Fonctionnement d'un dispositif de protection contre les surtensions en courant continu (SPD) : Guide de l'ingénieur

Le pire cauchemar d'un ingénieur : une ferme solaire flambant neuve, d'une valeur de plusieurs millions de dollars, s'éteint après un orage lointain. L'onduleur a grillé. Une tour de télécommunications ultramoderne perd sa connectivité, ce qui provoque une panne de réseau. La centrale électrique à courant continu est en panne. Dans les deux cas, le coupable n'est pas un coup de foudre direct, mais un tueur silencieux et invisible : une surtension sur les lignes de courant continu. Ces surtensions transitoires, qui ne durent que quelques microsecondes, sont suffisamment puissantes pour dégrader, endommager et détruire les composants électroniques sensibles qui constituent l'épine dorsale de notre infrastructure moderne.

En tant qu'ingénieur d'application principal, j'ai vu ce scénario coûteux se dérouler trop souvent. Les ingénieurs conçoivent méticuleusement chaque aspect d'un système, pour finalement négliger le composant qui joue le rôle de garde du corps du système : le dispositif de protection contre les surtensions en courant continu (SPD). Ce guide a pour but de changer cela. Nous allons aller au-delà de la description générique de la “protection contre la foudre” et nous plonger dans les principes d'ingénierie du fonctionnement d'un SPD DC, comment sélectionner le bon pour votre application et pourquoi il s'agit de l'investissement le plus critique que vous puissiez faire pour la fiabilité de votre système.

Il ne s'agit pas seulement de théorie. Il s'agit d'un guide pratique destiné aux ingénieurs de terrain qui sont chargés de maintenir les systèmes en ligne, de protéger les actifs coûteux et de prévenir les défaillances catastrophiques.

Qu'est-ce qu'un DOCUP et pourquoi est-il différent ?

À la base, un dispositif de protection contre les surtensions en courant continu est un composant spécialisé conçu pour protéger les équipements électriques contre les surtensions transitoires dans les circuits en courant continu (CC). Il s'agit en quelque sorte d'un gardien pour vos lignes électriques. Dans des conditions de fonctionnement normales, il reste électriquement inactif et n'a aucune influence sur le système. Cependant, dès qu'il détecte une pointe de tension supérieure à un niveau de sécurité prédéterminé, il s'active instantanément, détourne l'énergie nuisible de la surtension en toute sécurité vers la terre, puis se réinitialise automatiquement, prêt pour l'événement suivant.

La distinction essentielle que tout ingénieur doit comprendre est que les SPD à courant continu ne sont pas interchangeables avec leurs homologues à courant alternatif (CA). Il ne s'agit pas d'un gadget marketing, mais d'une question fondamentale de physique électrique.

La tension alternative passe naturellement par le zéro 100 ou 120 fois par seconde (pour les systèmes 50/60 Hz). Lorsqu'un dispositif de protection contre les surtensions en courant alternatif détourne une surtension, le point de passage par zéro qui s'ensuit donne l'occasion au composant de protection (comme un tube à décharge) d'éteindre l'arc électrique et de revenir à son état de non-conduction.

La tension continue, de par sa nature, est un flux de courant continu et incessant. Il n'y a pas de passage à zéro. Si un disjoncteur à courant alternatif était installé dans un circuit à courant continu, après avoir dévié la surtension initiale, il serait probablement incapable d'éteindre le courant de suite provenant de la source de courant continu. Cela crée un court-circuit durable, entraînant une défaillance catastrophique du disjoncteur, souvent accompagnée d'un incendie et de fumée, sans offrir de protection permanente.

Principaux enseignements : N'utilisez jamais un dispositif de protection contre les surtensions en courant alternatif dans une application en courant continu. L'absence de passage par zéro dans les systèmes à courant continu nécessite des composants spécifiquement conçus pour éteindre en toute sécurité un arc à courant continu. L'utilisation d'un mauvais type de disjoncteur est plus dangereuse que l'absence de disjoncteur.

