Les appareils de coupure et de protection

• Disjoncteurs.• Fusibles.

• Paratonneres.• Câble de garde.• Parafoudres.

Surintensités

Surtensions et foudre.

Les disjoncteurs

Principe d'extinction de l'arc

Un moyen général d'éteindre un arc est d'augmenter la tension d'arc jusqu'à ce qu'elle devienne supérieure à la tension du circuit. Ce qui implique que l'intensité du courant décroît alors jusqu'à la valeur zéro.

Pour obtenir l'augmentation nécessaire de la tension d'arc il faut un allongement

suffisant de l'arc, combiné à un refroidissement énergique.

C'est la méthode bien connue utilisée en courant continu.

Il existe en courant alternatif une autre méthode. Elle consiste après avoir allongé

l'arc et mis en oeuvre des moyens de désionisation, à attendre le passage naturel du

courant par zéro.

Si le trajet de l'arc est alors suffisamment désionisé, l'arc ne se réamorce pas et le courant est interrompu définitivement.

C'est cette méthode qui est utilisée dans les appareils à haute tension.

Principe d'extinction de l'arc

Un moyen général d'éteindre un arc est d'augmenter la tension d'arc jusqu'à ce qu'elle devienne supérieure à la tension du circuit. Ce qui implique que l'intensité du courant décroît alors jusqu'à la valeur zéro.

Pour obtenir l'augmentation nécessaire de la tension d'arc il faut un allongement

suffisant de l'arc, combiné à un refroidissement énergique.

C'est la méthode bien connue utilisée en courant continu.

Il existe en courant alternatif une autre méthode. Elle consiste après avoir allongé

l'arc et mis en oeuvre des moyens de désionisation, à attendre le passage naturel du

courant par zéro.

Si le trajet de l'arc est alors suffisamment désionisé, l'arc ne se réamorce pas et le courant est interrompu définitivement.

C'est cette méthode qui est utilisée dans les appareils à haute tension.

Les disjoncteurs HT

Coupure dans l’air comprimé

• L'utilisation d'air comprimé, emmagasiné préalablement dans des réservoirs, permet d'assurer un soufflage très efficace de l'arc.• Des tuyères auxquelles on peut donner des formes très diverses, canalisent le jet d'air comprimé sur le trajet de l'arc et, de préférence aux points d'attache.• Pendant la durée de l'arc, l'air de soufflage évacue une partie des gaz ionisés; ainsi le diamètre de l'arc diminue sans retard au fur et à mesure que le courant tend verszéro.• Au moment où le courant s'annule, l'air froid mélangé aux gaz ionisés favorise leur désionisation.

En HT, d’autres techniques ont été préférées, car la coupure dans l’air présente plusieurs inconvénients :— encombrement de l’appareillage (dimensions plus grandes à cause de l’allongement de l’arc) ;— pouvoir de coupure influencé par la présence des cloisons métalliques de la cellule contenant l’appareil et par l’humidité de l’air ;— coût et bruit.Les disjoncteurs MT à coupure dans l’air ne sont quasiment plusfabriqués aujourd’hui.

Coupure dans l‘huile

Un arc étiré dans l'huile en vaporise une certaine quantité puis dissocie une partie des vapeurs en donnant principalement de l'hydrogène. Vaporisation et dissociation de l'huile absorbent une grande quantité d'énergie, ce qui a pour effet de refroidir et de dé ioniser le trajet de l'arc.Le meilleur moyen de bien refroidir l'arc est d'assurer un contact aussi étroit que possible de l'arc avec l'huile. Pour cela, il faut éviter un trop grand développement de la bulle gazeuse au centre de laquelle l'arc se trouverait trop éloigné des parois d'huile.On y parvient de diverses façons :• En utilisant une cuve d'huile fermée, il se développe une certaine pression dans la cuve, ce qui a pour effet de comprimer la bulle gazeuse et de limiter ses dimensions: disjoncteur à rupture libre.

• En chassant de l'huile froide sur le trajet de l'arc on obtient un refroidissement très efficace. Cette projection d'huile peut être obtenue par une énergie mécanique : disjoncteur à impulsion ou par un arc auxiliaire en série avec l'arc principal : disjoncteur à arc primaire.

