Décharge de foudre et fonctionnement de commutation comme source d'interférence Ce qui suit décrit comment utiliser la décharge de foudre et l'interrupteur comme source d'interférence 1 Surtension atmosphérique En tant que source d'interférences, la foudre affecte les bâtiments et les équipements et systèmes électriques intérieurs. Les surtensions électriques provenant de l'atmosphère sont presque toujours le résultat de coups de foudre directs/adjacents ou de coups de foudre distants. Dans le cas d'un coup de foudre direct, la foudre frappe directement un bâtiment protégé ; Cependant, dans le cas de coups de foudre adjacents, coups de foudre sur des systèmes étendus ou des pipelines (tels que des tuyaux, des lignes de transmission de données ou des lignes électriques) directement connectés au système protégé. Les lignes aériennes de foudre sont des exemples de coups de foudre éloignés. La foudre entre les nuages ​​crée des "surtensions réfléchies" (ondes progressives) le long de la ligne de transmission, tandis que la foudre dans la zone environnante induit une surtension. 1.1 Coups de foudre directs et coups de foudre adjacents L'effet du courant de foudre sur les fils du canal de foudre et du système de protection contre la foudre : (a) pour produire une chute de tension sur la résistance de mise à la terre d'impact du système de mise à la terre ; (b) L'induction de surtension et de courant dans la boucle formée par les fils à l'intérieur du bâtiment. En raison de la chute de tension sur la résistance de terre d'impact, le courant de foudre est également évacué via la ligne électrique connectée en tant que mesure de connexion équipotentielle de protection contre la foudre. En particulier, en raison du rayonnement d'interférence magnétique des coups de foudre, les coups de foudre dans la zone environnante induisent des surtensions et des courants dans la boucle de l'appareil. Si la foudre frappe une ligne d'alimentation aérienne, il y a une surtension et un courant conduits sur la ligne d'entrée d'alimentation. La foudre intercloud produit également des surtensions et des courants conducteurs sur les lignes électriques et autres grands systèmes de câbles en raison du rayonnement des interférences électromagnétiques. Si une analyse précise n'est pas possible ou est trop coûteuse, le courant de foudre partiel sur la ligne électrique du bâtiment frappé peut être estimé conformément aux normes CEI 61312-1 et DIN VDE 0185 partie 103. Supposons que 50 % du courant de foudre circule dans le système de mise à la terre du bâtiment et 50 % sont répartis uniformément dans le système d'alimentation de mise à la terre distant (tel que les tuyaux, les alimentations et les lignes de communication). Pour simplifier, on suppose que le courant de foudre est réparti uniformément sur les conducteurs (par exemple L1, L2, L3 et PEN du câble d'alimentation ou les quatre conducteurs du câble de données) dans chaque système d'alimentation. Dans l'annexe C de la norme DIN V ENV 61024-1 (VDE V 0185 partie 100), il existe une méthode d'estimation du courant de foudre partiel évacué par la ligne d'entrée (dans le cas de systèmes de protection contre la foudre). En conséquence, le courant de foudre sera réparti sur le système de terre, le conducteur extérieur et la ligne d'arrivée (directement connectée ou connectée via le parafoudre) comme suit : Le courant de foudre partagé par chaque conducteur externe et conducteur dépend du nombre de conducteurs et conducteurs externes, de leur résistance de terre équivalente et de la résistance de terre équivalente du système de mise à la terre. Si les conducteurs utilisés dans un système électrique ou d'information ne sont pas blindés ou placés dans des tubes métalliques, le courant partagé par les conducteurs est It/n', où n' est le nombre total de conducteurs du système électrique ou d'information. 