Le principe de fonctionnement de base : Le serrage et la déviation

Pour comprendre le fonctionnement d'un DOC, il est utile d'utiliser une analogie : une soupape de sûreté à haute vitesse et à réarmement automatique dans une conduite d'eau.

1. État normal : La vanne est fermée. L'eau (tension) la traverse à sa pression (niveau de tension) normale vers l'équipement en aval.
2. Événement de surtension : Une onde de pression soudaine (surtension) se propage dans le tuyau.
3. Activation : Avant que la dangereuse onde de pression n'atteigne l'équipement sensible, la soupape s'ouvre instantanément, détournant l'excès de pression par une sortie secondaire reliée à un système de drainage sûr (au sol).
4. Protection : En s'ouvrant, la soupape “bloque” la pression à son niveau d'activation, ce qui garantit que l'équipement en aval ne subit jamais qu'une pression sûre et gérable.
5. Remise à zéro : Dès que l'onde de pression est passée et que la pression du système revient à la normale, la vanne se ferme automatiquement, prête pour l'événement suivant.

Un DC SPD effectue ces deux mêmes actions fondamentales dans le domaine électrique :

• Tension de serrage : Il limite la tension transitoire à un niveau sûr que l'équipement protégé peut supporter. Ce niveau est connu sous le nom de niveau de protection de tension (Up) du SPD.
• Diversion actuelle : Il fournit un chemin à faible impédance pour dévier l'immense courant de surtension loin de l'équipement sensible et en toute sécurité dans le système de mise à la terre.

Pour que cela fonctionne, le SPD doit être installé en parallèle avec la charge à protéger, créant ainsi une voie de “drainage” alternative. L'efficacité de l'ensemble du système dépend de la qualité de ce chemin, en particulier d'une connexion robuste et à faible impédance à la terre. Un SPD phénoménal avec une mauvaise connexion à la terre est comme une soupape de sécurité avec un tuyau d'évacuation bouché : il ne sert à rien.

Dans la boîte : Une décomposition des composants de base

Si le principe est simple, la magie réside dans les composants qui permettent cette commutation quasi instantanée. Les deux technologies les plus utilisées dans les SPD à courant continu sont les varistances à oxyde métallique (MOV) et les tubes à décharge (GDT). Il est essentiel de comprendre leurs caractéristiques distinctes pour choisir le bon dispositif.

Varistances à oxyde métallique (MOV) : Le cheval de bataille

Le MOV est le composant le plus courant dans les SPD modernes. Il s'agit d'une résistance non linéaire, que l'on peut décrire comme un interrupteur dépendant de la tension.

• Comment cela fonctionne-t-il ? Un MOV est un disque de type céramique composé de grains d'oxyde de zinc (ZnO) mélangés à d'autres oxydes métalliques. À l'état normal, les limites entre les grains agissent comme des jonctions à haute résistance, ce qui fait que le MOV se comporte comme un circuit ouvert. Lorsqu'une haute tension est appliquée, ces limites de grains se brisent en quelques nanosecondes, leur résistance s'effondre et le MOV devient hautement conducteur, déviant la surtension. Lorsque la tension revient à la normale, les joints de grains se reforment et le MOV retrouve son état de haute résistance.
• Pour : Temps de réponse très rapide (typiquement <25 nanosecondes), bonne capacité de traitement de l'énergie et faible coût.
• Cons : Ils se dégradent avec chaque surtension qu'ils détournent. À chaque fois qu'un MOV absorbe une surtension, sa structure interne se modifie légèrement, ce qui abaisse sa tension de claquage. Avec le temps, il peut se dégrader au point de commencer à “fuir” le courant à des tensions de fonctionnement normales, ce qui peut entraîner un emballement thermique.

Tubes de décharge de gaz (GDT) : Le poids lourd

Un GDT est une technologie plus ancienne mais extrêmement robuste. Il s'agit essentiellement d'un paratonnerre miniature dans un tube scellé.

