Conception de dispositifs de protection contre les surtensions : Optimisation des MOV parallèles pour le serrage, le partage du courant et la longévité

Essai de tendance à la détérioration de chaque varistance à oxyde métallique (MOV) en parallèle pour les dispositifs de protection contre les surtensions

Dispositif expérimental et objets testés

Une série d'expériences a été conçue pour étudier les performances et la durée de vie de trois varistances à oxyde métallique (MOV) parallèles dans un dispositif de protection contre les surtensions MOV. L'objectif est d'analyser comment la disparité de tension entre les MOV parallèles affecte le partage du courant, la tension de serrage et la dégradation au cours d'événements de surtension répétés.

Trois MOV du même modèle et du même fabricant ont été utilisés. Après sélection, les différences de tension U1mA entre les trois MOV ont été contrôlées à environ 1V, 6V et 10V, formant ainsi trois groupes : Groupe A (différence de ≈1V), Groupe B (différence de ≈6V), Groupe C (différence de ≈10V).

	Tension de la varistance à oxyde métallique (V)
Numéro de série	1	2	3	Connexion en parallèle
Groupe A	619	619	620	589
Groupe B	615	621	620	588
Groupe C	610	619	620	592

Tableau 1 - Paramètres initiaux de la tension du MOV sélectionnés pour les expériences sur le dispositif de protection contre les surtensions du MOV

Résultats du test des impulsions répétées

Après des impulsions de surtension répétées de 8/20 μs, 40 kA, les tensions MOV mesurées finales pour chaque groupe ont été obtenues, comme indiqué dans le tableau 2. Ces résultats démontrent la tendance à la dégradation des MOV en fonctionnement parallèle et l'effet de la discordance de tension initiale sur les performances et la durée de vie du dispositif de protection contre les surtensions.

	Tension de la varistance à oxyde métallique (V)
Numéro de série	1	2	3	Connexion en parallèle
Groupe A	610	612	615	600
Groupe B	584	616	612	591
Groupe C	562	607	606	574

Tableau 2 - Valeurs de tension du MOV après 25 impacts de surtension répétés dans le dispositif de protection contre les surtensions MOV

Analyse de la variation de la tension et de la tendance à la détérioration dans le groupe C

Le groupe C a montré la variation de tension la plus prononcée et a été analysé en détail. L'évolution de la tension de chaque MOV (C1, C2, C3) est présentée à la figure 1.

Principales observations :

1. En raison de légères différences dans la dérivation du courant, chaque MOV conduit des quantités différentes de courant de surtension en fonction de la relation :

In=Ia+U-UanRznI_n = I_a + \frac{U - U_{an}}{R_{zn}}In=Ia+RznU-Uan

où RznR_{zn}Rzn est la résistance dynamique, IaI_aIa est le courant d'impulsion, UUU est la tension résiduelle totale et UanU_{an}Uan est la tension résiduelle par MOV. Par conséquent, avec une différence de tension initiale de 10V, après trois séries d'impacts, la différence s'est réduite à 5V.

2. Selon la norme IEC61643-11, la plage de variation acceptable de U1mA est de ±20%. Le MOV C1 a atteint la limite de dégradation de la tension en premier. Au-delà de cette limite, le MOV C1 s'est dégradé à ~1% par groupe de surtension, et sa dégradation totale après le test était 2,7 fois plus élevée que celle des deux autres MOV.

Conclusion : Lorsque des MOV à faible tension initiale sont utilisés en parallèle, ils se détériorent en premier et plus gravement que les MOV à tension plus élevée, ce qui peut avoir un impact sur la fiabilité et la durée de vie du SPD.

Figure 1 - Tendance de la variation de tension des MOV du groupe C

Tendances en matière de criblage et de détérioration des varistances à oxyde métallique (MOV) en parallèle pour les dispositifs de protection contre les surtensions

Dispositif expérimental et procédure d'essai

Étudier comment le criblage affecte les performances et la durée de vie de trois varistances à oxyde métallique (MOV) parallèles dans un système d'alimentation en énergie. Dispositif de protection contre les surtensions, Une série d'expériences a été conçue. L'étude se concentre sur les effets de l'inadéquation de la tension sur le partage du courant, la tension de serrage et la dégradation en cas de surtensions répétées.

Trois MOV du même modèle et du même fabricant ont été sélectionnés. Après sélection, les différences de tension (U1mA) entre les trois MOV ont été contrôlées à environ 1V, 6V et 10V, formant ainsi trois groupes : Groupe A (différence de ≈1V), Groupe B (différence de ≈6V), et Groupe C (différence de ≈10V).