Mais le moyen le plus utilisé consiste à étirer l'arc dans une chambre de coupure, enceinte isolante de faibles dimensions dans laquelle une pression très élevée se développe et qui produit un soufflage d'autant plus intense quand le courant est plus grand : disjoncteur à auto soufflage.

Utilisation des disjoncteurs à faible volume d’huile.

CES TECHNIQUES SONT ABONDONNES

ELLES SONT REMPLACES PAR LA COUPURE DANS LE VIDE ET DANS LE SF6

Le vide est un milieu diélectrique idéal : il n’y a pas de matière donc pas de conduction électrique. Cependant, le vide n’est jamais parfait et de toute façon a une limite de tenue diélectrique. Malgré tout, le « vide » réel a des performances spectaculaires : à la pression de 10-6 bar, la rigidité diélectrique en champ homogène peut atteindre une tension crête de 200 kV pour une distance inter-électrodes de 12 mm.

Coupure dans le vide

Aux basses valeurs de pression, le mécanisme d’avalanche électronique ne fonctionne plus. Le processus d’avalanche et de multiplication des porteurs de charge ne peut plus se produire et la tenue diélectrique s’améliore. C’est ce que traduit la courbe de Paschen qui présente un minimum de tenue diélectrique pour un produit pxd de l’ordre de 1 Pa.m pour l'azote. En deçà de cette valeur, la tenue diélectrique s’améliore jusqu’à atteindre un palier pour les valeurs de p d inférieures à 10-2 Pa.m. Dans ce domaine ce ne sont plus les mécanismes d’ionisation du gaz résiduel qui

limitent la tenue diélectrique mais des phénomènes liés à l'état de surface des

électrodes, tels que l’émission électronique de champ et la présence de particules détachables.

Le mécanisme à l’origine de la rupture diélectrique dans le vide est lié aux phénomènes d’émission électronique froide, sans effet d’avalanche par ionisation. C’est pourquoi sa tenue diélectrique ne dépend pratiquement plus de la pression dès que celle-ci est inférieure à 10-6 bar. Elle dépend alors de la nature des matériaux, de la forme des électrodes (en particulier de la présence d’aspérités) et de la distance inter-électrodes.

L’arc dans le vide

La colonne d’arc est composée de vapeurs métalliques et d’électrons provenant des électrodes. L’arc peut avoir deux aspects, concentré ou diffus, selon l’intensité du courant qui le traverse.a- Pour des valeurs élevées du courant (≥ 10 kA) l’arc est unique et concentré. Les taches cathodiques et anodiques de plusieurs mm2 sont portées à des températures très élevées. Une fine couche du matériau de contact se vaporise et l’arc se développe dans une atmosphère de vapeurs métalliques qui occupe tout l’espace. Lorsque le courant décroît, ces vapeurs se condensent sur les électrodes elles-mêmes ou sur des écrans métalliques disposés à cet effet. Dans ce régime, la tension d’arc peut atteindre 200 V.b- Pour des valeurs de courant inférieures à quelques milliers d’ampères, cet arc se trouve sous forme diffuse. Il est composé de plusieurs arcs séparés les uns des autres, de forme conique dont le sommet est à la cathode. Leurs racines cathodiques appelées spots ont une surface très petite (10-5 cm2) et la densité de courant y est très élevée (105 à 107 A/cm2). La très haute température locale (3000 K) entraîne une émission combinée thermoélectronique/effet de champ très intense pour une évaporation de matériau de contact modérée. Le courant est alors essentiellement dû au flux d’électrons.