• Comment cela fonctionne-t-il ? Un GDT se compose de deux ou plusieurs électrodes scellées dans un minuscule cylindre en céramique rempli d'un mélange de gaz inerte. Sous tension normale, le gaz n'est pas conducteur. Lorsqu'une surtension atteint la tension d'étincelle du GDT, le gaz s'ionise et crée un court-circuit presque parfait (un “arc”), détournant le courant de surtension vers la terre. Il s'agit d'une action de “pied de biche” - il s'agit en fait d'un pied de biche sur la ligne.
• Pour : Capables de supporter des courants de surtension extrêmement élevés (Iimp), ils sont idéaux pour les applications de foudroiement direct (SPD de type 1). Ils ont une résistance d'isolation très élevée et ne se dégradent pas à l'usage comme le font les MOV.
• Cons : Ils sont plus lents à réagir que les MOV. Il y a un léger délai lorsque le gaz s'ionise, pendant lequel la tension peut dépasser les limites. Après la surtension, il faut que la tension tombe très bas pour éteindre l'arc, ce qui peut poser un problème dans les circuits à courant continu (ce qui nous ramène au problème du passage par zéro).

Les SPD hybrides : Le meilleur des deux mondes

Reconnaissant les forces et les faiblesses de chaque technologie, de nombreux SPD avancés sont des conceptions “hybrides”. Ils utilisent souvent un GDT en série ou en parallèle avec un MOV. Une configuration courante place un GDT en première ligne pour gérer les courants de foudre massifs, avec un MOV en aval pour bloquer la tension de “passage” plus rapidement et à un niveau plus bas, fournissant ainsi une stratégie de protection en deux étapes.

Comparaison : MOV vs. GDT en un coup d'œil

Un cadre pratique pour choisir le bon DOCUP

Le choix d'un DOCUP ne consiste pas à trouver le plus “gros” ; il s'agit d'un processus de gestion des risques techniques. Vous devez faire correspondre les spécifications du DOCUP aux exigences de votre système et à l'environnement extérieur. Voici un cadre étape par étape pour guider votre sélection.

Étape 1 : Déterminer la tension maximale de fonctionnement continu (MCOV / Uc)

Il s'agit du paramètre le plus critique. Le MCOV (désigné par Uc dans les normes CEI) est la quantité maximale de tension continue à laquelle le dispositif de protection solaire peut être soumis en permanence sans conduire.

Règle de base : Le MCOV du SPD doit être au moins 1,25 fois la tension nominale maximale du système. Cette marge de sécurité de 25% tient compte des fluctuations de tension, des tensions de charge de la batterie et des effets de la température sur le système (en particulier dans le cas de l'énergie solaire photovoltaïque).

• Pour un système de télécommunication de 48V DC, vous devez calculer : 48V * 1,25 = 60V. Vous devez sélectionner un SPD avec un MCOV de 60V ou plus.
• Pour un système solaire photovoltaïque, vous devez utiliser la tension maximale en circuit ouvert (Voc) de la chaîne à la température ambiante la plus basse prévue, puis appliquer le facteur de sécurité.

Conseil de pro : Ne pas confondre la tension nominale du système avec le MCOV. Le choix d'un dispositif de protection solaire dont le MCOV est trop proche de la tension nominale est l'une des principales causes de défaillance prématurée. L'appareil interprétera les pics de tension normaux du système comme de petites surtensions, ce qui l'amènera à conduire en permanence et à se dégrader rapidement.

Étape 2 : Évaluer le niveau de protection de la tension (Up)

Le niveau de protection de la tension (Haut de la page) est la tension maximale qui passera à travers du SPD à l'équipement en aval lors d'une surtension. Il s'agit de la tension “bridée”.

L'objectif est de coordination de l'isolation. Les Haut de la page de votre SPD doit être nettement inférieure à la tension de tenue d'isolement (Uw) de l'équipement que vous protégez. La plupart des appareils électroniques modernes ont un Uw d'environ 1500V, mais il convient de toujours vérifier les spécifications techniques de l'équipement.

