Protection contre les surtensions

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LES MARQUES SOMMAIRE
Connectique
Composant
Dissipateur
Electomécanique
Varistance
Page : 1
Approche CEM
Page : 35
Parasurtension
Page : 45
Blindage HF
Page : 69
Equipotentialité
Page : 97
Filtre
Page : 109
INDEX ALPHA
Nom du produit Page
Bandeau de protection 64
Comparaison de écrêteurs 48
Diode écrêteuse 56
Eclateur à gaz 49
Ecrêteur 48 à 59
Les surtensions, origines 46
Les surtensions, solutions 60
Module de protection 61 à 66
Parafoudre 61 à 67
Parasurtension 61
Parasurtension applications conseils 52
Pourquoi l’équipotentialité ? 50
Prise gigogne 63
Protection d’antenne 67
Protection BT 61 à 64
Protection choix des produits 61
Protection DES 59
Protection informatique 65 et 66
Protection télécom 65 et 66
Protection vidéo 67
Tableau de choix des parafoudres
60 et 61
Transil 56
Tube à gaz 49
Varistance 1 et 53
Varistance WESurge 1 à 32
Marque Page
Citel 2CP 49 à 51 et 61 à 66
Fagor 56 à 58
Keko Varicon 53 et 54
Murata 59
WESurge 1 à 32
Tubes à gaz parasurtension ou parafou-
dre
Modules de protection
Diodes écrêteuses (transient)
Varistances
Composants mixtes de protection et de
filtrage, protections contre les DES
Varistances
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SURGE
SURGE

PARAFOUDRES PARASURTENSIONS - CONSEILS
Les surtensions - Origines ?
• Différentes origines des surtensions
Il est important de connaître les différentes origines des surtensions auxquelles
nous avons à faire, car elles conditionnent le type de mesures à prendre et la
protection à utiliser.
Nous pouvons dénombrer quatre origines possibles, la quatrième étant fort heu-
reusement la moins probable...
1 - Les surtensions d'origine atmosphérique (foudre)
2 - Les surtensions d'origine industrielle (commutation de courants forts...)
3 - Les surtensions d'origine électrostatique (triboélectricité)
4 - Les surtensions d'origine nucléaire IEMN (explosion nucléaire en haute alti-
tude)
1 - Les surtensions d'origine atmosphérique
Les orages et la foudre : Nous ne rentrerons pas dans le mécanisme qui en est
à l'origine, mais plus simplement, nous dirons que la foudre est une décharge
électrique de très grande énergie, provoquée par le rééquilibrage de potentiel
entre nuages ou nuages et sol. L'énergie mise en œuvre est énorme : courants
de 10 à 100 kAavec un temps de montée de quelques microsecondes !
Suivant le point d'impact, le foudroiement est :
- direct, et provoque incendies, explosions... et il est bien difficile de s'en prému-
nir efficacement...
ou
- indirect, et provoque des montées de potentiel au sol ou sur les lignes de trans-
port électrique divers (énergie, télécom...), en même temps qu'elle génère un
champ électromagnétique à large spectre de fréquences. Là, la protection reste
possible lorsque le problème est bien abordé dans son ensemble.
Toutefois, il existe des moyens de prévention de la foudre (paratonnerre, station
de détection d’orages...), nous évoquerons ces moyens dans les pages suivan-
tes.
En regardant la carte ci-contre du ”nombre moyen de jours avec orage par an”,
nous constatons que le risque encouru en région montagneuse n'est pas du tout
le même que sur la cote Normande !
2 - Les surtensions d'origine industrielle
Pratiquement toutes les commutations industrielles produisent des surtensions,
particulièrement les commutations de grosses puissances :
- disjoncteur MT et HT,
- fusion de fusibles de protection,
- démarrage d'installations de puissance surtout sur charges inductives
(moteurs, fours...),
- hacheurs de courant...
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46
1,2 µs
50 µs
Uc
0,9 Uc
0,5 Uc
0,3 Uc
Ic
0,9 Ic
0,5 Ic
0,3 Ic 8 µs
20 µs
Onde de tension 1,2 / 50 µS
Onde de courant 8 / 20 µS
Nombre moyen de jours avec orage par an
1 2
3 4
Elles sont provoquées par la rupture brusque du courant, les lignes et surtout les transformateurs se comportent alors comme des selfs et induisent une FCEM (force
contre électro motrice).
