Parafoudres : évolution matériaux et protection contre la foudre expliqués
Parafoudres et leur évolution
Un parafoudre est toujours connecté en parallèle avec l'équipement électrique qu'il protège. Il n'interfère pas avec le fonctionnement normal de l'équipement à la tension du système. Cependant, lorsque une surtension dangereuse apparaît sur l'équipement, le parafoudre conduit en premier, déviant la surtension en toute sécurité vers le sol.
La forme la plus ancienne et la plus simple de parafoudre consistait en deux tiges métalliques séparées par un intervalle et connectées en parallèle à travers l'équipement électrique. Lorsque la tension à travers cet intervalle dépassait un certain seuil, l'air (l'intervalle) se brisait, protégeant l'équipement. Ce type de parafoudre est connu sous le nom de "gap d'expulsion" ou "gap protecteur".
Le phénomène de la foudre est similaire : les nuages orageux et la terre agissent comme deux conducteurs (électrodes). Lorsque la tension entre eux devient trop élevée, l'air entre eux se brise, entraînant un coup de foudre.
Cependant, il y a une différence cruciale. Les gaps protecteurs sont connectés directement à travers les lignes électriques. Une fois qu'une surtension dangereuse cause la rupture du gap (c'est-à-dire que l'air entre les tiges est ionisé), la centrale électrique ou le poste de transformation n'est pas au courant de cet événement - ou ne peut pas réagir assez rapidement. Par conséquent, elle continue à fournir du courant au gap maintenant conducteur. Comme le gap fournit un chemin vers le sol, ce courant s'écoule continuellement, causant un court-circuit dans le système électrique. Ainsi, bien que les gaps protecteurs soient simples à utiliser, leur fonctionnement crée un arc durable à travers le gap, conduisant à une condition de court-circuit.
Comment pouvait-on éteindre rapidement l'arc à travers le gap protecteur après son fonctionnement ? Cela a conduit au développement de la deuxième génération de parafoudres - le parafoudre d'expulsion (ou tubulaire). Cette conception confine d'abord l'arc dans un tube, puis utilise des méthodes pour l'éteindre.
Néanmoins, les parafoudres d'expulsion ont encore un inconvénient : indépendamment de leur capacité à éteindre l'arc, ils dévient toujours le courant du système électrique directement vers le sol, causant un défaut momentané à la terre (court-circuit).
Une solution idéale serait un dispositif qui bloque le courant ou permet seulement un écoulement minimal sous tension normale, évitant ainsi les courts-circuits, mais qui conduit rapidement de grands courants de surtension (comme la foudre) vers le sol lorsqu'il y a des surtensions dangereuses. En termes simples, un tel dispositif agirait comme un "interrupteur intelligent", sachant exactement quand s'ouvrir et se fermer. Dans les parafoudres, cet "interrupteur intelligent" a été initialement réalisé en utilisant un matériau appelé carbure de silicium (SiC). Les parafoudres fabriqués à partir de ce matériau sont connus sous le nom de parafoudres à valve, car ils fonctionnent comme des valves électriques.
Il est important de noter que cette "vanne" est un composant électrique, pas une vanne mécanique comme un robinet ou une vanne de tuyau. Les vannes mécaniques sont beaucoup trop lentes pour répondre à la foudre, qui frappe en microsecondes. Au lieu de cela, une "vanne" électrique faite d'un résistor non-linéaire est nécessaire. Le carbure de silicium était le premier matériau de résistor non-linéaire découvert pour une utilisation dans les applications haute tension.
La technologie évolue continuellement. Un second matériau de résistor non-linéaire a été découvert plus tard pour les parafoudres : l'oxyde de zinc (ZnO). Il remplit une fonction similaire au carbure de silicium, mais présente de meilleures caractéristiques de "vanne" - décrites professionnellement comme ayant une meilleure non-linéarité.