Règle de base : Sélectionner un DOCUP avec un Haut de la page qui est inférieure d'au moins 20% à la Uw de l'appareil protégé.

• Si votre onduleur solaire est équipé d'un Uw de 2500V, vous devez choisir un SPD avec un Haut de la page de 2000V ou moins.

Il y a un compromis à faire : une Haut de la page offre une meilleure protection mais peut parfois signifier que le SPD travaille plus dur et peut avoir une durée de vie plus courte. Toutefois, le remplacement d'un SPD est toujours moins coûteux que celui d'un onduleur.

Étape 3 : Évaluer les valeurs nominales du courant de surtension (In, Imax, Iimp)

Ce paramètre définit la quantité d'énergie de surtension que le SPD peut supporter. Il existe trois catégories principales :

• Courant de décharge nominal (In) : Cette valeur définit le courant de crête qu'un dispositif de protection solaire peut supporter pour une forme d'onde normalisée de 8/20 µs pendant au moins 15 répétitions. Il indique la robustesse du dispositif de protection contre les surtensions induites (frappes à proximité) et constitue le principal indice pour les dispositifs de protection contre les surtensions de type 2. Une valeur plus élevée de En (par exemple, 20 kA contre 10 kA) implique généralement une durée de vie plus longue.
• Courant de décharge maximal (Imax) : Il s'agit du courant de crête maximal que le SPD peut supporter une fois pour une forme d'onde de 8/20 µs. C'est une mesure de sa capacité de “sécurité intégrée”. Il s'agit d'une valeur nominale pour les SPD de type 2.
• Courant d'impulsion (Iimp) : Cet indice est spécifique aux parafoudres de type 1. Il indique la capacité du dispositif à résister à un coup de foudre direct, simulé avec une forme d'onde à haute énergie de 10/350 µs. Les disjoncteurs dotés d'un Iimp sont nécessaires au niveau du branchement ou dans les endroits fortement exposés aux coups directs.

Guide de sélection :

• Pour la protection contre les coups directs au niveau du branchement d'un bâtiment, un DOCUP de type 1 avec un Iimp (par exemple, 12,5 kA ou 25 kA) est nécessaire.
• Pour la protection des panneaux de sous-distribution ou à proximité de l'équipement final (par exemple, à l'entrée CC d'un onduleur solaire), il est possible d'installer un DOCUP de type 2 avec une solide En (par exemple, 20 kA) est le choix standard.

Modes de défaillance et importance de la protection thermique

Nous avons établi que les MOVs, les chevaux de bataille des SPDs, se dégradent avec le temps. Cela conduit à un mode de défaillance critique : emballement thermique.

Au fur et à mesure qu'un MOV vieillit, son courant de fuite en attente à la tension de fonctionnement normale augmente. Ce flux de courant génère de la chaleur. Si cette chaleur n'est pas gérée, elle augmente la conductivité du MOV, qui à son tour augmente le courant de fuite, créant ainsi une dangereuse boucle de rétroaction positive. Le MOV devient de plus en plus chaud jusqu'à ce qu'il tombe en panne de manière catastrophique, généralement par court-circuit. Dans un système à courant continu de forte puissance, ce court-circuit peut provoquer un incendie, un éclair d'arc électrique et la destruction du SPD et de l'équipement environnant.

Pour résoudre ce problème, les fabricants réputés construisent leurs SPD avec une protection thermique intégrée. A MOV à protection thermique (TPMOV) comprend un élément de déconnexion thermique lié au corps du MOV.

• Comment cela fonctionne-t-il ? Si le MOV commence à surchauffer, avant qu'il ne puisse s'emballer thermiquement, l'élément de déconnexion s'active. Il déconnecte physiquement le MOV du circuit, créant ainsi un état de fin de vie sûr en circuit ouvert.

Il s'agit de la caractéristique de sécurité la plus importante d'un SPD moderne à base de MOV. C'est la différence entre un dispositif qui tombe en panne en toute sécurité en se mettant simplement hors ligne et un dispositif qui tombe en panne en prenant feu.