	Tension de la varistance à oxyde métallique (V)
Numéro de série	1	2	3	Connexion en parallèle
Groupe A	619	619	620	589
Groupe B	615	621	620	588
Groupe C	610	619	620	592
	Courant de fuite (μA)
Numéro de série	1	2	3	Connexion en parallèle
Groupe A	10.1	9.66	11.1	31.8
Groupe B	16.4	8.94	9.1	37.4
Groupe C	12.3	9.46	8.05	33

Chaque groupe a été soumis à un essai de surtension de 8/20 μs avec un courant de pointe de In = 40 kA. L'essai a été réalisé par cycles de cinq impulsions. Entre les cycles, un temps de refroidissement suffisant a été prévu et la tension, le courant de fuite et le coefficient non linéaire α de l'unité globale et de chaque MOV ont été mesurés.

L'analyse expérimentale comprend des comparaisons de la variation globale des paramètres DC entre les groupes, ainsi que des différences de dégradation entre les MOV individuels au sein d'un même groupe.

Analyse de la variation et de la dégradation de la tension dans les groupes A, B et C

L'évolution globale de la tension des MOV montés en parallèle dans les groupes A, B et C est illustrée à la figure 2.

Figure 2 - Tendance générale U1mA des échantillons MOV parallèles des groupes A, B et C

Comme le montre la figure 2 :

1. La tension U1mA globale de trois MOV parallèles est inférieure d'environ 30 V à celle de chaque MOV individuel.
2. Bien que les différences de tension initiales entre les groupes aient varié, la différence de tension globale entre les groupes A, B et C est restée inférieure à 4 V au cours des huit premiers impacts de surtension, ce qui indique que la qualité individuelle des MOV a une influence limitée sur les performances à un stade précoce.
3. La dégradation s'est produite en premier dans le groupe C en raison de l'inclusion d'un MOV de tension inférieure. Le groupe B a connu une dégradation modérée, tandis que le groupe A est resté le plus stable. Le niveau de dégradation final du groupe C était environ 1,7 fois supérieur à celui du groupe A.

Ces résultats indiquent que les configurations parallèles comprenant des MOV à faible tension réduiront les performances globales et la durée de vie de l'appareil. dispositif de protection contre les surtensions.

Tendances de dégradation des puces MOV individuelles

Les données expérimentales montrent que la tension initiale U1mA des MOV A3, B3 et C3 de chaque groupe était de 620 V. Cependant, leurs tensions finales après des impacts de surtension répétés différaient de manière significative. Les tendances de dégradation de ces MOV individuels sont illustrées à la figure 3.

Figure 3 - Tendance de la variation de U1mA pour les puces MOV A3, B3 et C3

Les trois MOV ont subi une dégradation après des impacts répétés. Parmi eux, le groupe C avec une différence de tension de 10 V a montré la dégradation la plus rapide et la plus sévère du MOV C3, suivi par le groupe B.

Cela démontre que lorsqu'un MOV à faible tension est utilisé en parallèle, il accélère la dégradation des MOV restants et affecte négativement la fiabilité globale du SPD.

Analyse de la variation du courant de fuite

Les valeurs de courant de fuite mesurées après 25 impacts de surtension sont indiquées dans le tableau 4. Le courant de fuite total de la configuration parallèle était légèrement supérieur à la somme des MOV individuels.

	Courant de fuite (μA)
Numéro de série	1	2	3	Connexion en parallèle
Groupe A	11.7	10.4	10.8	33.4
Groupe B	20.4	9.74	9.35	39.8
Groupe C	25.3	12.1	13.7	51.2

Tableau 4 - Variation du courant de fuite après 25 impacts de surtension répétés dans un SPD MOV parallèle

Figure 4 - Tendance générale du courant de fuite des échantillons MOV parallèles des groupes A, B et C

Les résultats montrent que le courant de fuite augmente légèrement avec la connexion parallèle et suit une tendance opposée à la dégradation de la tension.

Analyse de simulation de la quantité optimale de MOV parallèles pour les dispositifs de protection contre les surtensions

Objectifs de la simulation et conditions de modélisation

Pour déterminer le nombre de varistances à oxyde métallique (MOV) parallèles qui conviennent dans un dispositif de protection contre les surtensions MOV, une analyse basée sur la simulation a été réalisée. L'objectif de la simulation est d'évaluer la relation entre la tension résiduelle et le courant de surtension dans différentes configurations parallèles, afin de fournir des conseils pour la conception pratique des dispositifs de protection contre les surtensions.

