Que se passe-t-il à l'intérieur d'un parafoudre pendant un coup de foudre ?

Que se passe-t-il à l'intérieur d'un dispositif de protection contre les surtensions lors d'une foudre ?

Lors d'une foudre, les dispositifs de protection contre les surtensions (SPDs) jouent un rôle crucial pour protéger les équipements électriques des surtensions transitoires (c'est-à-dire, les surtensions). Voici les principaux processus et mécanismes qui se produisent à l'intérieur d'un SPD lors de tels événements :

1. Détection et réponse aux surtensions

Lorsqu'une surtension causée par une foudre pénètre dans le système électrique, le dispositif de protection contre les surtensions détecte rapidement cette tension anormale. Généralement, les SPDs ont un seuil de tension défini ; une fois que la tension détectée dépasse ce seuil, le protecteur active son mécanisme de protection.

2. Absorption et dissipation de l'énergie

Les SPDs absorbent et dissipent l'énergie de la surtension pour empêcher qu'elle n'atteigne les équipements électriques connectés. Les mécanismes d'absorption et de dissipation courants comprennent :

a. Varistances à oxyde métallique (MOVs)

• Principe de fonctionnement : Les MOVs sont des matériaux résistifs non linéaires dont la résistance change en fonction de la tension appliquée. Sous des tensions de fonctionnement normales, les MOVs présentent une haute résistance ; lorsque la tension dépasse un certain seuil, leur résistance chute brusquement, permettant au courant de passer.

• Dissipation de l'énergie : Les MOVs convertissent l'énergie électrique excédentaire en chaleur et la dissipent. Bien que les MOVs aient des caractéristiques de récupération automatique et puissent continuer à fonctionner après plusieurs petites surtensions, ils peuvent échouer après des surtensions importantes ou fréquentes.

b. Tubes de décharge à gaz (GDTs)

• Principe de fonctionnement : Les GDTs sont des tubes scellés remplis de gaz inerte. Lorsque la tension entre les deux extrémités dépasse une certaine valeur, le gaz à l'intérieur s'ionise, créant un chemin conducteur pour le courant.

• Dissipation de l'énergie : Les GDTs dissipent l'énergie de la surtension à travers le plasma créé par l'ionisation du gaz et éteignent automatiquement le plasma une fois que la tension revient à la normale, restaurant ainsi l'isolation.

c. Diodes de suppression de tension transitoire (TVS)

• Principe de fonctionnement : Les diodes TVS restent dans un état de haute résistance sous des tensions de fonctionnement normales. Lorsque la tension dépasse leur tension de claquage, la diode bascule rapidement vers un état de faible résistance, permettant au courant de circuler.

• Dissipation de l'énergie : Les diodes TVS dissipent l'énergie de la surtension par l'effet avalanche dans leurs jonctions PN internes et sont adaptées aux surtensions rapides et de petite taille.

3. Dérivation de l'énergie et mise à la terre

Les SPDs n'absorbent pas seulement l'énergie de la surtension, mais la dérivent également vers les lignes de terre pour réduire davantage l'impact sur les équipements. Les mécanismes spécifiques comprennent :

• Circuits de dérivation : Les SPDs sont conçus avec des circuits de dérivation spécialisés pour guider la surtension vers la ligne de terre, empêchant qu'elle ne pénètre directement dans les dispositifs de charge.

• Système de mise à la terre : Un bon système de mise à la terre est essentiel pour assurer un fonctionnement efficace des SPDs. Le système de mise à la terre doit fournir un chemin de faible impédance pour dissiper rapidement l'énergie de la surtension dans le sol.

4. Récupération post-surtension

Après l'événement de surtension, le SPD doit revenir à son état de fonctionnement normal. Les différents types de protecteurs ont des mécanismes de récupération différents :

• MOVs : Si la surtension n'a pas causé de dommages permanents au MOV, il reviendra automatiquement à un état de haute résistance une fois que la tension sera normalisée.

• GDTs : Une fois que la tension revient à la normale, le plasma à l'intérieur du GDT s'éteint automatiquement, restaurant l'état isolant.

• Diodes TVS : Après que la tension soit normalisée, les diodes TVS reviennent également automatiquement à un état de haute résistance.

5. Modes de défaillance et protection

Bien que les SPDs soient conçus pour gérer les surtensions, ils peuvent encore échouer dans des cas extrêmes. Pour assurer la sécurité, de nombreux SPDs incluent des fonctionnalités supplémentaires :

• Dispositifs de déconnexion thermique : Lorsqu'un MOV ou autre composant surchauffe et échoue, le dispositif de déconnexion thermique interrompt le circuit pour prévenir les incendies et autres dangers.

• Lumières indicatrices/Alarmes : Certains SPDs sont équipés de lumières indicatrices ou d'alarmes pour informer les utilisateurs si le protecteur fonctionne correctement.

Conclusion

Lors d'une foudre, les dispositifs de protection contre les surtensions protègent les équipements électriques par les étapes suivantes :

• Détection des surtensions : Identifier les situations où la tension dépasse les plages normales.

• Absorption et dissipation de l'énergie : Utiliser des composants comme les MOVs, les GDTs et les diodes TVS pour convertir l'énergie de la surtension en chaleur ou d'autres formes d'énergie.

• Dérivation vers les lignes de terre : Guider la surtension vers les lignes de terre pour minimiser l'impact sur les équipements.

• Retour à l'état normal : Après la surtension, le protecteur retourne à son état de fonctionnement normal.

• Protection contre les défauts : Fournir des mesures de sécurité supplémentaires en cas extrême pour prévenir d'autres dommages.