En régime d’arc diffus, soit immédiat, soit à la suite d’un arc unique et concentré mais assez longtemps après pour que les vapeurs métalliques aient eu le temps de condenser, la coupure se fait aisément au zéro de courant.En effet à l’approche du zéro, le nombre de spots diminue jusqu’au dernier qui disparaît quand l’énergie apportée par l’arc n’est plus suffisante pour maintenir une température de pied d’arc assez élevée. Au moment du zéro de courant, le dernier spot cathodique s’éteint en raison de la disparition de la tension d’arc. Il n’existe donc plus de site émissif créant les particules chargées (électrons et ions) nécessaires au transport du courant électrique.A partir de cet instant, la tension s’inverse, l’anode devient cathode mais froide, elle ne peut pas émettre d’électrons ce qui correspond à une constante de temps de désionisation très petite. Les appareils à vide peuvent par conséquent couper des courants avec des croissances de TTR très rapides ainsi que des courants à haute fréquence.Pour les courants élevés, il peut rester encore un plasma d’arc au zéro de courant et la coupure devient incertaine. C’est donc essentiellement la densité de vapeur métallique résiduelle qui détermine le Pouvoir de Coupure.

Notons que lorsque les contacts dégagent trop de vapeurs métalliques, des phénomènes de réallumages et de reclaquages se produisent la probabilité de coupure est quasiment nulle.

La coupure dans le vide

Lorsque l’arc passe en mode concentré, l’énergie est dissipée sur une surface d’électrode réduite, et elle provoque un échauffement localisé et une vaporisation considérable. Si cet arc reste immobile la coupure n’est plus assurée.Deux méthodes sont employées pour surmonter les difficultés engendrées par le passage de l’arc en mode concentré. • La première consiste à provoquer un mouvement circulaire rapide de l’arc concentré afin que l’énergie soit répartie sur une grande partie du contact et que l’échauffement reste limité en tous points : ceci est obtenu par l’application d’un champ magnétique radial dans la zone d’arc.• La deuxième consiste à empêcher le passage en mode concentré par l’application d’un champ magnétique axial : lorsque le champ atteint une valeur suffisante, l’arc est stabilisé dans un mode qualifié de colonne diffuse et ne se concentre pas ; bien qu’immobile l’arc utilise la majeure partie de la surface des contacts et l’échauffement reste donc dans ce cas aussi limité.

Coupure dans le SF6

L'hexafluorure de soufre (SF6) est l’un des gaz les plus utilisés dans l’industrie électrique (80% environ). Sa grande qualité d’isolation (bonne tenue diélectrique), son aptitude à ne pas entretenir l’arc électrique et son excellente stabilité chimique et thermique font de lui (SF6) un gaz de premier plan pour les applications en HT (disjoncteurs, commutateurs, transformateurs haute tension, lignes de transmission et sous-stations de distribution …).

Le SF6 est l'un des gaz les plus lourds actuellement connu, il est environ 5 fois plus lourd que l'air. Sa masse spécifique est 6,18 grammes par litre.Le SF6 est une substance inerte et dépourvue de toxicité à l'état pur. Il est incolore, inodore, ininflammable et exempt d'oxygène. La vitesse du son dans le SF6 est 3 fois inférieure à celle dans l'air.

Comme tous les gaz, il se liquéfie sous l'effet soit de la température, soit de la pression. Dans des conditions ordinaires de pression, il se liquéfie à très basse température. Dans des conditions ordinaires de température, il se liquéfie sous une pression de 20 bars.

Stocké dans des bouteilles sous une pression de 20 bars, il se présente donc en phase liquide.

L’hexafluorure de soufre (SF6) fut élaboré en 1900 par Moissan et Lebau [24] selon la réaction suivante : S (solide) + 3F2 (gaz) → SF6 (gaz) + 1096 kJ. Et ce sont les travaux du français Berthelot qui sont à l’origine de l’utilisation du SF6 dans le domaine de l’appareillage électrique comme gaz de coupure et d’isolation. Ces travaux ont permis de mettre en évidence la très bonne stabilité chimique de ce gaz en présence d’un arc électrique.Sa molécule est de forme octaédrique (les six atomes de fluor sont symétriquement repartis sur les sommets autour de l’atome de soufre).

L'hexafluorure de soufre est considéré comme étant un composé complètement fluoré

(CCF). Puisque les CCF ont des longévités atmosphériques pouvant aller jusqu'à plus de

3000 ans [23], le SF6 pourrait donc contribuer de façon permanente à l’échauffement

global du climat si les émissions continuent de croître. Le potentiel d’échauffement

global (PEG) du SF6 est 23900 fois supérieur à celui du CO2 pris comme référence (PEG

= 1).