Les conditions de simulation ont été définies comme suit :

1. L'impédance de source du générateur de surtension a été fixée à 0,431 Ω et maintenue constante, afin d'analyser la relation entre la tension résiduelle et le courant de surtension sous différents nombres de MOV parallèles.
2. La tension de charge a été fixée à 15,214 kV. Des configurations parallèles typiques de 1, 3 et 5 MOV ont été simulées pour comparer les changements dans la tension résiduelle et la capacité de conduction du courant.
3. Les formes d'onde de la tension résiduelle et du courant ont été recueillies pour une analyse comparative intuitive.

Résultats de la simulation des formes d'ondes de tension résiduelle et de courant

Les figures 6 et 7 montrent les formes d'ondes de tension et de courant résiduelles obtenues à partir du circuit de simulation PSPICE avec cinq configurations parallèles, sur la base de la boucle de simulation illustrée à la figure 5.

Figure 5 - Boucle de simulation PSPICE avec 5 MOV parallèles

Figure 6 - Comparaison des ondes de courant dans trois configurations parallèles

Figure 7 - Comparaison de l'onde de tension dans trois configurations parallèles

Les résultats de la simulation permettent de tirer les conclusions suivantes :

1. La différence de capacité de transport de courant selon les différentes configurations parallèles est significative. Lorsque cinq MOV sont connectés en parallèle au lieu d'un, la capacité de courant augmente d'environ 1,6 kA ; par rapport à trois MOV en parallèle, elle augmente d'environ 0,36 kA.
2. Lorsqu'un seul MOV fonctionne, la tension résiduelle atteint 2,1497 kV. Avec cinq MOV en parallèle, la tension résiduelle diminue considérablement pour atteindre 1,3948 kV, franchissant ainsi la limite de résistance de l'isolation entre le niveau II et le niveau III (1,5 kV).
3. La mise en parallèle des MOVs réduit l'impédance dynamique équivalente, ce qui se traduit directement par une augmentation du flux de courant de choc et une réduction de la tension résiduelle, avec une plage d'optimisation globale d'environ 35%.

Analyse des tendances du courant de choc et de la tension résiduelle avec la quantité en parallèle

Plan de simulation

En utilisant la même configuration de circuit, la tension de charge a été maintenue à 15,214 kV. Des configurations parallèles de 1, 3, 6, 12, 18 et 24 MOV ont été simulées pour évaluer les tendances transversales de la tension résiduelle et du courant de choc. Le traitement statistique a été appliqué aux données de forme d'onde pour générer des courbes de tendance.

Résultats et analyse de la simulation

Figure 8 - Relation entre le nombre de MOV parallèles et les caractéristiques U-I

Les nombreuses données de simulation permettent de tirer les conclusions suivantes :

1. Sous une tension de charge constante, lorsque le nombre de MOV parallèles augmente, le courant de surtension augmente continuellement tandis que la tension résiduelle diminue. La tendance est monotone et non linéaire.
2. Lorsque le nombre de MOV parallèles est compris entre 1 et 5, la pente de l'augmentation du courant et de la réduction de la tension résiduelle est significativement plus importante que dans la plage de 5 à 24.
3. L'optimisation obtenue en passant de 3 MOV parallèles est presque équivalente à l'optimisation totale obtenue en passant de 3 à 24 MOV.

Si l'on considère les aspects pratiques de l'ingénierie et le contrôle des coûts, une configuration parallèle de 2 à 5 MOV constitue le choix de conception le plus raisonnable et le plus économique pour dispositifs de protection contre les surtensions.

Analyse de simulation des caractéristiques tension-courant

Plan de simulation

En utilisant le même circuit de simulation, des configurations de 1 et 6 MOV parallèles ont été modélisées. Des niveaux de courant de choc de 5 kA, 10 kA, 20 kA et 30 kA ont été appliqués. Les valeurs de crête de la tension résiduelle ont été collectées pour générer des courbes caractéristiques tension-courant.

Résultats et analyse de la simulation

Figure 9 - Courbes caractéristiques U-I simulées de configurations MOV parallèles

Les courbes caractéristiques U-I permettent de tirer les conclusions suivantes :

1. Six MOV parallèles maintiennent des caractéristiques U-I non linéaires pour toutes les amplitudes de surtension, sans inflexion de la tension résiduelle causée par l'augmentation ou la diminution de l'amplitude de l'impulsion. Cela confirme que l'optimisation de la tension résiduelle par des MOV parallèles existe à tous les niveaux de surtension.
2. Du point de vue de la tendance, des amplitudes de courant de choc plus élevées entraînent des réductions absolues plus importantes de la tension résiduelle, ce qui indique des effets d'optimisation plus importants à des niveaux d'énergie plus élevés.