1.1.1. Chute de tension à travers la résistance de mise à la terre d'impact La chute de tension maximale uE sur la résistance de terre d'impact Rst du bâtiment frappé est calculée comme le maximum i du courant de foudre. Cette chute de tension uE n'est pas dangereuse pour le système protégé si une liaison équipotentielle pour la protection contre la foudre a été effectivement établie. À l'heure actuelle, les normes nationales et internationales de protection contre la foudre exigent la mise en œuvre d'une connexion équipotentielle intégrée. Dans un système connecté équipotentiel synthétique, tous les fils (entrants ou sortants) sont connectés au système de terre soit directement, soit via des éclateurs ou des parasurtenseurs. Lors d'un coup de foudre, l'uE de l'ensemble du système augmentera en potentiel, mais à l'intérieur du système, il n'y aura pas de différence de potentiel dangereuse. 1.1.2 Tension induite dans l'anneau métallique La vitesse de montée maximale du courant de foudre (Δi/Δt, efficace dans le temps Δt) détermine la valeur de crête de la tension électromagnétique induite dans toutes les boucles d'appareil ouvertes ou fermées autour du conducteur sous tension du courant de foudre. Dans la conception du système de protection contre la foudre, la valeur maximale I/T 1 du taux de montée moyen du courant de tête d'onde donné peut être utilisée (valable dans le temps de tête d'onde T1). Lors de l'estimation de la tension d'onde carrée induite maximale U sur une boucle de dispositif (par exemple, dans un bâtiment), la boucle est supposée être proche de la ligne de descente d'un courant de foudre infiniment long. La tension d'onde carrée peut être estimée pour un anneau carré constitué d'une longueur infinie de conducteurs porteurs de courant de foudre et de fils d'équipement (par exemple, le conducteur de protection d'un appareil électrique connecté à la ligne de plomb d'un système de protection contre la foudre à la connexion équipotentielle bar). Pour un anneau carré constitué de fils d'équipement isolés avec un conducteur porteur de courant de foudre infiniment long, la tension d'onde carrée peut être trouvée. En plus de l'effet d'induction dans le grand anneau métallique causé par la disposition de l'équipement, l'effet d'induction sur l'anneau long et étroit du câble toronné en couches non blindé composé de fils parallèles à proximité des fils porteurs de courant de foudre est également remarquable. La tension induite entre les lignes est appelée "tension transverse". Cette tension est particulièrement nocive pour les appareils électroniques. La tension d'onde carrée peut être trouvée pour une boucle étroite de fils composée des conducteurs de la ligne d'équipement parallèle aux conducteurs porteurs de courant du courant de foudre infini. La tension d'onde carrée d'un long fil de fer composé de fils d'équipement perpendiculaires au fil porteur de courant de foudre infiniment long à une certaine distance Contrairement aux valeurs de haute tension dans le grand anneau, il n'y a qu'environ 100 V de tension induite dans le long anneau étroit. Mais rappelez-vous qu'il s'agit de la tension latérale sur la ligne du système d'information, qui n'est que de 1 à 10 V en fonctionnement normal et est connectée à l'électronique sensible aux surtensions. Dans une ligne toronnée, en particulier une ligne avec blindage électromagnétique, la tension d'onde carrée induite est bien inférieure à la valeur calculée selon la formule ci-dessus, et la tension transversale de cette amplitude n'est généralement pas dangereuse. Si l'anneau métallique est court-circuité ou si son isolation est rompue par la tension induite carrée U, il existe un courant induit i dans l'anneau dont la valeur peut être calculée. Étant donné que le courant de foudre augmente très rapidement, un champ magnétique changeant rapidement sera généré près du canal de foudre ou du conducteur de transport de courant. Le champ magnétique dans le bâtiment génère une surtension pouvant atteindre 10 00 V dans une large "boucle d'induction" formée par des services publics tels que le câblage du système d'alimentation et d'information, les conduites d'eau et les conduites de gaz. Par exemple, un ordinateur connecté à un système d'alimentation et de données. Après être entré dans le bâtiment, le câble de données est connecté à la barre de connexion équipotentielle, puis le câble passe à travers la prise du câble de données dans l'ordinateur. Le câble d'alimentation est également connecté à la barre de connexion équipotentielle via le parafoudre, qui alimente l'ordinateur via la prise électrique. Étant donné que le cordon d'alimentation et le câble de données sont installés indépendamment, ils peuvent