Chaleur spécifique

La chaleur spécifique du SF6 rapportée à l’unité de volume est 3,7 fois plus élevée que celle de l’air. Ceci a des conséquences importantes pour la réduction des échauffements au sein de l’appareillage électrique.Conductivité thermique

La conductivité thermique du SF6 est inférieure àcelle de l’air, mais son coefficient global de transfert de chaleur est excellent. À haute température, la courbe de conductivité thermique du SF6 souligne l’une des qualités remarquables de ce gaz concernant l’extinction de l’arc par refroidissement thermique. Le pic de conductivité thermique correspond à la température de dissociation de la molécule de SF6 (2100 à 2500 K) qui s’accompagne, lors de la reformation de la molécule à la périphérie de l’arc, d’une absorption importante de chaleur favorisant les échanges rapides de chaleur du milieu chaud vers le milieu froid.

Il est chimiquement inerte : sa molécule a toutes ses liaisons chimiques saturées et une énergie de dissociation élevée (+1096 kJ/mol) ainsi qu’une grande capacitéd’évacuation de la chaleur produite par l’arc (enthalpie élevée).Pendant la période d’arc, sous l’effet de la température qui peut atteindre 15000 à20000 K, le SF6 se décompose. Cette décomposition est quasi réversible : quand le courant diminue la température diminue, les ions et les électrons se recombinent alors pour reconstituer la molécule de SF6.Une faible quantité de sous-produits résulte de la dégradation du SF6 en présence d’impuretés telles que le dioxyde de soufre ou le tétrafluorure de carbone. Ces sous-produits restent confinés dans les ampoules et sont très facilement absorbés par des éléments actifs comme le silicate d’aluminium souvent placés dans l’enceinte de coupure.Le rapport 61634 de la CEI sur l’utilisation du SF6 dans l’appareillage de coupure donne des valeurs typiques de sous-produits trouvés après plusieurs années de service. Les quantités produites restent faibles et sans risque pour les personnes etl’environnement : air (qqs ppmv),CF4 (40 ppmv à 600 ppmv), SOF2 et SO2F2 (en quantiténégligeable).

Propriétés diélectriques

Le SF6 a une rigidité diélectrique très élevée grâce aux propriétés très électronégatives du fluor :- La durée de vie de ses électrons libres reste très faible et ils forment avec les molécules de SF6 des ions lourds à faible mobilité. La probabilité de rupture diélectrique par avalanche est ainsi retardée.-Il confère à son milieu une constante de temps de désionisation extrêmement faible, de l’ordre de 0,25 ms.

L’arc électrique dans le SF6

L’arc dans le SF6 est formé d’un plasma de SF6 dissocié, de forme cylindrique, constitué d’un noyau à une température très élevée fonction du courant coupé, entouré d’une gaine de gaz plus froid. Le noyau et la gaine sont séparés par un palier de température lié à la température de dissociation de la molécule. Proche de 3000 K, ce palier reste inchangé lorsque l’intensité du courant varie.

Pendant cette période d’arc la totalité du courant est transportée par le noyau car la température du palier est inférieure à la température minimale d’ionisation et la gaine extérieure reste isolante.

Les grandeurs caractéristiques de l’arc dépendent du type de coupure utilisé(autocompression, arc tournant, auto-expansion).

Passage au zéro de courant

Avec la décroissance du courant, la température du noyau diminue, de ce fait la conductivité électrique commence aussi à diminuer.A l’approche du zéro de courant, les échanges thermiques entre la gaine et le noyau deviennent très importants. Celui-ci disparaît entraînant la disparition de la conductivitéavec une constante de temps très faible (0,25 ms) mais pas suffisante pour couper les courants de haute fréquence (pas de réallumage).