Principaux enseignements : Il faut toujours spécifier et installer des SPD dotés d'une protection thermique intégrée. L'indicateur d'état visuel (souvent un drapeau qui passe du vert au rouge) est lié à ce déconnecteur thermique. Lorsque le drapeau est rouge, il ne s'agit pas d'une simple suggestion, mais d'une indication que l'élément de protection a été déconnecté en toute sécurité et que le module SPD doit être remplacé immédiatement.

Applications dans le monde réel : Où DC SPDs Sont critiques

Si les SPD sont utiles dans tous les systèmes à courant continu, ils ne sont pas négociables dans certaines applications clés.

Systèmes solaires photovoltaïques (PV)

Les réseaux solaires sont, par nature, très exposés aux phénomènes atmosphériques. Ce sont de grandes structures métalliques, souvent installées en plein champ ou sur des toits, avec de longs câbles de courant continu qui agissent comme des antennes parfaites pour capter les surtensions induites par la foudre à proximité. Le côté CC d'une installation solaire, des panneaux aux boîtiers de raccordement jusqu'à l'entrée de l'onduleur, est le point le plus vulnérable du système.

• Stratégie de placement : Les SPD sont nécessaires aux deux extrémités de tout long câble de courant continu.
  • Combiner Box : A Type 2 DC SPD doit être installé dans la boîte combinée pour protéger les panneaux.
  • Onduleur : Un SPD DC de type 2 robuste est absolument essentiel à l'entrée DC de l'onduleur central ou de l'onduleur de branche. Il s'agit de la dernière ligne de défense pour le composant le plus cher du système.

Applications industrielles et de télécommunications

• Télécommunications : L'alimentation 48V DC est la norme mondiale pour les télécommunications et les centres de données. Les SPD sont essentiels pour protéger les redresseurs, les batteries et les équipements radio sensibles dans les tours cellulaires et les stations de base.
• Systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) : Ces systèmes impliquent de grandes batteries et des onduleurs bidirectionnels. Les SPD sont essentiels pour protéger le système de gestion de la batterie (BMS) et les convertisseurs DC-DC contre les surtensions induites par le réseau ou la foudre.
• Systèmes de contrôle industriel : Toute installation utilisant des capteurs, des actionneurs ou des commandes PLC alimentés en courant continu doit être équipée de disjoncteurs de courant continu afin d'éviter les temps d'arrêt coûteux dus aux pannes d'équipement liées aux surtensions.

Meilleures pratiques d'installation : Ne compromettez pas votre protection

Un dispositif de protection solaire coûteux et parfaitement spécifié peut être rendu inutile par une mauvaise installation. La physique des surtensions à haute fréquence signifie que chaque centimètre de fil est important.

Règle #1 : Garder les longueurs de câble aussi courtes que possible physiquement

Un courant de choc est une impulsion qui augmente très rapidement (forte intensité). di/dt). Le fil qui relie le SPD à la ligne et à la terre a une inductance. Cette inductance crée une chute de tension additive (V = L * di/dt) au sommet de la tension de serrage propre au SPD (Haut de la page).

Exemple : Même un mètre de fil de connexion peut ajouter plus de 1000 V à la tension de passage lors d'une surtension typique. Si votre SPD a un Haut de la page de 1500V, ces 1000V supplémentaires provenant des fils signifient que votre équipement “protégé” voit maintenant 2500V.

Conseil de pro : Respectez la règle des 50 centimètres. La longueur totale des fils de connexion vers et depuis le SPD (phase + terre) ne doit pas dépasser 50 cm. Dans la mesure du possible, torsadez les fils ensemble pour réduire davantage la boucle d'inductance. Monter le SPD aussi près que possible du point de connexion sur le jeu de barres principal.