former un anneau d'induction d'une superficie d'environ 100 m2. L'extrémité ouverte de l'anneau se trouve dans l'ordinateur et la surtension générée par l'induction magnétique dans l'anneau est appliquée à l'extrémité ouverte. Non seulement dans le cas de coups de foudre directs, mais aussi dans le cas de coups de foudre adjacents, l'anneau peut être induit par la surtension suffisamment pour provoquer une panne d'équipement et parfois même un incendie. L'ordinateur doit être protégé contre ces surtensions « en place », c'est-à-dire soit sur l'appareil lui-même, soit directement sur les prises d'alimentation et de données (Section 5.8.2.3). 1.2 Coups de foudre à distance Dans le cas de coups de foudre éloignés, l'onde progressive se propage le long de la route, ou la foudre frappe à proximité du système protégé, affectant ainsi le champ électromagnétique du système protégé. Les risques de surtension atmosphérique dans les années 1890 ont démontré que les appareils électroniques restent sensibles aux surtensions et courants induits ou conduits jusqu'à 2 km du point d'impact de la foudre (section 2.1). Cet aléa généralisé est dû à la sensibilité croissante des équipements de haute technologie connectés aux câbles qui s'étendent à l'extérieur des bâtiments et à l'utilisation croissante des réseaux sensibles. Au fur et à mesure que la technologie s'est développée, la longueur maximale autorisée des lignes de données reliant les appareils a augmenté rapidement. Par exemple, l'interface V2.4/V2.8 (utilisée à l'aube de l'EDP) stipule que les caractéristiques électriques des conducteurs de ligne permettent une connexion directe par câble jusqu'à environ 15 m de longueur. Les pilotes de ligne et les interfaces disponibles permettent la connexion directe de câbles toronnés à deux conducteurs jusqu'à environ 1000 m de longueur. Lorsque le courant de foudre circule dans le câble, des tensions longitudinales et transversales seront générées. La tension longitudinale u1 générée entre le fil central et le blindage métallique du câble est appliquée à l'isolation entre l'extrémité d'entrée de l'appareil connecté et le boîtier mis à la terre. La tension transversale uq apparaît entre les fils et exerce une pression sur le circuit d'entrée de l'appareil connecté. Si le courant de foudre i2 est connu, alors la tension longitudinale peut être calculée à partir de l'impédance de couplage R du câble. 1.3 Couplage du courant de choc dans la ligne de signal L'exemple suivant montre comment le courant de surtension est couplé aux lignes de signal d'un système étendu par couplage résistif, inductif ou capacitif. Par exemple, considérez la disposition de l'appareil 1 dans le bâtiment 1 et de l'appareil 2 dans le bâtiment 2. Les deux appareils sont connectés via des câbles de signal. De plus, les deux appareils sont supposés être connectés à une barre équipotentielle (PAS) dans leurs bâtiments respectifs par des fils de terre de protection (PE). 1.3.1 Couplage résistif La foudre frappe le bâtiment 1, créant une différence de potentiel d'environ 100 kV sur la résistance de terre RA1. La tension de cette amplitude est suffisante pour étirer la distance d'isolation entre les appareils 1 et 2 de sorte que le courant de surtension résistif à couplage croisé circule de PAS1 à travers l'appareil 1 le long de la ligne de signal vers les appareils 2, PAS2 et RA2. L'amplitude du courant de choc, qui culmine à plusieurs kA, dépend des valeurs relatives des résistances ohmiques RA1 et RA2. 1.3.2 Couplage perceptif Comme mentionné précédemment, la tension dans l'anneau métallique est induite par le champ inductif du canal de foudre ou du conducteur porteur de courant de foudre. Par exemple, les câbles de signal à deux noyaux entre les appareils 1 et 2 forment un anneau d'induction. Si la foudre frappe le bâtiment 1, une tension transversale de plusieurs milliers de volts sera induite dans l'anneau, produisant un courant couplé pouvant atteindre plusieurs milliers d'ampères. Ces tensions et courants induits sont appliqués à l'entrée ou à la sortie de l'appareil. Un autre exemple de couplage émotionnel qui peut se produire. La ligne de signal forme un anneau d'induction avec le sol. Si la foudre frappe le bâtiment 1, une très haute tension (environ 10 kV) est induite sur l'anneau, provoquant le contournement de l'isolement des équipements 1 et 2, générant des courants de couplage de plusieurs milliers d'ampères. 