Quelques techniques de coupures dans le SF6

Les disjoncteurs BT

LES PRINCIPES THÉORIQUES DE COUPURE D’UN DISJONCTEUR BT

� Extinction de l’arc électrique lorsque le courant d’arc devient et reste nul:

� Sous tension continue : e<Ua

� Sous tension alternative :e<|Ua|

� L’extinction de l’arc est définitive si la TTR ne dépasse pas la caractéristique de régénération

LES TECHNIQUES DE COUPURE DU DISJONCTEUR BT

Disjoncteur à déclenchement électromagnétique (ou déclencheur magnétique)

Fonction : protection contre les courts-circuits :- court-circuit impédant (10 < Icc < 50 In) : souvent provoquépar la détérioration des isolants des conducteurs (bobinages moteur...)- court-circuit (Icc > 50 In) : provoqué par exemple par une erreur de connexion au cours d'une opération de maintenance.

Fonctions: protection contre les surcharges dûes à une anomalie du réseau (surtension...) ou à une cause mécanique (couple résistant excessif au démarrage d'un moteur par exemple).Exemple : déclenchement à 7,2 In entre 2 et 10 s.- disjoncteur à déclenchement thermique : coupure directe du circuit principal.- relais thermique : coupure du circuit auxiliaire, par exemple le circuit de commande du contacteur principal d'un départ moteur.

Disjoncteur à déclenchement thermique - relais thermique

Disjoncteur magnéto-thermique

Association d'un disjoncteur thermique et d'un disjoncteur électromagnétique.

1 2 3 4 6

200

40

20

10

0,5

0,2

0,05

0,01

0.1

10 20 30 40 80 100

200

300

400

600 I / In

Tem

ps d

e dé

clen

chem

ent

en

seco

nde

10 000

2000

4000

1000

400

100

80

1

0,02

5

Irth:Valeur de réglage du

déclencheur thermique

Irm: Valeur de rIrm: Valeur de rééglage duglage du

ddééclencheur magnclencheur magnéétiquetique

Icu: Pouvoir de coupure Icu: Pouvoir de coupure

ultimeultime

I : Courant permanent.

In : Courant nominal du dispositif de protection.

Icu : Valeur maximale du courant d’emploi qu’un appareil est capable de couper

dans des conditions d’emplois spécifiées sans subir de détérioration, ni donner lieu à

des manifestations extérieures nuisibles. Son unité est le kA.

Disjoncteur électronique

Les fusiblesLe fusible est un appareil de connexion dont la fonction est d’ouvrir, par la fusion d’un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à cet effet, le circuit dans lequel il est installé Le fusible doit interrompre le courant lorsque celui-ci dépasse pendant un temps déterminé une valeur donnée..

La norme CEI 60282-1 définit trois classes de :Fusible associé :Pour de faibles valeurs de courant de défaut. Il faut s'assurer que le courant minimal de coupure assigné de l'élément de remplacement est inférieur au plus petit courant de court-circuit susceptible d'apparaître en amont du dispositif de protection.Fusible d'usage général : L’intensité du courant est inférieure à environ quatre fois le courant assigné du fusible).Fusible à coupure intégrale : Particulièrement recommandé pour les applications où les surintensités de courant peuvent être aussi faibles que le courant minimal de fusion du fusible et lorsque l’élément doit être déclassé pour être utilisé dans une enveloppe.

Un fusible coupe grâce à l’arc. Le principe réside dans le fait qu’un filament dûment calculé est porté à sa température de fusion par le courant qui le traverse.

Sur fort courant, l’échauffement conduisant à la fusion du filament est de type adiabatique, son énergie de pré-arc (indépendante de la tension réseau) étant définie par la formule :

L’arc a rapidement la longueur du filament fondu, la tension d’arc prend une valeur fonction de cette longueur et de la pression qui apparaît dans l’ampoule. Cette ampoule peut être remplie de poudre de silice pour absorber l’énergie d’arc par fusion de la silice.Note : La «traîne» de courant s’explique par le chemin «préférentiel» que l’arc crée dans la silice fondue. L’arc devient grêle contre les parois encore chaudes.