Vérification expérimentale de la quantité optimale de MOV parallèles dans les dispositifs de protection contre les surtensions

Principes expérimentaux et vérification de l'impact des varistances à oxyde métallique (MOV)

L'objectif de l'essai d'impact du varistor à oxyde métallique (MOV) est de vérifier expérimentalement l'analyse théorique et les résultats de la simulation présentés ci-dessus. La vérification se concentre sur les conclusions clés suivantes :

1. L'utilisation de 3 à 5 varistances à oxyde métallique (MOV) en parallèle permet de réduire considérablement la tension résiduelle d'environ 35% et d'augmenter la capacité de courant de choc par rapport à l'utilisation d'une seule MOV.
2. L'influence de l'augmentation du nombre de MOV parallèles sur la tension résiduelle et le courant de choc suit une tendance non linéaire monotone.
3. Les circuits MOV parallèles présentent des caractéristiques tension-courant (U-I) non linéaires.

Pour vérifier les conclusions (1) et (2), un générateur de courant d'impulsion Haefely PSURGER30.2 a été utilisé, avec une impédance de source de 0,432 Ω. L'échantillon de test sélectionné était le varistor à oxyde métallique standard EPCOS, modèle B32K385/EPC. Le courant de court-circuit prévu pour le système d'essai est de 33,5 kA, sous lequel un seul MOV peut conduire un courant de choc continu de 30,01 kA.

Des essais de résistance à l'impact ont été réalisés pour des configurations parallèles de 1, 3, 5, 12, 18 et 24 MOV. Pour chaque configuration, cinq essais d'impact ont été réalisés et les valeurs moyennes ont été calculées pour l'analyse statistique. Pour assurer un partage correct du courant, la valeur U₁mA de chaque MOV a été contrôlée dans une plage de 620 ± 5 V.

Résultats des tests et analyse

Les données expérimentales obtenues pour la vérification des déductions (1) et (2) sont résumées dans le tableau 5.

Tableau 5 - Données d'essai de différents nombres de varistances à oxyde métallique (MOV) parallèles à 30 kA

Projet	Situation parallèle
	1 pièce	3 pièces	5 pièces	12 pièces	18 pièces	24 pièces
Tension résiduelle (kV)	2.11	1.51	1.36	1.22	1.13	1.11
Courant de choc (kA)	30.01	31.26	31.63	32	32.12	32.23

Le tableau 5 permet de tirer les conclusions suivantes :

1. Les résultats expérimentaux montrent que l'utilisation de 3 à 5 MOV parallèles réduit la tension résiduelle d'environ 34,59% par rapport à un MOV unique, tout en augmentant la capacité de courant de choc d'environ 1,62 kA. Cela confirme la validité des résultats de la simulation. Les formes d'ondes mesurées de la tension résiduelle et du courant sont illustrées à la figure 10.

Figure 10 - Forme d'onde du système de test Haefely avec 5 MOV parallèles

Note : La forme d'onde a été capturée à l'aide d'un oscilloscope Tektronix et reconstruite à l'aide du logiciel WaveStar pour oscilloscopes. Le rapport de courant est de 100 V/A.

2. la tension résiduelle et le courant de choc présentent une tendance non linéaire monotone à mesure que le nombre de MOV parallèles augmente. En superposant les données de tension résiduelle mesurées aux résultats de la simulation, on obtient la courbe de comparaison illustrée à la figure 11, qui démontre une forte cohérence entre les données expérimentales et les données de simulation.

Figure 11 - Comparaison de la tension résiduelle entre le test expérimental et la simulation pour différents nombres de MOV parallèles

Vérification expérimentale des caractéristiques tension-courant

Des essais d'impact ont été réalisés sur des configurations MOV parallèles composées d'une et de six pièces sous des amplitudes de courant de 5, 10, 20 et 30 kA. Les tensions résiduelles mesurées sont énumérées dans le tableau 6.

