Bliksem en overspanningsbeveiliging
Voorkomen is beter dan genezen

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Apparatuur en installaties worden vaak onherstelbaar beschadigd door overspanningen. De schade wordt niet beperkt tot alleen industriële installaties. Ook de gebouwentechniek, waartoe de apparatuur voor het dagelijks gebruik behoort, worden er door beïnvloed. Zonder effectieve maatregelen tegen overspanningen dient men rekening te houden met hoge kosten voor reparatie of het opnieuw aanschaffen van de systemen.

Elektrische en elektronische systemen worden in toenemende mate bedreigd, beschadigd of onherstelbaar vernietigd door overspanningen. Hierdoor is tevens het aantal schadegevallen de laatste jaren sterk toegenomen. De statistieken van de verzekeringsmaatschappijen spreken hier duidelijke taal. Schade of vernietiging doen zich met name vooral voor wanneer men afhankelijk is van een permanente inzetbaarheid van de apparatuur. Behalve de kosten in verband met vernieuwen of herstellen van de apparatuur, zijn er tevens de extra kosten als gevolg van het uitvallen van de getroffen installatie. Hieronder vallen bijvoorbeeld de kosten van het verlies van producten, software en andere waardevolle gegevens.

Oorzaken
Een bedreiging door overspanning wordt meestal niet aangekondigd. Er kunnen echter aanwijzingen zijn voor een onvoldoende tegen storingsinvloeden beveiligde installatie. Een aanwijzing kan bijvoorbeeld zijn dat de elektronica op een willekeurig moment op onverklaarbare wijze uitvalt. Ook regelmatig optredende storingen in een bepaald seizoen, op een bepaalde dag of op hetzelfde tijdstip kunnen aanwijzingen zijn dat direct maatregelen tegen storingsinvloeden dienen te worden genomen.
Overspanningen ontstaan bij schakelhandelingen in elektrische stroomcircuits, elektrostatische ontladingen en bliksemontladingen. Tegen de energie die bij een bliksemontlading vrijkomt, is zelfs de meest robuust gebouwde laagspanningsvoeding van een gebouw of industriële installatie, zonder maatregelen als bliksem-, stroom- en overspanningsafleiders, niet opgewassen. De overspanningen treden slechts kort, binnen een miljoenste van een seconde op. Toch zijn deze vaak zeer hoge spanningen in staat elektronische circuits of de isolatie tussen printbanen onherstelbaar te beschadigen.
Een overspanning tussen een signaal- of spanningsvoerende ader en het aardpotentieel wordt aangeduid met “common mode spanning UL”, terwijl een overspanning tussen signaaladers, die niet geaard zijn, wordt aangeduid met “differential mode spanning UQ”. De hoogte van een geïnduceerde overspanning groeit naarmate de effectieve lengte van de inductielus groter wordt.
De inkoppeling van overspanningen van het ene systeem in het andere kan galvanisch, inductief of capacitief plaatsvinden.
Galvanische inkoppeling
De galvanische inkoppeling vindt plaats via gemeenschappelijke impedanties van stoorbron en stoorontvanger. Hoge bliksemstroomaplituden veroorzaken bij de aardwerstand een overspanning die via de potentiaalvereffeningsrail in de aangesloten aders inkoppelt. Bij bliksemstroomtoevoerende aders ontstaat een extra overspanning die vanwege de hoge stroomsteilheid hoofdzakelijk naar de inductieve componenten kan worden teruggevoerd volgens de regel: UL = L di/dt
Inductieve koppeling
De inductieve kinkoppeling in een ader vindt volgens het transformatorprincipe plaats door het magnetische veld van een nadere stroomvoerende ader. Een direct ingekoppelde overspanning veroorzaakt in de betreffende aders een stoorstroom met hoge stijgwaarden di/dt. Tegelijkertijd ontstaat er om deze ader een overeenkomstig krachtig magnetisch veld (werkingsprincipe van een primaire ontwikkeling van een transformator). In andere aders, zoals bijvoorbeeld voor signaaloverdracht, die zich binnen de invloedsfeer van het magnetische veld bevinden, wordt een spanning, resp. een overspanning geïnduceerd (werkingsprincipe van een secundaire wikkeling van een transformator). Via de ader komt de overspanning op het aangesloten toestel apparaat terecht.
Capacitieve inkoppeling
De capacitieve inkoppeling vindt in principe plaats via het elektrische veld tussen twee punten met grote potentiaalverschillen. Een elektrisch geleidend deel van het apparaat komt onder spanning te staan, bijvoorbeeld de opvangstaaf van een bliksemafleiderinstallatie, tengevolge van een blikseminslag. Tussen andere delen met een laag potentiaal, bijvoorbeeld een ader voor de netvoeding of signaaloverdracht in een gebouw, ontstaat een elektrisch veld. Het spanningsverschil zal zich vereffenen en er vindt een ladingverplaatsing plaats. Dit leidt tot een spanningsstijging of tot een overspanning in de betreffende ader en het daarop aangesloten toestel.