Qu'est-ce que la non-linéarité ? Figurativement, cela signifie faire l'opposé : être petit quand il devrait être grand, et grand quand il devrait être petit - contrairement aux composants linéaires, qui évoluent proportionnellement.
Dans les parafoudres, la non-linéarité se manifeste comme suit : lorsque le courant est élevé (par exemple, pendant une surtension due à la foudre), la résistance devient très faible, et plus la résistance est faible, meilleure est la non-linéarité. Lorsque le courant est faible (après que la surtension due à la foudre a passé et que le système revient à la tension de fonctionnement normale), la résistance devient très élevée, et plus la résistance est élevée, meilleure est la non-linéarité.
Le carbure de silicium présente de la non-linéarité, mais il n'est pas idéal. Sous tension de fonctionnement normale, sa résistance n'est pas suffisamment élevée, permettant un petit courant de fuite de s'écouler à travers le parafoudre - comme une vanne qui ne se ferme pas complètement, entraînant un écoulement continu de courant.
Ce comportement est inhérent au matériau, et les efforts pour éliminer ce fuite par des améliorations du matériau ont été en grande partie infructueux. Par conséquent, lors de l'utilisation du carbure de silicium dans les parafoudres, des solutions structurelles sont employées : le parafoudre est initialement isolé de la ligne et ne se connecte que pendant une surtension. Cette tâche est accomplie en utilisant un gap série. Par conséquent, les parafoudres à valve nécessitent presque toujours un gap. En revanche, les vannes d'oxyde de zinc "se ferment hermétiquement" sous tension de fonctionnement normale, donc elles n'ont pas besoin d'un gap série.
Avec l'amélioration de la technologie de fabrication de l'oxyde de zinc, les limitations initiales en termes de capacité de "fermeture" ont été surmontées. Cependant, en raison de la prévalence historique des conceptions avec gap, certains parafoudres à oxyde de zinc intègrent encore des gaps. Néanmoins, les parafoudres à oxyde de zinc sans gap constituent la grande majorité.
Comme l'oxyde de zinc est un oxyde métallique, ces parafoudres sont également connus sous le nom de Parafoudres à Oxyde Métallique (POM).
Protection contre la foudre dans les systèmes électriques
Du point de vue des dispositifs de protection contre la foudre, il existe trois types principaux : les paratonnerres (terminaux aériens), les câbles de garde (fil de protection) et les parafoudres. Les deux premiers sont structuralement simples - essentiellement des tiges et des câbles - tandis que le dernier est plus complexe en raison de sa dépendance aux résistors non-linéaires agissant comme des "interrupteurs intelligents".
Du point de vue des objets protégés, la protection contre la foudre peut être catégorisée en : protection des lignes aériennes, protection des postes de transformation, et protection des moteurs.
Les lignes aériennes s'étendent sur de vastes distances, exposées dans des zones ouvertes. Pour minimiser l'impact sur la vie terrestre et les écosystèmes, elles sont installées à une hauteur significative. Comme on dit, "l'arbre le plus haut attrape le plus de vent", les rendant des cibles privilégiées pour la foudre. Les statistiques montrent que la majorité des pannes du réseau électrique sont causées par des coups de foudre sur les lignes. Par conséquent, les lignes aériennes doivent être protégées. Cependant, en raison de leur longueur, une protection absolue est impraticable et prohibitivement coûteuse. Ainsi, la protection des lignes est relative : certains coups de foudre sont autorisés à frapper la ligne et à causer des flashovers. Cette protection est principalement réalisée en utilisant des câbles de garde.
En revanche, les postes de transformation sont beaucoup plus critiques. Ils servent de nœuds du système électrique, abritant des équipements concentrés et du personnel. Par conséquent, leurs exigences en matière de protection contre la foudre sont extrêmement élevées.
La foudre peut atteindre un poste de transformation via deux voies principales : les coups directs, atténués par les paratonnerres (ou parfois les câbles de garde) ; et les surtensions se propageant des coups de foudre sur les lignes de transmission, qui sont principalement gérées par les parafoudres.