Règle #2 : Une mise à la terre solide et de faible impédance n'est pas négociable

Le SPD fonctionne en détournant le courant vers la terre. Si la connexion à la terre est faible, résistive ou inexistante, il n'y a pas de chemin pour la surtension. L'énergie trouvera simplement un autre chemin, probablement à travers votre équipement sensible. Assurez-vous que la connexion à la terre du SPD est reliée directement à la terre principale de l'équipement (EGC) et au système d'électrodes de terre (GES) avec un conducteur de taille appropriée.

Foire aux questions (FAQ)

1. Puis-je vraiment ne pas utiliser un SPD en courant alternatif pour une application en courant continu ?
Absolument pas. Comme nous l'avons expliqué, l'incapacité d'un dispositif de protection contre les incendies en courant alternatif à éteindre un arc électrique en courant continu constitue un risque important pour la sécurité et la lutte contre l'incendie. Ils sont fondamentalement différents et ne doivent pas être interchangés.

2. Une valeur nominale de kA plus élevée (comme Imax) est-elle toujours meilleure ?
Pas nécessairement. Une note plus élevée indique une plus grande robustesse, mais il est plus important d'avoir la correctes Haut de la page et MCOV. Un disjoncteur de 40 kA avec un mauvais MCOV tombera en panne plus rapidement et offrira moins de protection qu'un disjoncteur de 20 kA correctement sélectionné. Concentrez-vous d'abord sur la sélection des paramètres de tension appropriés, puis choisissez une valeur de kA adaptée au niveau d'exposition.

3. Quelle est la différence entre le type 1 et le type 2 ? DOCUP?
Un disjoncteur de type 1 est conçu pour être installé au niveau du branchement et peut supporter l'énergie élevée d'un coup de foudre direct (Iimp, forme d'onde de 10/350µs). C'est la première ligne de défense. Un disjoncteur de type 2 est installé en aval et est conçu pour gérer les surtensions induites les plus courantes (En, forme d'onde de 8/20µs). Il n'est pas possible d'utiliser un type 2 là où un type 1 est nécessaire.

4. À quelle fréquence dois-je remplacer mon DOCUP ?
Il n'y a pas de calendrier fixe. Les SPD se dégradent en fonction du nombre et de l'ampleur des surtensions qu'ils rencontrent. C'est pourquoi un indicateur d'état visuel est essentiel. Votre plan de maintenance doit prévoir des inspections visuelles régulières de tous les SPD. Si l'indicateur est rouge (ou présente un défaut), le module doit être remplacé immédiatement.

5. Mon SPD a un voyant rouge. Mon système n'est-il pas protégé ?
Oui. Un indicateur rouge signifie que la protection thermique interne a fait son travail et a déconnecté de façon permanente le MOV du circuit afin d'éviter une défaillance dangereuse. Le module SPD est maintenant en “circuit ouvert” et n'offre aucune protection. Il doit être remplacé. La plupart des modules SPD modernes sont enfichables, ce qui permet de les remplacer rapidement sans avoir à recâbler la base.

Conclusion : La forme ultime d'assurance

Dans le monde des systèmes CC de grande valeur, un dispositif de protection contre les surtensions CC n'est pas un accessoire optionnel ; c'est un composant fondamental d'une conception fiable et résistante. C'est le gardien silencieux qui est prêt à se sacrifier pour protéger des actifs valant des milliers, voire des millions de dollars.

En allant au-delà de la simple terminologie “parafoudre” et en adoptant les principes d'ingénierie du MCOV, de l'Up et de la coordination de l'isolation, vous pouvez transformer la protection contre les surtensions d'un élément de liste de contrôle en une stratégie calculée d'atténuation des risques. Comprendre la technologie, sélectionner le dispositif adéquat pour l'application et assurer une installation méticuleuse ne sont pas seulement des bonnes pratiques, ce sont les marques d'un ingénieur diligent et professionnel. N'attendez pas que le cauchemar d'un onduleur grillé ou d'un site cellulaire obscur devienne votre réalité. Investissez dans la bonne protection dès le départ et assurez-vous que votre système est construit pour durer.