Effectieve beveiligingskring
Ook wanneer een elektrisch of elektronisch apparaat de spanningsvastheidstest volgens IEC 1000-4-5 voor het verkrijgen van de CE-markering met goed gevolg heeft doorstaan, is het nog lang niet vanzelfsprekend dat het alle omgevingsinvloeden met betrekking tot elektromagnetische compatibiliteit kan weerstaan. Om te voorkomen dat elektrische installaties onherstelbaar worden beschadigd door overspanningen dienen alle interfaces die gevaar lopen, zoals signaalingangen en laagspanningsvoedingen, te worden voorzien van een overspanningsbeveiliging. Afhankelijk van de toepassing worden componenten zoals vonkbruggen, gasgevulde overspanningsafleiders, varistoren en suppresordioden afzonderlijk of gecombineerd in een beveiligingsschakeling geplaatst, omdat de componenten qua afleider- en begrenzingswaarden onderling verschillen.
Met effectieve beveiligingskring wordt een naadloze maatregel ter beveiliging tegen overspanning bedoeld. De eerste stap voor het opzetten van een dergelijk beveiligingsconcept is het registreren van alle apparaten en installaties die in het concept dienen te worden opgenomen. Dan volgt het in kaart brengen van het noodzakelijk beveiligingsniveau voor de geregistreerde apparaten en installaties. In principe worden de verschillende typen stroomcircuits in de volgende bereiken onderverdeeld:
- netvoeding
- meet- & regeltechniek (M&R-techniek)
- dataverwerkingsinstallaties
- telecommunicatie
- zend-/ontvangapparatuur.
Men dient zich de te beveiligen installatie of het te beveiligen apparaat in een beveiligde ruimte voor te stellen (zie afbeelding 1). Bij alle snijpunten “leiding – beveiligingscircuit” dienen overspanningsbeveiligingselementen te worden geïnstalleerd die overeenkomen met de kenmerken van het betreffende stroomcircuit resp. interface van het te beveiligen apparaat. Hiermee is het bereik binnen de beveiligingskring zodanig beveiligd dat een overspanningskoppeling van buitenaf niet mogelijk is.
De voor de beveiliging van de netvoeding van installaties en apparaten noodzakelijk maatregelen zijn, afhankelijk van de te verwachten omgevingsinvloeden, te verdelen in twee of drie trappen. De overspanningsbeveiligingselementen voor de afzonderlijke trappen onderscheiden zich in principe door de hoogte van het afleidvermogen en het beveiligingsniveau overeenkomstig de noodzakelijke beschermklasse. Door toepassing van getriggerde bliksemstroomafleiders, die volgens het AEC-principe zijn ontwikkeld, kunnen bliksemstroomafleiders direct parallel worden geschakeld. Dit is vooral handig wanneer het niet mogelijk is bliksem- stroom- en overspanningsafleiders met behulp van een kabellengte van tenminste 10 m gescheiden van elkaar te installeren. Interfaces in het M&R-bereik zijn veel gevoeliger voor overspanningen dan netvoedingssystemen. Voor de beveiliging worden daarom afleiders met gecombineerde beveiligingscircuits toegepast. Deze worden direct voor de te beveiligen signaalingangen geïnstalleerd. Dit voorkomt een overspanningsinkoppeling in de verbinding tussen afleider en interface. De keuze van de afleider wordt gemaakt aan de hand van gegevens zoals het type signaalverwerking, bijvoorbeeld twee-, drie- of vierdraadstechniek, de maximale signaalspanning, de stootspanningsvastheid en de overdrachtsfrequentie.
Basisschakeling is de indirecte, d.w.z. ontkoppelde parallelschakeling van gasgevulde overspanningsafleider, vasitor en suppresordiode. Zo kan een afleidvermogen worden bereikt van max. 20 kA met een zeer nauwkeurige en lage spanningsbegrenzing en een zeer korte aanspreektijd. Voor de ontkoppeling worden inductiviteiten of ohmse weerstanden toegepast. In beveiligingsschakelingen voor signaalingangen van data- of telecommuniatie-apparaten worden combinaties met snel aansprekende suppressordioden en krachtige gasgevulde overspanningsafleiders toegepast. Voor zover dat schakeltechnisch noodzakelijk is, worden ohmse weerstanden als ontkoppelingscomponenten gebruikt. Interfacespecifieke beveiligingschakelingen begrenzen de overspanningen op een dergelijk lage waarde dat de restspanning geen gevaar meer vormt voor de interace. De beveiligingsshakeling functioneert over het algemeen zowel in de differential mode kring als in de common mode kring, d.w.z. tussen de signaaladers en van de signaaladers naar aarde. Naast de elektrische specificaties dienen deze overspanningsbeveiligingselementen ook mechanisch op de te beveiligen interfaces te zijn afgestemd. In de praktijk kan uit een groot aantal aansluittechnieken worden gekozen. Bijna net zoveel afleidervarianten zijn leverbaar voor een systeemgerichte oplossing.

