Un parasurtenseur (SPD) est un dispositif de protection électrique conçu pour limiter les surtensions transitoires et dériver les courants de surtension. Dans des conditions normales de fonctionnement, le SPD reste dans un état de haute impédance et n'a que peu ou pas d'effet sur le système électrique. Lorsque la foudre, la commutation du réseau, le démarrage et l'arrêt de moteurs ou d'autres événements transitoires provoquent une élévation soudaine de la tension de ligne, le SPD passe rapidement à un état conducteur de faible impédance. Cela fournit un chemin de décharge pour le courant de surtension tout en limitant la tension résiduelle atteignant les équipements en aval, réduisant ainsi le risque de claquage d'isolation, de dommages aux composants électroniques, de défaillance d'équipement et d'arrêts imprévus.
La conception, les essais de performance et l'application pratique des SPD doivent être conformes aux normes pertinentes. IEC 61643-11 spécifie les exigences de performance et les méthodes d'essai pour les parasurtenseurs connectés aux réseaux d'alimentation en courant alternatif basse tension, tandis que l'article 242 de la norme NFPA 70, le Code national de l'électricité (NEC), traite de l'application de la protection contre les surtensions dans les installations électriques aux États-Unis. Ces normes fournissent des directives importantes pour les essais, la sélection et l'installation des SPD, contribuant à améliorer la sécurité et la fiabilité des réseaux modernes de distribution d'énergie basse tension.
Qu'est-ce qu'une surtension électrique ?
Une surtension électrique est une pointe de courte durée de tension ou de courant qui se propage à travers un circuit d'alimentation, de commande ou de communication. Elle augmente généralement très rapidement puis décroît sur une période plus longue. Bien que l'événement puisse ne durer que quelques microsecondes, la tension résultante peut être suffisamment élevée pour endommager l'isolation, les composants électroniques, les équipements de commande et d'autres charges sensibles. IEC 60050-161 définit une surtension comme une onde transitoire qui se propage le long d'une ligne ou d'un circuit et se caractérise par une montée rapide suivie d'une décroissance plus lente.
Quelles sont les causes des surtensions électriques ?
Les surtensions électriques sont généralement associées à deux sources principales : les événements liés à la foudre et les opérations de commutation au sein du réseau électrique. La foudre peut introduire des surtensions transitoires par des coups directs, des coups proches ou des tensions induites dans les conducteurs connectés. Les surtensions de commutation peuvent se produire lorsque des moteurs, des transformateurs, des batteries de condensateurs, des contacteurs, des relais ou d'autres charges de forte puissance sont mis sous tension ou déconnectés. IEC 61000-4-5fournit des méthodes normalisées pour tester l'immunité des équipements électriques et électroniques contre les surtensions unidirectionnelles causées par les effets de la foudre et les transitoires de commutation du réseau électrique.
COMPARAISON DES SURTENSIONS DE FOUDRE ET DES SURTENSIONS DE COMMUTATION
Paramètre
Surtension de foudre
Surtension de commutation
Formes d'onde typiques
10/350 μs pour le courant de foudre direct ; 8/20 μs pour le courant de surtension induit ; 10/700 μs pour les lignes de communication
Onde de tension 1,2/50 μs et onde de courant 8/20 μs
Fréquence d'apparition
Relativement peu fréquente et principalement associée aux orages
Plus fréquente et peut se produire chaque fois qu'un équipement électrique est allumé ou éteint
Niveau d'énergie
Énergie très élevée, pouvant atteindre des centaines de kilojoules et provoquer des dommages immédiats aux équipements
Énergie généralement plus faible, mais une exposition répétée peut dégrader progressivement les composants
Approche de protection recommandée
SPD de type 1 à l'entrée de service principale, suivi d'une protection contre les surtensions coordonnée en aval
SPD de type 2 ou de type 3 installé dans les tableaux de distribution ou à proximité des équipements sensibles
Plage de surtension typique
De plusieurs kilovolts à des dizaines de kilovolts
De plusieurs centaines de volts à plusieurs kilovolts
Sources courantes
Foudre directe, coups de foudre à proximité, élévation du potentiel de terre et effets de foudre induits
Moteurs, transformateurs, batteries de condensateurs, contacteurs, relais et autres dispositifs de commutation
Impact typique
Rupture d’isolation, amorçage, endommagement des câbles, incendie ou défaillance immédiate de l’équipement
Dégradation des composants électroniques, dysfonctionnement du système de commande, erreurs de données ou réduction de la durée de vie de l’équipement
Comment fonctionne un parasurtenseur ?