L'énergie mise en œuvre sous forme de transitoires, dépend bien entendu du type de circuit sur lequel se produit la commutation, quelques kV en général, le temps
de montée étant de l'ordre de quelques centaines de nanosecondes à quelques microsecondes (l'onde normalisée pour certains essais est 8/20 µs en courant et
1,2/50 µs en tension). Les protections contre ce type de surtension sont très efficaces et le choix de technologie répond bien aux différents besoins du marché indus-
triel. Encore une fois, la protection est efficace si elle est bien abordée dans son ensemble !
3 - Les surtensions d'origine électrostatique
C'est l'effet triboélectrique qui représente la source principale d'électricité statique. Dans un matériau neutre, l'ensemble des charges proton (+) et d'électron (-) s'an-
nulent. Lorsque l'on frotte 2 matériaux l'un contre l'autre, l'échauffement par friction locale transfère aux électrons proches de la surface une quantité d'énergie supé-
rieure à l'énergie de liaison. Les électrons sont alors arrachés de leur orbite de valence externe pour être capturés par une orbite de valence de l'autre matériau ; ainsi,
2 ions sont formés :
- l'ion positif, pour le matériau donneur d'électrons,
- l'ion négatif, pour le matériau récepteur d'électrons.
Souvent négligées à tort, car leurs effets ne sont pas toujours perçus immédiatement, l'électricité statique et les décharges (DES) qu'elles provoquent sont pourtant

PARAFOUDRES PARASURTENSIONS - CONSEILS
Les surtensions - Origines et solutions ?
à l'origine de très nombreux problèmes en électronique. Elles agissent de 2
manières :
- par décharge directe avec une personne chargée ou avec des matériaux géné-
rateurs,
- par induction, un matériel se charge lorsqu'il se trouve dans un champ électros-
tatique.
Les énergies mises en œuvre sont très faibles, par contre les fronts de montée
d'une décharge électrostatique sont extrèmement raides de la nanoseconde à la
picoseconde !
Deux types de protection sont à envisager :
- protection des équipements à l'aide de composants spécifiques : parasurten-
sions ou autres composants dédiés, avec un temps de réponse très court pour
écrêter les tensions en dessous du seuil dangereux pour les composants. Des
matériaux destinés à écouler ou à conduire les décharges loin des zones sen-
sibles. Comme les : blindages, écrans, vernis conducteurs, joints conducteurs,
tresses de masse, colonettes... Voir chapitre : Blindages et faradisations.
- protection des composants et sous ensembles lors de leur fabrication, manipu-
lation et stockage. Les moyens de protection sont très efficaces, bien que
contraignants. Il faut éviter toute rupture de la "chaine de protection”. Nous par-
lons en détail de ce type de protection dans le chapitre : Traitement de l'électri-
cité statique et des D.E.S.
4 - Les surtensions d'origine nucléaire IEMN
L'explosion d'une charge nucléaire en haute altitude (50 à 400 km), provoque
une onde électromagnétique de haute intensité pouvant atteindre 50 kV/m. Cette
onde va provoquer par induction sur tous les équipements électriques, électro-
mécaniques et électroniques se trouvant dans son champ (plus de 1000 km de
rayon) des surtensions transitoires de l'ordre de quelques kV/ns, provoquant
ainsi la destruction ou la perturbation de tous ces matériels !
La protection contre un tel champ électromagétique requiert tout l'arsenal des
mesures de protection utilisées habituellement (parasurtensions, filtres, blinda-
ges) avec une mise en œuvre particulièrement soignée.
• Pourquoi se protèger ?
Les effets provoqués par les surtensions, vont de la perte momentannée d'infor-
mations, à la destruction partielle ou totale de l'équipement soumis à leurs
influences. Les coûts d'immobilisation, de perte d'exploitation et de remise en
état sont très souvent sans commune mesure avec l'investissement représenté
par les protections. La prévention de tels risques est donc totalement justifiée.
• Les composants et matériels de protection contre les surtensions
Les composants de base sont de trois ordres :
1 - Tubes à gaz rares (éclateurs, parafoudres...)
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Protection du poste de travail et de son environnement
2 - Varistances ou varistors (VDR, MOV, ZNO...)
3 - Semiconducteurs écrêteurs (TVS, Transil, Trisil, Transzorb...)