Verschillende beveiligingsbehoeften
De noodzakelijke overspanningsbeveiling voor netvoedings- en informatieleidingen worden in drie beveiligingstrappen verdeeld. Voor de voeidng zijn bliksemstroomafleiders, overspanningsafleiders en apparaatbeveiligingen beschikbaar. Interfaces uit de data-, telecommunicatie- en M&R-techniek zijn veel gevoeliger dan de netvoedingsingang van eindapparaten. Daarom is een fijnbeveiliging dringend noodzakelijk voor datainterfaces.
De eerste beginfase voor de netvoeding wordt of aan de ingang van het gebouw of in de hoofdverdeling door middel van een bliksemstroomafleider tot stand gebracht. Omdat de door de bliksemstroomafleider gerealiseerd restspanning voor de navolgende installatieonderdelen nog te hoog is, dienen afhankelijk van het gedefinieerde verdere beveiligingstrappen te worden geïnstalleerd. In de navolgende verdelingen, zoals etageverdelers of aansluitkasten van grote elektronische installaties, dienen dan als tweede beveiligingsfase overspanningsafleiders te worden geïnstalleerd. Als derde trap wordt als apparaatbeveiliging een overspanningsafleider direct voor het te beveiligen apparaat geïnstalleerd. Een normale geaarde wandcontactdoos kan bijvoorbeeld probleemloos worden vervangen door een wandcontactdoos met geïntegreerde overspanningsbeveiliging of een apparaatbeveiliging die voor elke wandcontactdoos-/schakelprogramma kan worden aangepast. Bovendien zijn afleiders in vele andere uitvoeringen, zoals steekbare adapters, wandcontactdoosstroken of modulen voor montage op montagerails verkrijgbaar.
Afleiders voor toepassing in dataleidingen dienen aan zowel de elektrische als de mechanische voorwaarden van de betreffende interface te voldoen. Phoenic Contact bijvoorbeeld heeft afleiders in zijn gamma die zijn voorzien van op elkaar afgestemde grof- en fijnbeveiligingselementen. De voor de communicatie noodzakelijke ontkoppelingsweerstanden zijn opgenomen in de afleider. Deze afleiders worden bij binnenkomst in de beveiligingszone in de dataleidingen opgenomen. In tegenstelling tot het parallel aansluiten van afleiders in de voeding, wordt de overspanningsbeveiliging voor M&R-installaties en computerapparatuur in serie in de overdrachtsleiding geschakeld. Daarom dienen de betreffende afleiders aan beide zijden van de informatie, dus zowel bij de zender als de ontvanger, te worden geïnstalleerd.
Zodra apparatuur en installaties met dezelfde beveiligingsbehoeften gemeenschappelijk in een overspanningsbeveiligingzone zijn opgenomen, worden alle in de beveiligingszone binnenkomende leidingen van afleiders voorzien die een restspanningsniveau overeenkomstig deze beveiligingsbehoefte realiseren. Bovendien moet binnen elk beveiligingsbereik een potentiaalvereffening van alle leidingen tot stand worden gebracht.