1.3.3 Couplage capacitif Si la foudre frappe le sol ou le connecteur foudre, le canal foudre ou le connecteur foudre montera à une tension très élevée (environ 100kv par rapport à son environnement) en raison de la différence de potentiel sur la résistance de l'électrode de terre RA. La ligne de signal entre les dispositifs 1 et 2 est couplée de manière capacitive à ce canal ou récepteur de foudre. Le condensateur de couplage est chargé, provoquant le passage d'un courant "d'injection" (environ 10A) dans le flux isolé des appareils 1 et 2. 1.4 Amplitude de la surtension atmosphérique Un coup de foudre éloigné provoque initialement une surtension d'environ 10 kV, produisant un courant numérique relativement faible. Mais un coup de foudre direct a un courant beaucoup plus important avec une amplitude beaucoup plus élevée : 200kA de courant (protection de classe I) et des pics de plusieurs centaines de kilovolts. Les équipements basse tension ne peuvent généralement supporter que la tension de claquage de milliers de volts, ils sont donc vulnérables à des dizaines de milliers de volts provenant de coups de foudre éloignés ou à une surtension de 100 kV provenant de coups de foudre directs, et même être endommagés. Certains appareils électroniques peuvent tolérer des tensions aussi basses que 10V. Par conséquent, la valeur de tension provoquée par la décharge atmosphérique est 100 à 10 000 fois supérieure à la tension tolérable d'un système basse tension contenant des équipements électroniques. Par conséquent, ces surtensions de forte amplitude doivent être réduites par des mesures de protection ou des parafoudres à des valeurs nettement inférieures à la tension de claquage impulsionnelle/tension d'amorçage impulsionnelle admissible. Pour une protection fiable, même en cas de coup de foudre direct, le parafoudre doit pouvoir dégager un courant de foudre important sans être endommagé. 2 Exploiter la surtension Les surtensions de fonctionnement peuvent également affecter les systèmes basse tension et secondaires, en particulier lorsqu'un couplage capacitif est présent. Dans certains cas, la valeur de cette surtension de fonctionnement peut dépasser 15kV. Les causes de ces surtensions de fonctionnement sont les suivantes : (a) Découpez les lignes électriques à vide (ou les condensateurs). Lorsque l'interrupteur est fermé, la variation de la valeur instantanée de la tension d'alimentation provoque une différence de potentiel élevée entre le système et la ligne de coupure. Cette différence de potentiel, accumulée en quelques millisecondes, peut provoquer un réamorçage entre les contacts de l'interrupteur, comme si les contacts se refermaient. La tension de ligne correspond alors à la valeur instantanée de la tension d'alimentation et l'arc entre les contacts de commutation est éteint. Ce processus peut être répété plusieurs fois. Ce processus, dans lequel la tension de ligne est égale à la valeur instantanée d'une certaine tension d'alimentation, produit une surtension de fonctionnement caractérisée par des oscillations d'atténuation de l'ordre de plusieurs centaines de kilohertz. L'amplitude initiale de cette surtension de fonctionnement est liée à la différence de potentiel entre les contacts de l'interrupteur au moment du réamorçage et peut être plusieurs fois la tension d'alimentation nominale. (b) Couper le transformateur à vide. Si un transformateur à vide est retiré du réseau, l'énergie du champ magnétique est chargée sur sa propre capacité. Le circuit inductance - capacité oscille alors jusqu'à ce que toute l'énergie soit convertie en chaleur à travers la résistance dans le circuit, ce qui entraîne une amplitude de surtension de fonctionnement plusieurs fois celle de la tension d'alimentation nominale. (c) Défaut à la terre dans un réseau non mis à la terre. Si le défaut de mise à la terre se produit dans la ligne externe du réseau non mis à la terre, le potentiel de terre de l'ensemble du système changera en raison du changement de tension de la phase de mise à la terre. Si l'arc de défaut à la terre s'éteint, l'effet est similaire à celui de la coupure d'une ligne à vide ou d'un condensateur : une