Les matériels sont une combinaison de ces trois types de composants, adaptée de façon à traiter au mieux le problème posé, dans certains cas, il lui est ajouté un fil-
tre HF . De plus, le boîtier de ces matériels répond au besoin d'implantation lié aux conditions d'utilisation (rail DIN, coffret extérieur, connectique de raccordement...).
Vous trouverez développé dans les pages suivantes l'ensemble des performances et des avantages de chacun de ces produits.
• Le choix d'une bonne protection contre les surtensions
Le premier critère à prendre en compte est l'équipotentialité des masses et des terres.
Le second critère, consiste à quantifier les différents paramètres qui caractérisent les surtensions, ainsi que la répétitivité du phénomène. Le tout étant fonction de la
susceptibilité du matériel et du site sur lequel il est installé !
Le troisième est de réaliser une installation conforme aux règles de l'art, de façon à optimiser les performances des composants de protections.

PARAFOUDRES PARASURTENSIONS - CONSEILS
Comparaison des différents types de composants écrêteurs
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48
UU
µs ms
surtension
rapide surtension
énergétique
Nous allons observer et comparer les comportements des différents composants
écrêteurs dans deux cas de figure :
• Courbe de gauche, réaction à une surtension rapide (ns à µs).
par exemple, une onde normalisée 8 / 20 µs (en courant)
• Courbe de droite, réaction à une surtension énergétique (µs à ms).
par exemple, une onde normalisée 10 / 1000 µs (en courant)
1 - Tubes à gaz rares (éclateurs, parafoudres...)
Avantage
- Très fort pouvoir d'écoulement
- Très faible tension résiduelle
- Très faible capacité intrinsèque
Inconvénient
- Temps d'amorçage lié à l'ionisation du gaz
- Tension de désamorçage aux environs de 70 V,
limite les possibilités d’applications à des tensions
inférieures
2 - Varistances ou varistors (VDR, MOV, ZNO, BOV...)
Avantage
- Composant économique
- Très large gamme de tension et d’énergie (joule)
- Temps de réponse inférieur à 50 ns
Inconvénient
- Temps de réponse pour les D.E.S.
- Capacité intrinsèque non négligeable pour les
applications avec des signaux rapides
- Fin de vie souvent explosive...
3 - Semiconducteurs écrêteurs (Transil, Trisil, Transzorb, TVS...)
Avantage
- Très économique
- Temps de réponse extrèmement rapide
- Tension stable en régime de conduction
Inconvénient
- Faible pouvoir d'écoulement
- Capacité intinsèque pouvant être élevée dans les
très basses tensions
- Fin de vie en court-circuit.
Conclusion : Nous voyons bien par ces exemples simples, que rien n'est parfait. D'où la nécessité de bien maîtriser la mise en application de ces composants, voir
d’en faire des associations judicieuses pour optimiser leurs performances.
Il faudra également prendre en compte les contraintes mécaniques, électriques et physiques qui sont relatives à leur implantation. En effet, nous nous trouvons confron-
tés à des formes d’ondes impultionnelles qui mettent parfois en oeuvre beaucoup d’énergie !
POURQUOI FAUT IL SE PREOCCUPER DE L’EQUIPOTENTIALITE ?
Pour toutes vos protections contre les surtensions transitoires, il est primordial de réaliser l'équipotentialité de votre installation (une terre intercon-
nectée avec les masses de tous vos équipements...) si cette condition n'est pas remplie la meilleure des protections resterait inefficace !
Exemple : À la suite d'un orage, le potentiel de terre monte. Tous les matériels connectés à cette terre vont avoir leur potentiel au même niveau ;
pour eux la différence de potentiel par rapport à la terre = 0 V. Admettons que vous ayez omis de relier un appareil à cette même terre et qu'il soit
connecté aux autres, via une ligne de communication quelconque. Que va-t-il se passer ? La différence de potentiel entre lui et les autres appareils
va devenir telle que les composants comme les drivers de lignes ou autres vont rapidement " casser" ... Avec un peu de chance, les dégâts s'arrê-
teront là !
Le cas de figure que nous venons de décrire n'a malheureusement rien d'imaginaire, car l'interconnexion des équipements informatiques est
devenue courante.
Il faut bien comprendre, que ce n'est pas la tension exprimée en Volts qui détruit les équipements, mais la différence de
potentiel !