Tableau 6 - Tension résiduelle à différentes amplitudes du courant d'impact

Courant d'impact (kA)	5	10	20	30
Mesure réelle (1 pièce) kV	1.33	1.52	1.84	2.11
Mesure réelle (6 pièces) kV	1	1.09	1.22	1.3
Chute de tension résiduelle ΔU (kV)	0.33	0.43	0.62	0.81

Figure 12 - Comparaison de la tension résiduelle de l'essai et de la simulation

L'analyse de la figure 12 permet de tirer les conclusions suivantes :

1. Les caractéristiques tension-courant mesurées et simulées présentent un degré élevé de concordance.
2. La courbe bleue en forme de losange représente la différence de tension résiduelle entre six MOV parallèles et un seul MOV sous différentes amplitudes d'impact. Cette différence augmente de façon à peu près linéaire à mesure que l'amplitude de l'impact augmente, ce qui indique que des courants de surtension plus élevés entraînent une optimisation plus importante de la tension résiduelle.
3. Les pentes des trois segments de la ligne de tendance ΔU sont calculées comme K = 0,02, 0,019 et 0,019, respectivement. La pente presque constante confirme que la réduction de la tension résiduelle obtenue par six MOV parallèles par rapport à un seul suit un taux linéaire stable.

Directives de conception et optimisation des dispositifs de protection contre les surtensions MOV en parallèle

Recommandations pratiques pour l'ingénierie

Sur la base des résultats expérimentaux et de simulation, la conception des SPD à MOV parallèles devrait se concentrer sur trois aspects clés : la cohérence de la tension, le nombre optimal de parallèles et la gestion thermique. Les MOV ayant des tensions U1mA initiales plus faibles se conduisent plus tôt, absorbent plus d'énergie de surtension et se dégradent plus rapidement, de sorte qu'un filtrage strict de la tension est essentiel. L'utilisation de 2 à 5 MOV en parallèle permet d'obtenir la majeure partie de la réduction de la tension de serrage et de l'amélioration du courant. Un espacement adéquat et une coordination avec les déconnecteurs thermiques empêchent la surchauffe et garantissent une fiabilité à long terme.

Résumé des principales conclusions et implications pour la conception des dispositifs de protection contre les surtensions

Les configurations MOV parallèles réduisent l'impédance dynamique et abaissent la tension résiduelle d'environ 30-35% par rapport à un MOV unique. Cependant, le partage du courant est très sensible à l'inadéquation de la tension, ce qui peut accélérer le vieillissement des unités à basse tension. La durée de vie du SPD dépend de l'adaptation des MOV, de l'équilibre thermique et de la coordination au niveau du système plutôt que de la quantité seule. La parallélisation contrôlée garantit une protection fiable contre les surtensions, conformément aux normes CEI.

Solutions de protection contre les surtensions LSP basées sur les principes de conception des MOV parallèles

Alignement de la conception des LSP SPD avec les résultats de l'optimisation des MOV parallèles

LSP Les SPD respectent un filtrage strict des MOV et des architectures parallèles contrôlées pour garantir un partage uniforme du courant, une tension de serrage prévisible et une fiabilité à long terme. Les nombres parallèles optimisés (3-5 MOV) fournissent une faible tension résiduelle sans empilement inutile de composants, ce qui permet d'équilibrer les performances et la conception compacte.

En outre, LSP dispose d'une installation de production ultramoderne dotée de systèmes de test automatisés avancés, garantissant une qualité constante et une correspondance précise des MOV dans chaque SPD. L'équipe R&D développe en permanence des architectures optimisées pour répondre aux normes internationales et aux exigences industrielles.

Recommandations axées sur l'application pour les parafoudres LSP

Les disjoncteurs LSP à MOV parallèles conviennent à la distribution d'énergie industrielle et aux installations résidentielles qui exigent une tension de serrage stable, un partage fiable du courant et une durée de vie prévisible. La coordination avec les systèmes de protection et de mise à la terre en amont améliore encore l'efficacité.

Foire aux questions (FAQ) sur les dispositifs de protection contre les surtensions

Combien de MOV doivent être connectés en parallèle pour une performance optimale du SPD ?

Dans la plupart des applications techniques, la connexion de 2 à 5 MOV en parallèle offre un équilibre optimal entre la réduction de la tension résiduelle, la capacité de courant et la rentabilité.

Comment la limitation de la tension affecte-t-elle la durée de vie du SPD ?

Une tension de serrage plus faible améliore la protection mais augmente le stress lié à l'absorption d'énergie. Une bonne adaptation de la tension et une bonne gestion thermique sont essentielles pour éviter une dégradation prématurée.

Quelles sont les exigences en matière de sélection et de tolérance recommandées pour les MOV ?

Les MOVs utilisés en parallèle doivent être blindés dans une plage de tolérance étroite de U1mA afin d'assurer un partage équilibré du courant et un comportement de vieillissement cohérent.

Les configurations parallèles de MOV peuvent-elles poser des problèmes de sécurité si elles ne sont pas adaptées ?

Oui. Des MOV mal adaptés peuvent entraîner une surcharge de courant, une dégradation accélérée et une réduction de la fiabilité du SPD.