M.M.

La foudre et la protection contre les surtensions
Une nécessité

L’équipement et les installations subissent souvent des dégâts irréparables lors de surtensions. Les dégâts ne se limitent pas seulement aux installations industrielles. La technique de bâtiment, qui comprend l’équipement destiné à l’utilisation quotidienne, est elle aussi influencée. Si l’on ne prend pas de mesures efficaces contre les surtensions, il faut tenir compte de frais élevés pour la réparation ou la nouvelle acquisition d’appareils.

Les équipements électriques et électroniques sont de plus en plus menacés, endommagés ou irrémédiablement détruits par les surtensions. De fait, le nombre de dégâts a fortement augmenté au cours de ces dernières années. Les statistiques des compagnies d’assurances sont très éloquentes. Les dégâts ou destructions apparaissent surtout lorsque l’on dépend d’une disponibilité permanente de l’équipement. Outre les frais liés au remplacement ou à la réparation de l’équipement, il faut également prendre en compte les coûts supplémentaires engendrés par l’arrêt de l’installation concernée, par exemple les frais de perte de produits, logiciels et autres données précieuses.

Causes
Une menace de surtension n’est généralement pas annoncée. Cependant, il est possible de déceler des indications d’une protection insuffisante de l’installation contre les influences perturbatrices. La panne inexpliquée de l’électronique, survenant à un moment aléatoire, peut par exemple être une indication. Des perturbations régulières durant une certaine saison, un jour précis ou toujours au même moment peuvent également indiquer la nécessité d’une prise de mesures immédiate contre les influences de ces perturbations.

Les surtensions se manifestent lors de manoeuvres de commutation dans les circuits de courant électrique, lors de décharges électrostatiques et de coups de foudre. Même l’alimentation basse tension la plus robuste d’un bâtiment ou d’une installation industrielle n’est pas à même de résister à l’énergie libérée par un coup de foudre si aucune mesure de type parafoudre, parasurtenseur, déviateur… n’a été prise. Les surtensions sont très brèves et ne durent pas plus d’un millionième de seconde. Pourtant, ces tensions d’amplitude souvent très élevée sont en mesure d’endommager irrémédiablement les circuits électroniques ou l’isolation entre les pistes des circuits imprimés.
Une surtension entre une ligne de données ou un conducteur d’alimentation et le potentiel de terre est désignée par une ‘tension en mode commun UL’, tandis qu’une surtension entre lignes de données qui ne sont pas mises à la terre est désignée par une ‘tension en mode différentiel UQ’. L’amplitude d’une surtension induite croît au fur et à mesure que la longueur effective de la boucle d’induction augmente.
L’influence des surtensions d’un système sur l’autre peut se produire par couplage galvanique, inductif ou capacitif.

Couplage galvanique
Le couplage galvanique a lieu au travers d’impédances communes entre la source de perturbation et le récepteur perturbé. Les grandes amplitudes du courant de foudre provoquent en cas de résistance à la terre une surtension induite dans les conducteurs raccordés via le conducteur d’équipotentiel. Une surtension supplémentaire apparaît sur les conducteurs acheminant le courant de foudre. En raison de la transconductance élevée du courant, la surtension peut être simplement ramenée à sa composante inductive selon la règle UL=L di/dt.