In : Courant

nominal

Inf : Courant de

non fusion

If : Courant de

fusion

t (s)

I (A)

Courbe de fusion

Courbe de non fusion

In

Zone indéterminée ( inertie du fusible)

IfInf

0.5

1

10

100

Courbe de fusion

Suivant leurs utilisations en BT, deux classes de f usibles peuvent s’employer :

�gG ( gL ou gI ) : Fusible d’usage général. Utilisé dans les installations

domestiques.

� aM : Fusible accompagnement moteur. Prévu uniquement pour

la protection des appareils à caractère inductif (MAS, transformateur, etc.). Ils

laissent passer la pointe de courant durant le régime transitoire (démarrage).

• les fusilbes ne peuvent intervenir que suite à des courants de forte surcharge ou de court-circuit ;• certains types de fusibles sont à percuteur pour signaler leur fusion, mais aussi parfois pour agir indirectement sur un dispositif de coupure complémentaire afin d’assurer une ouverture de toutes les phases ;• après défaut et fusion d’un fusible, certains «rescapés» peuvent avoir frôlé la fusion et ainsi avoir leurs caractéristiques modifiées, ils sont alors susceptibles de fondre intempestivement sous un courant inférieur à leur calibre. Aussi faut-il changer tous les fusibles à la fois.

On trouve aussi cet appareillage au niveau des installations HT. Le principe de fonctionnement reste identique avec des variantes technologiques.

Aperçu sur les surtensions et la coordination de l’isolement des réseaux électriques

Les paratonnerres

Les câbles de garde

Les éclateurs

Utilisés en HT, les éclateurs sont placés sur les points des réseaux particulièrement exposés et à l’entrée des postes. Leur rôle est de constituer un point faible maîtrisé dans l’isolement du réseau, afin qu’un amorçage éventuel se produise systématiquement à cet endroit.Un éclateur à corne est constitué de deux électrodes, reliées l’une au conducteur et l’autre à la terre ; ces deux électrodes sont montées sur une chaîne d’isolateurs. Afin d’empêcher certains « court-circuitage » intempestifs par les oiseaux et leurs électrocution, une tige intermédiaire est placée entre les électrodes.

Le fonctionnement d’un éclateur est caractérisé par les termes suivants :• Courant de suite : c’est le courant à fréquence industrielle qui s’amorce dans le trajet ionisé par l’arc provoqué par un amorçage au choc.• Tension en % d’amorçage : c’est la valeur de crête des ondes de choc qui, dans les conditions d’essais spécifiées ont une proportion de n% d’essais ayant provoqué un amorçage sur le dispositif soumis aux essais.• Dispersion : c’est la moitié de la différence entre la tension 100% d’amorçage et la tension 0% d’amorçage d’un dispositif de protection.

Ce dispositif présente beaucoup d’inconvénients, à savoir :• La tension d’amorçage est présente une dispersion importante. En effet, elle dépend fortement des conditions atmosphériques ; des variations de plus de 40% sont observées.• Le niveau d’amorçage dépend aussi de l’amplitude de la surtension. Le retard à l’amorçage est d’autant plus long que la surtension est faible. Dans ces conditions, il est possible qu’une onde de choc provoque l’amorçage d’un appareil dont la tenue est supérieure à celle de l’éclateur pour peu que cet appareil présente un retard à l’amorçage plus faible.De plus, après amorçage, l’ionisation entre les électrodes maintient l’arc qui est alors alimenté par la tension du réseau et peut donner lieu à un courant de suite à fréquence industrielle. Ce courant est un défaut franc à la terre et nécessite l’intervention des protections placées en tête de ligne.• Enfin, l’amorçage provoque l’apparition d’une onde coupée à front raide susceptible d’endommager les enroulements des machines situées à proximité.

Les parafoudres

Un parafoudre est un dispositif de protection capable d'empêcher l'établissement de tensions dangereuses d'origine atmosphériques entre les conducteurs et la terre, en permettant aux charges qui engendrent ces tensions de s'écouler par une liaison conductrice. Pour ce faire, il doit donc :• s'amorcer à la tension d'amorçage,• écrêter la tension, jusqu'elle ne soit pas dangereuse pour le matériel,• couper le courant d'écoulement à la terre dés que la tension est abaissée à une valeur de tension proche de la tension de service.