La protection contre la foudre des moteurs (y compris les alternateurs, les condensateurs synchrones, les changeurs de fréquence et les moteurs électriques) est aussi critique que la protection des postes de transformation. Les alternateurs sont le "cœur" du système électrique, et les grands moteurs sont des moteurs industriels vitaux. Les dommages causés par la foudre à ces composants entraînent des pertes importantes. Cependant, la protection des moteurs est plus difficile que celle des postes de transformation. Les moteurs sont des machines tournantes, donc leur isolation ne peut pas être excessivement épaisse et doit être solide (contrairement à l'isolation liquide utilisée dans les transformateurs). L'isolation solide est sujette au vieillissement, nécessitant non seulement une protection primaire avec des parafoudres, mais aussi des mesures de protection auxiliaires supplémentaires.
Parafoudres à oxyde de zinc avec boîtier composite
Un parafoudre est un dispositif électrique avec deux électrodes - l'une généralement mise à la terre et l'autre connectée à haute tension - séparées par un matériau isolant, connu professionnellement sous le nom d'isolateur.
Comme la plupart des équipements du système électrique sont exposés à l'atmosphère, les surfaces isolantes sont en contact direct avec l'environnement. Cette partie de l'isolation est appelée isolation externe ou isolation extérieure.
L'isolation extérieure est constamment exposée au soleil, à la pluie, au vent, à la neige, à la brume et à la rosée. Par conséquent, les matériaux d'isolation extérieure qualifiés doivent non seulement posséder d'excellentes propriétés électriques et mécaniques, mais aussi démontrer une résistance supérieure aux conditions climatiques et une durée de vie de 40 à 50 ans. Actuellement, la porcelaine est le matériau d'isolation extérieure le plus largement utilisé en ingénierie, avec le verre trempé également utilisé dans les applications de lignes.
La porcelaine et le verre sont des matériaux inorganiques. Outre leurs excellentes performances électriques et mécaniques, leur avantage clé est leur stabilité environnementale - une résistance exceptionnelle aux conditions climatiques - leur permettant de dominer l'isolation externe des systèmes électriques depuis près d'un siècle.
Cependant, ils partagent un point faible commun : leurs surfaces sont hydrophiles. Cela permet aux couches de pollution sur la surface de l'isolateur d'absorber l'humidité. Lorsque la pollution se combine avec l'humidité, elle permet le passage du courant, potentiellement causant un flashover à travers la surface de l'isolateur sous tension de fonctionnement normale. Ceci est communément connu sous le nom de flashover de pollution, plus spécifiquement, décharge de surface le long d'un isolateur pollué et humide.
Au cours des dernières décennies, le caoutchouc silicone a été largement adopté dans le monde entier pour remplacer les matériaux traditionnels pour les isolateurs. Le caoutchouc silicone est un matériau organique présentant une forte hydrophobie, augmentant considérablement la tension de flashover de l'isolation externe.
Les isolateurs fabriqués à partir de matériaux organiques sont souvent appelés isolateurs polymères (car les matériaux organiques sont des polymères), isolateurs non-céramiques, isolateurs composites (puisque l'isolation externe est synthétique), ou même isolateurs en plastique à l'étranger.
En Chine, ils étaient auparavant connus sous le nom d'isolateurs composites ou d'isolateurs en caoutchouc silicone. Ils sont maintenant uniformément appelés isolateurs composites organiques (car les matériaux organiques sont composites, et ces isolateurs sont généralement fabriqués à partir d'un composite de caoutchouc silicone et d'une tige en fibre de verre époxy), communément abrégés en isolateurs composites.
Par conséquent, un parafoudre à oxyde de zinc avec boîtier composite utilise un matériau organique - spécifiquement le caoutchouc silicone - comme isolation externe pour un parafoudre à oxyde de zinc.