Couplage inductif
Le couplage inductif dans un conducteur est provoqué, selon le principe du transformateur, par le champ magnétique crée par un conducteur proche dans lequel circule un courant. Une surtension directement induite provoque dans les conducteurs concernés un courant perturbateur dont les valeurs de hausse di/dt sont élevées. Il apparaît simultanément dans ce conducteur un puissant champ magnétique correspondant (principe de fonctionnement de l’enroulement primaire d’un transformateur). Une tension, respectivement surtension, est alors induite dans d’autres conducteurs, comme par exemple les câbles de signaux de données, qui se trouvent dans la sphère d’influence de ce champ magnétique (principe de fonctionnement de l’enroulement secondaire d’un transformateur). Le conducteur influencé conduit ensuite la surtension jusqu’à l’appareil raccordé.

Couplage capacitif
Le couplage capacitif s’effectue en principe suite à l’existence d’un champ électrique entre deux points présentant une grande différence de potentiel. Suite à la foudre, une partie conductrice d’électricité de l’installation est mise sous tension, par exemple la barre collectrice d’une installation de parafoudre. Un champ électrique apparaît sur d’autres parties présentant un faible potentiel, par exemple un câble d’alimentation réseau ou un câble de signaux de données qui serpente dans un bâtiment. La différence de tension va s’équilibrer et provoquer un déplacement de charge. Ceci induit une hausse de tension ou une surtension sur le conducteur en question et dans l’appareil qui y est raccordé.

Circuit de protection effectif
Même lorsque un appareil électrique ou électronique a bien supporté le test de résistance à la tension conforme à l’IEC 1000-4-5 pour l’obtention du marquage CE, il est loin d’être évident qu’il puisse résister à toutes les influences environnementales liées à la compatibilité électromagnétique. Pour éviter l’endommagement irrémédiable d’installations électriques par des surtensions, toutes les interfaces courant un risque comme les entrées de signaux et les alimentations basse tension, doivent être dotées d’une protection contre les surtensions. En fonction de l’application, des composants comme les éclateurs, les parasurtenseurs au gaz, les varistances et les diodes de suppression sont installés séparément ou de façon combinée dans un circuit de protection, parce que les composants diffèrent entre eux en termes de valeurs de déviation et de limitation.
On entend par circuit de protection effectif, une mesure de protection infaillible contre les surtensions. Le premier pas pour la mise sur pied d’un tel concept de protection est l’enregistrement de tous les appareils et installations devant être repris dans le concept. Vient ensuite l’inventorisation du niveau de protection nécessaire pour les appareils et installations répertoriés. En principe, les différents types de circuits électriques sont répartis dans les catégories suivantes :
- alimentation réseau
- technique de mesure et de régulation (technique M&R)
- installations de traitement de données
- télécommunication
- équipement d’émission et de réception
Il faut se représenter l’installation ou l’appareil à protéger dans un espace protégé (voir illustration 1). Il convient d’installer près de tous les points d’intersection ‘conducteur-circuit de protection’ des éléments de protection contre les surtensions qui correspondent aux caractéristiques du circuit électrique, respectivement de l’interface de l’appareil à protéger. La portée au sein du circuit de protection est ainsi suffisamment protégée pour éviter tout couplage de surtension venant de l’extérieur.
Les mesures nécessaires pour la protection de l’alimentation réseau des installations et appareils peuvent être réparties en deux ou trois approches en fonction des influences environnementales escomptées. Les éléments de protection contre les surtensions se distinguent en principe, pour les différentes approches, par la taille de la puissance de déviation et par le niveau de protection conformément à la classe de protection nécessaire. En appliquant des parafoudres à déclenchement, développés selon le principe AEC, les parafoudres peuvent être commutés directement en parallèle. Ceci est surtout pratique lorsqu’il n’est pas possible d’installer des parafoudres, parasurtenseurs… séparément, à l’aide d’une longueur de câble d’au moins 10 mètres. Les interfaces dans le domaine de la M&R sont nettement plus sensibles aux surtensions que les systèmes destinés aux alimentations réseau. On utilise dès lors, pour la protection, des déviateurs présentant des circuits de protection combinés. Ceux-ci sont installés directement avant les entrées de signaux à protéger. Le choix du déviateur est fait sur la base de données telles que le type de traitement de signaux, par exemple une technique à deux, trois ou quatre fils, la tension maximale du signal, la résistance aux tensions de choc et la fréquence de transfert.