PARAFOUDRES PARASURTENSIONS - COMPOSANTS
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Tubes à gaz parafoudres (éclateurs ou parasurtensions) 2CP
Micro tubes éclateurs à gaz parafoudres bipolaires BA / BAS 2CP
Applications : Les éclateurs tubes à gaz (parafoudres ou parasurtensions),
sont utilisés chaque fois qu'il faut écouler de fortes énergies 2,5 à 100 kA en
onde 8/20 µs (protections primaires). Ils sont utilisés seuls ou associés à
d'autres composants (varistances, diodes de suppression, selfs...) pour
abaisser la tension résiduelle. Protection des lignes : d'énergie BT et TBT, de
télécommunication, de transmission des signaux, de liaisons informatiques...
Description : L’éclateur à gaz parafoudre est constitué d'une enceinte
hermétique, verre-métal ou céramique-métal selon la technologie employée,
dans laquelle sont disposées deux (bipolaires) ou trois (tripolaires) électro-
des, baignant dans un mélange de gaz rares. Les configurations tripolaires
sont particulièrement bien adaptées aux protections en mode commun.
Fonctionnement : Au repos, la résistance d’isolement présentée par le tube
à gaz est pratiquement infinie. Après ammorçage, le gaz contenu dans le
tube est ionisé et il devient conducteur. Le courant alors écoulé peut attein-
dre plusieurs milliers d’ampères, alors que la tension à ses bornes est de
l’ordre d’une vingtaine de volt (20 V tension d’arc).
Nota : Les tubes éclateurs à gaz que nous vous proposons n'emploient pas
de matériaux radioactifs !
ø 5,0
5,0
Code Fig. U amorçage U amorçage U d’ex- R isolemt. I écoul. I écoul. Capacité
stat. (v) dynam. (V) -tinction (V) (Ohm) alternatif (A) onde choc (kA) (pF)
Article Désignation N° 100 V/s 1kV/µs 8/20µs à 1MHz
CITBA90 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 90V 190 ± 20% < 700 > 80 > 1 G 2,5 2,5 < 1
CITBAS90 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 90V 290 ± 20% < 700 > 80 > 1 G 2,5 2,5 < 1
CITBA230 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 230V 1230 ± 20% < 700 > 80 > 1 G 5 5 < 1
CITBAS230 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 230V 2230 ± 20% < 700 > 80 > 1 G 5 5 < 1
CITBA350 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 350V 1350 ± 20% < 900 > 80 > 1 G 2,5 2,5 < 1
CITBAS350 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 350V 2350 ± 20% < 900 > 80 > 1 G 2,5 2,5 < 1
Bipolaire Tripolaire
CONSEIL...
En mode commun, les applications requièrent une terre de décharge auto-
risant l'écoulement des chocs électriques. Soigner l'équipotentialité des
masses et des terres si il y en a plusieurs. Réaliser des connexions
courtes afin de réduire les rayonnements et les différences de potentiel.
Attention : ne pas les utiliser lorsque la tension nominale de la ligne à
protèger est supérieure à la tension de désamorçage. Voir ci-dessous
dans le tableau (tension d'extinction).
61
ø 0,8
BA BAS
N
Tubes éclateurs à gaz parafoudres bipolaires BB / BBS 2CP
ø 8
6,05
Code Fig. U amorçage U amorçage U d’ex- R isolemt. I écoul. I écoul. Capacité
stat. (v) dynam. (V) -tinction (V) (Ohm) alternatif (A) onde choc (kA) (pF)
Article Désignation N° 100 V/s 1kV/µs 8/20µs à 1MHz
CITBB75 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 75V 175 ± 20% < 700 > 60 > 1 G 5 5 < 5
CITBBS75 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 75V 275 ± 20% < 700 > 60 > 1 G 5 5 < 5
CITBB90 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 90V 190 ± 20% < 700 > 80 > 1 G 5 5 < 5
CITBBS90 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 90V 290 ± 20% < 700 > 80 > 1 G 5 5 < 5
CITBB150 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 150V 1150 ± 20% < 700 > 80 > 1 G 5 5 < 5
CITBBS150 TUBE A GAZ CERAM BIPOL 150V 2150 ± 20% < 700 > 80 > 1 G 5 5 < 5
61
ø 0,8
BB BBS
1 2
1 2