Un parafoudre fonctionne comme un interrupteur de mise à la terre extrêmement rapide. Cette liaison à la terre est de courte durée, tout juste le temps d'évacuer l'onde de courant.

D'une manière sommaire, un parafoudre est la combinaison d'un éclateur et d'un résistance variable en série. Lorsqu'une onde de surtension rencontre un parafoudre, celui-ci établit une liaison avec la terre avec un temps de retard de quelques microsecondes. Le courant de foudre est écoulé vers la terre par l'amorçage des éclateurs. Les résistances variables limiteront le courant de décharge et faciliteront l'extinction de l'arc.

CARACTERISTIQUES D'UN PARAFOUDRE :

Tension nominale : C'est la tension efficace, à 50 Hz, que l'on peut appliquer indéfiniment entre les bornes du parafoudre sans amorçage.

Tension 100% d'amorçage aux chocs : C'est la tension maximale d'une onde normalisée 1/50 provoquant 100 amorçage sur 100 essais.

Caractéristiques tension/temps d'amorçage aux ondes de chocs : On porte en abscisse le temps d'application de l'onde d'amorçage, et en ordonnées la tension au moment de l'amorçage. La valeur Uc est appelée tension critique d'amorçage. La courbe AB joignant les points a, b, c, etc., est la caractéristique des tensions d'amorçage en fonction du temps pour une onde 1/50.

Tension résiduelle : Valeur subsistant sur le conducteur du côté aval du parafoudre lorsqu'une surtension incidente a provoqué son fonctionnement.

Tension assignée : C'est la tension d'extinction, c'est à dire la tension maximale à fréquence industrielle pour laquelle le parafoudre est capable de se désamorcer spontanément. Il faut que la tension assignée soit strictement supérieure à la plus forte surtension temporaire qui risque d'apparaître.

Pouvoir de décharge : Valeur maximale de l'onde de courant que le parafoudre peut supporter un certain nombre de fois sans avarie.

Niveau de protection : Elle est définie arbitrairement par la valeur maximale des trois tensions suivantes :• Tension 100% d'amorçage au choc de foudre.• Tension d'amorçage sur le front de l'onde divisée par 1,15.• Tension résiduelle au courant nominal de décharge.

Les performances d'un parafoudre sont caractérisées par le rapport de la tension 100% d'amorçage au choc de foudre (crête) à la tension assignée (efficace). Elles sont d'autant plus intéressante que le rapport est faible. Ce dernier est de l'ordre de 3,2 pour les parafoudres MT (HTA) et 2,3 pour les parafoudres HT et THT (HTB).

101055Courant de crête nominal de décharge (kA)

510330150110Valeur efficace min (kV)

600395190140Valeur efficace max (kV)Fréquence industrielleSec/pluie

850560255190Valeur de crête max (kV)Choc de

manœuvre

12001200830625Raideur du front (kV/µs)

1050705305225Valeur de crête max (kV)Front de l'onde

670460190140Valeur de crête min (kV)

900615255190Valeur de crête max (kV)Choc de foudre

Tension d'amorçage

900615255190

Tension crête résiduelle au courant nominal de décharge(kV)

37824610275Tension efficace assignée (kV)

4002259063

Tension efficace nominale du réseau (kV)Paramètres caractéristiques

LES PARAFOUDRES A CARBURE DE SILICIUM (SiC)

Ce type de parafoudre est constitué d'éclateurs en série avec des varistances en carbure de silicium. Ces dernières obéissent à la loi I = K.UN, c'est à dire qu'elles ne sont pas linéaires et N prend généralement les valeurs 4 et 5. Une autre particularité distingue les varistances à SiC. En effet, d'après la figure 2, lorsque le courant de foudre s'est écoulé, il reste, sur la ligne, la tension à 50 Hz qui continue à maintenir l'arc sur l'éclateur, tandis que le courant correspondant parcours le parafoudre. Ce courant de "suite", pour une même tension U1, sera très grand dans le cas d'une résistance linéaire (IR), alors qu'il est limité à IV, dans le cas d'une varistance.