Le circuit de base est le circuit parallèle indirect, c.-à-d. découplé par un parafoudre au gaz, une varistance et une diode de suppression. Une puissance de déviation de maximum 20 kA peut ainsi être obtenue avec une limitation de tension très précise et faible et un temps de réaction très court. Des inductances ou résistances ohmiques sont appliquées pour le découplage. Dans les circuits de protection pour les entrées de signaux d’appareils de données ou de télécommunications, on applique des combinaisons de diodes de suppression à réaction très rapide et des puissants parasurtenseurs au gaz. Si cela s’avère nécessaire au niveau de la technique du circuit, les résistances ohmiques sont utilisées comme composants de découplage. Les circuits de protection spécifiques aux interfaces limitent les surtensions à une valeur si faible que la tension résiduelle ne forme plus aucun danger pour l’interface. Le circuit de protection fonctionne en général tant dans la boucle en mode différentiel que dans la boucle en mode commun, c’est-à-dire entre lignes de données et entre lignes de données et la terre. Outre les spécifications électriques, ces éléments de protection contre les surtensions doivent également être harmonisés mécaniquement avec les interfaces à protéger. En pratique, on peut choisir parmi un grand nombre de techniques de raccordement. Il existe quasi autant de variantes de déviateurs que de solutions spécifiques à un système.

Différents besoins de protection
Le concept de protection contre les surtensions des câbles d’alimentation réseau et de signaux de données est scindé en trois niveaux de protection. Il existe des parafoudres, des parasurtenseurs et des protections d’appareils d’alimentation. Les interfaces des techniques de traitement de données, de télécommunication et de M&R sont nettement plus sensibles que l’entrée de l’alimentation réseau des appareils finaux. Voilà pourquoi une protection fine est absolument nécessaire pour les interfaces de traitement de données. Le premier niveau de la protection de l’alimentation réseau est installé soit à l’entrée du bâtiment soit dans le tableau de répartition principale au moyen d’un parafoudre. Etant donné que la tension résiduelle engendrée par le parafoudre est encore trop élevée pour les parties d’installation suivantes, d’autres niveaux de protection doivent être installés en fonction de ce qui est défini. Dans les répartitions suivantes, comme les tableaux divisionnaires d’étages ou les armoires de raccordement de grandes installations électroniques, il convient alors d’installer des parasurtenseurs comme deuxième niveau de protection. Comme troisième niveau, un parasurtenseur est installé directement avant l’appareil à protéger, comme protection de l’équipement. Une prise murale normalement mise à la terre peut par exemple être remplacée sans problème par une prise murale intégrant une protection de surtension ou par une protection d’équipement qui peut être adaptée à chaque programme de prise murale ou de circuit. En outre, les déviateurs sont disponibles dans de nombreuses autres exécutions de type adaptateurs enfichables, blocs multiprises ou modules pour un montage sur rails.
Les déviateurs destinés aux lignes de données doivent répondre tant aux conditions électriques que mécaniques de l’interface concernée. Phoenix Contact propose par exemple dans sa gamme des déviateurs dotés d’éléments de protection grossière et fine, harmonisés entre eux. Les résistances de découplage nécessaires à la communication sont reprises dans le déviateur. Ces déviateurs sont placés sur la ligne de données à l’entrée de la zone de protection. Contrairement au raccordement parallèle des déviateurs de l’alimentation, la protection contre les surtensions pour les installations M&R et l’équipement informatique est commutée en série dans le conducteur de transfert. Voilà pourquoi les déviateurs concernés doivent être installés des deux côtés de l’information, donc tant côté émetteur que récepteur.

Dès que l’équipement et les installations ayant les mêmes besoins de protection sont repris collectivement dans une zone de protection contre les surtensions, tous les câbles entrants dans la zone de protection sont dotés de déviateurs qui assurent un niveau de tension résiduelle conforme au besoin de protection. En outre, un équipotentiel entre tous les câbles doit être réalisé dans chaque zone de protection.

M.M.