups d'un éclair négatif se regroupant communément autour d'une médiane d'environ 30 kA et les coups suivants étant généralement plus faibles, mais l'énergie atteignant le câblage basse tension des installations est fortement atténuée par les transformateurs, l'impédance des conducteurs et toute protection en amont.
L'article 242 de la NEC (Protection contre les surtensions), qui a remplacé l'ancien article 285 dans la NEC 2020, et la norme UL 1449 définissent trois types de SPD selon l'emplacement d'installation et la mission :
Un SPD de Type 2 alimentant un centre de commande moteur est souvent l'emplacement offrant la plus grande valeur, placé près des variateurs et des contrôleurs les plus sensibles aux surtensions, de la même manière que les choix de fréquence porteuse des VFD influent sur la contrainte électrique des variateurs. Les dispositifs de Type 3 constituent une dernière ligne de défense, et non un substitut à la protection en amont.
La plupart des SPD limitent la tension avec des varistances à oxyde métallique (MOV), parfois associées à des tubes à décharge gazeuse pour une réponse plus rapide. Une MOV est un disque céramique de grains d'oxyde de zinc frittés se comportant comme des millions de jonctions de diodes microscopiques montées en opposition. En dessous de sa tension nominale elle présente une forte résistance et ne laisse passer qu'un petit courant de fuite ; une fois la tension au-delà de ce seuil, les jonctions claquent et conduisent fortement, dérivant le courant de surtension hors du circuit protégé, puis revenant à un état de haute résistance une fois le transitoire passé.
Les MOV ont une cote de tension maximale de fonctionnement continu (MCOV) avec une marge au-dessus de la tension normale du système. Elles se dégradent avec l'exposition cumulative aux surtensions : des conductances répétées fatiguent les frontières de grain d'oxyde de zinc, abaissant la tension d'écrêtage et augmentant le courant de fuite, ce qui augmente le chauffage et peut conduire à une fuite thermique en chaîne si rien n'est fait. UL 1449 exige que les SPD à base de MOV incluent une déconnexion thermique, couramment un lien fusible à base de soudure qui s'ouvre avant qu'une MOV en dégradation n'atteigne une température présentant un risque d'incendie, ainsi qu'un indicateur de fin de vie. Chaque SPD doit aussi porter un indice de courant de court-circuit (SCCR) précisant le courant de défaut maximal que le dispositif de protection en amont peut interrompre en toute sécurité si une MOV fait un court-circuit.
Deux chiffres importent le plus lors de la comparaison des SPD. La tension de protection (VPR), définie par la norme UL 1449, est la tension transmise mesurée et arrondie par le fabricant sous une onde combinée 6 kV/3 kA ; une VPR plus faible signifie un écrêtage plus serré, bien qu'elle doive toujours convenir à la tension du système pour éviter des conductions intempestives. Le courant nominal de décharge (In), vérifié en survivant à 15 décharges au niveau indiqué, indique le courant de surtension que le dispositif peut gérer de façon répétée sans défaillance. Comparez la VPR et l'In entre les SPD candidats plutôt que de vous fier aux revendications publicitaires non qualifiées sur les pics de surtension.
Une installation repose rarement sur un seul SPD. La protection est stratifiée : un dispositif de Type 1 ou Type 2 à l'arrivée de service absorbe l'essentiel de l'énergie entrante, des SPD de Type 2 sur les tableaux avals interceptent ce qui passe plus l'énergie des surtensions internes de commutation, et des SPD de Type 3 protègent les équipements sensibles individuels. La coordination dépend de l'impédance des conducteurs entre les étages : une séparation physique suffisante fournit une inductance de découplage de sorte que le dispositif en amont s'active en premier, ne laissant au dispositif aval que l'énergie résiduelle transmise. La pratique industrielle, s'appuyant sur la norme IEC 62305-4, préconise environ 10 mètres de séparation de câble entre des étages SPD en cascade ; lorsque les étages sont trop proches, un inducteur de découplage peut remplacer la longueur de câble. Sans séparation suffisante ni inducteur, le dispositif aval, qui a typiquement une tension d'écrêtage plus basse, peut déclencher en premier et être forcé d'absorber plus d'énergie que sa capacité nominale.
La longueur des conducteurs de liaison et d'arrivée compte aussi : une règle empirique couramment citée estime l'inductance d'un fil droit à environ 20 nH par pouce, et cette inductance s'ajoute à la tension transmise lors de la montée rapide du courant d'une surtension. Des conducteurs d'alimentation longs ou mal posés peuvent sensiblement augmenter la tension que voit réellement une charge protégée, même lorsque la tension d'écrêtage nominale du SPD est faible.
La mauvaise coordination et la dégradation des MOV sont deux modes de défaillance silencieux : un SPD peut sembler intact alors que sa capacité d'écrêtage a déjà diminué, le même angle mort affectant la qualité de l'énergie et les schémas de protection contre les défauts à la terre, où un dispositif est présent mais son état n'est pas vérifié entre les essais.
Parce que la dégradation des MOV est progressive et invisible de l'extérieur, les SPD nécessitent une routine de vérification continue, pas une simple installation unique : vérifier l'indicateur d'état à intervalles définis, remplacer immédiatement les modules signalés en fin de vie, et inspecter tout SPD qui a visiblement opéré après un événement connu de foudre ou de commutation même s'il montre encore une continuité. Fabrico lit l'état des machines et l'OEE directement depuis la ligne et peut acheminer automatiquement un ordre de travail dès qu'un actif surveillé présente une signature de défaut compatible avec un événement de surtension, en utilisant la vision par ordinateur pour détecter ce que les capteurs discrets manquent. Fabrico est développé dans l'UE avec résidence des données dans l'UE et détient les certifications ISO 27001, ISO 20000-1 et ISO 9001. Réservez une démonstration Fabrico.
Ce n'est pas recommandé. Les SPD de Type 3 sont conçus pour des énergies transmises plus faibles et sont destinés à fonctionner avec un dispositif en amont qui gère l'essentiel de l'énergie d'une surtension. Un dispositif Type 3 autonome peut être exposé à plus d'énergie qu'il n'est conçu pour en absorber de manière répétée.
Oui. Les SPD à base de MOV se dégradent de façon cumulative à chaque surtension qu'ils écrêtent, y compris les petits transitoires de commutation quotidiens qui ne déclenchent jamais un indicateur. La tension d'écrêtage dérive et le courant de fuite augmente progressivement, c'est pourquoi existent des déconnexions thermiques et des indicateurs d'état plutôt que de se fier à une panne apparente.
Un système de protection contre la foudre structurel intercepte une frappe directe et la conduit vers la terre, mais il ne limite pas les surtensions transitoires qui se couplent dans les câblages d'alimentation et de données internes pendant cet événement ou lors de commutations côté réseau. Les SPD traitent une autre voie de défaillance et sont généralement spécifiés en complément, et non en remplacement, de la protection structurelle contre la foudre.
La forme d'onde 8/20 microsecondes représente l'énergie induite par la foudre et les surtensions de commutation et est utilisée pour tester les SPD de Type 2 et Type 3. La forme d'onde 10/350 microsecondes représente l'énergie beaucoup plus élevée du courant d'une frappe directe de foudre et est utilisée pour tester les SPD de Type 1 destinés aux emplacements exposés aux frappes directes.
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