surtension de fonctionnement est générée avec des chocs atténués. En plus des caractéristiques ci-dessus des surtensions de fonctionnement du réseau affectant les systèmes basse tension de manière capacitive, des changements rapides de courant peuvent également générer des surtensions dans les systèmes basse tension par couplage inductif. Ce changement soudain de courant peut être causé par une forte charge de commutation, ou peut être causé par un court-circuit, un défaut à la terre ou un défaut à la terre répété. Une surtension de fonctionnement peut également se produire dans le système basse tension lui-même pour les raisons suivantes : • Couper les inductances qui sont en parallèle avec l'alimentation, telles que les bobines ou les inductances des transformateurs, contacteurs et relais (dans ce cas, la surtension de fonctionnement est générée comme dans le cas ci-dessus pour la coupure des transformateurs de puissance à vide). • Retirez les inductances dans les bras série de la boucle de courant, telles que la boucle de fils, l'inductance série ou l'inductance elle-même (le courant sur l'inductance ne peut pas muter lorsque le circuit est déconnecté, et l'amplitude de la surtension de fonctionnement résultante dépend sur la valeur actuelle au moment de la déconnexion). • Coupure intentionnelle d'un circuit par un interrupteur, ou déclenchement involontaire d'un fusible ou d'un disjoncteur, ou coupure involontaire d'un fil avant un passage par zéro naturel du courant (de telles déconnexions entraînent une variation brutale du courant entraînant une surtension de fonctionnement , généralement atténuée et oscillante, avec une amplitude plusieurs fois supérieure à la tension normale du système). • Circuit de contrôle de phase, effet d'inversion du système de collecteur à balais, déchargement soudain du moteur et du transformateur, etc. De nombreuses mesures sur différents réseaux basse tension ont montré que les surtensions les plus notables sont provoquées par le rayonnement parasite de l'arc électrique produit dans l'interrupteur. Les interférences électromagnétiques provenant du fonctionnement du système électrique sont généralement plus fréquentes que les interférences de la foudre. Pour les interférences conduites à large bande, les impulsions à haute énergie et les impulsions à faible énergie ou différents types d'impulsions d'opération de commutation sont traités différemment dans les normes CEM. Des interférences de commutation peuvent être générées à l'extérieur du bâtiment, par des lignes électriques ou à l'intérieur du bâtiment. Ces deux types d'interférences peuvent être considérées soit comme une combinaison d'interférences de surtension et d'interférence de courant de surtension, comme avec les interférences de foudre, soit comme une surtension appliquée. Les interférences conduites à large bande et à haute énergie dans le processus de commutation peuvent être traitées de la même manière que les interférences de foudre conduites dans le bâtiment (des connexions équipotentielles pour une protection appropriée contre la foudre sont prévues). Par conséquent, la norme VG spécifie les interférences maximales correspondantes par type d'environnement. La norme DIN VDE 0160 spécifie la surtension appliquée due au processus de coupure ou à l'élément de protection contre les surintensités. 0,1/1,3 ms (vitesse de montée de 0,1 ms, temps de tête d'onde de 0,15 ms), la surtension avec une valeur de crête de uppeak est superposée à la valeur de crête de la tension alternative uN/max. Les interférences de tension de fonctionnement à large bande à faible énergie (c'est-à-dire essaim d'impulsions) sont spécifiées dans la norme DIN VDE 0847 partie 4-4. La forme d'onde est de 5/50 ns (taux de montée de 5 ns, temps de tête d'onde d'environ 7,4 ns), l'amplitude est liée à la sévérité du test et est appliquée aux lignes électriques et aux lignes de communication sous forme de paquets d'impulsions en couplant des condensateurs. En plus des interférences conduites, le processus de fonctionnement lui-même génère un rayonnement parasite considérable (par exemple, un arc lorsqu'un interrupteur est déconnecté), ce qui induit davantage d'interférences conduites.

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Heure de publication : Feb-10-2023