Une résistance variable à SiC est une pastille de carborundum, finement broyéet tamisé ; après l'adjonction d'un liant céramique, on effectue un moulage avec compression et une cuisson. Quant aux propriétés, pour les faibles gradients de potentiel, le courant ne passe que par les points de contact entre grains, donc mal ; la résistance est élevée ; pour les gradients de potentiel élevés, il se produit une ionisation intense et le courant passe difficilement ; la résistance est faible

LES PARAFOUDRES A OXYDE DE ZINC

Les propriétés des varistances à oxyde de zinc (ZnO) ont été mises en évidence vers la fin des années cinquante en ex-URSS. Ces propriétés se manifestent par un coefficient de non-linéarité important comparé aux varistances en SiC, et une capacité d'absorption d'énergie élevée. Dés 1970, des constructeurs de parafoudres se sont lancés dans la mise au point de parafoudres à ZnO.

Alors que la technologie des parafoudres à éclateurs dépend beaucoup du niveau de tension considéré, ces nouveaux composants sont simplement constitués d'un empilage de varistances à ZnO.

Principe de fonctionnement des varistances à ZnO :Les varistances à ZnO sont constituées d'une juxtaposition de cristaux de ZnOformant un matériau polycristallin. Ces cristaux présentent des caractéristiques d'un semi-conducteur de type N : la conductivité est du type thermoélectronique. La non-linéarité entre le courant et la tension est accentuée par l'adjonction de dopants (Bi, Co, Mn, Ni, etc.). La courbe courant-tension comporte plusieurs zones distinctes, chacune d'elles étant caractérisée par un régime particulier de conduction.

642 à817

350 à443

163 à187

105 à163

52 à 63Tension crête résiduelle au choc de manœuvre

(kV)

718 à914

416 à527

194 à222

117 à183

60 à 73Tension de crête résiduelle au courant de décharge

(kV)

1010555Courant crête nominal de décharge (kV)

330 à 420

180à 228

84 à 9654 à 8421 à 26Tension efficace assignée (kV)

42024510072,524Tension efficace la plus élevée pour la matériel à

protéger (kV)

400 kV225 kV90 kV63 kV20 kV

Tension efficace nominale du réseau

Paramètres caractéristiques

Exemples de paramètres caractéristiques des parafoudres à oxyde de zinc

CHOIX ET MISE EN ŒUVRE DES PARAFOUDRESLa tension nominale : Pour déterminer la tension nominale d’un parafoudre, on part de la valeur maximale de tension susceptible d’apparaître dans le réseau et on la majore de l’accroissement qu’engendrerait un défaut à la terre suivant l’expression :Unom ≥ 0.577 . Umax . kdUnom : tension nominale du parafoudre - Umax : tension maximale de la tension de service au lieu d’implantation du parafoudre - kd : facteur de défaut à la terre ; 1,4 dans le cas d’un neutre mis rigidement à la terre, 1,73 dans le cas d’un neutre isolé ou mis à la terre à travers une impédance.Courant nominal de décharge : On choisi généralement des valeurs de courant de décharge suivantes :- pour les tensions de service < 52 kV : 5 kA dans les cas normaux et 10 kA dans les cas spéciaux, tels que postes importants ou régions très foudroyées.- pour les tensions ≥ 52 kV : 10 kA.Le niveau de protection : Une fois le type et la tension nominale du parafoudre déterminées, il faut encore vérifier l’efficacité en comparant le niveau de protection du parafoudre à la tension de tenue au choc des appareils à protéger. Le niveau de protection ne doit pas dépasser la valeur limite suivante :SP ≤ UTCA / ksSP : niveau de protection - UTCA : tension de tenue au choc des appareils à protégerks : facteur de sécurité ; ks ≥ 1,4 pour les tensions de service < 52 kV et ks ≥1,2 pour une tension de service de 52 kV et plus.Distance de protection des parafoudres : La distance de protection s’obtient à partir de la figure ci-dessous ; elle est de 1,0d pour les stations dotées d’un ou de plusieurs câbles protégés par un parafoudre, et de 0,5d dans les autres cas.