Un parasurtenseur (SPD) fonctionne comme une soupape de surpression électrique automatisée et ultra-rapide soupape de décharge de pression électrique.
Dans des conditions normales de réseau, le SPD agit comme un interrupteur ouvert avec une résistance interne (impédance) extrêmement élevée, empêchant toute circulation de courant à travers lui. Cependant, lorsqu’une surtension transitoire (causée par la foudre ou une commutation sur le réseau) pénètre dans le système, le SPD réagit instantanément en quelques nanosecondes, en réduisant sa résistance à une valeur proche de zéro. Cela crée un chemin parallèle sûr qui dévie le courant de surtension massif loin des équipements sensibles et directement vers la terre.
Schéma montrant le fonctionnement d’un parasurtenseur en trois étapes : fonctionnement normal à haute impédance, réponse à la surtension et dérivation du courant vers la terre, suivie d’une réinitialisation automatique.
Le processus de travail en 3 étapes
État normal (haute impédance) : Lorsque la tension de ligne reste dans les limites opérationnelles normales, les composants internes maintiennent une impédance de plusieurs mégohms. Le SPD reste “ invisible ” pour le circuit et ne laisse passer pratiquement aucun courant de fuite.
Événement de surtension (basse impédance instantanée) : Dès qu'une tension transitoire dépasse le seuil d'écrêtage (Uc) du SPD, les éléments internes non linéaires passent d'une résistance élevée à une résistance faible en moins de 25 nanosecondes.
Dérivation du courant et réinitialisation (dissipation d'énergie) : L'énergie de surtension est évacuée en toute sécurité par le conducteur de mise à la terre (PE). Une fois que la pointe transitoire s'atténue et que la tension de ligne revient à la normale, les composants internes retrouvent automatiquement leur état de haute impédance, rétablissant ainsi le fonctionnement normal du circuit.
Les composants internes essentiels : MOV vs GDT
Comparaison entre MOV et GDT, les deux composants de protection contre les surtensions les plus couramment utilisés dans les SPD.
Le mécanisme de fonctionnement repose sur des composants électriques non linéaires haute performance intégrés dans le module :
Varistances à oxyde métallique (MOV) : Le composant le plus largement utilisé dans les SPD de type 2 en courant alternatif et continu. Les MOV présentent une chute brutale de résistance électrique lorsque la tension augmente, offrant des capacités d'absorption d'énergie exceptionnelles et des temps de réponse inférieurs à la nanoseconde.
Parafoudres à gaz (GDT) : Couramment déployés dans les architectures à éclateur de type 1 ou pour la protection des lignes de communication. Les GDT produisent un amorçage et ionisent le gaz lorsqu'ils sont déclenchés, capables de décharger des courants de foudre élevés sans destruction thermique.
Quels sont les principaux types de dispositifs de protection contre les surtensions ?
Un événement de foudre soudain ou la commutation et le démarrage d'équipements de forte puissance dans une installation industrielle peuvent générer une surtension transitoire de forte amplitude en très peu de temps. De telles surtensions peuvent endommager des contrôleurs coûteux, des serveurs, des variateurs de fréquence et d'autres équipements électroniques sensibles. Dans les cas graves, elles peuvent même entraîner l'arrêt complet d'une ligne de production. Cependant, tous les dispositifs de protection contre les surtensions ne sont pas conçus pour résister aux courants de foudre à haute énergie, et tous les types de SPD ne conviennent pas à une installation au même point du système de distribution électrique.
Un dispositif de protection contre les surtensions peut être compris comme l“” airbag » du système électrique, mais chaque type de SPD a un rôle de protection clairement défini. De la première ligne de défense à l'entrée de service du bâtiment, où les courants de surtension à haute énergie sont dérivés, à la protection intermédiaire dans les tableaux de distribution et à la protection fine à proximité des équipements sensibles, Les SPD de type 1, de type 2 et de type 3opèrent à différents niveaux du système de protection. De plus, les SPD combinés de type 1+2 intègrent la capacité de décharge des courants de foudre d'un dispositif de type 1 avec la performance de limitation de tension d'un dispositif de type 2 dans une seule unité, ce qui en fait une solution pratique pour les entrées de service et les tableaux de distribution principaux. Une protection efficace contre les surtensions dépend de la sélection et de la coordination de ces dispositifs en fonction du risque du système, de l'emplacement d'installation et de la tenue aux impulsions de l'équipement protégé.
Dispositif de protection contre les surtensions de type 1
Les SPD de type 1 sont des dispositifs de protection primaire installés côté ligne de l'entrée de service principale (entre le secondaire du transformateur du réseau et le sectionneur principal de service).
Fonction principale : Conçus pour résister aux transitoires à haute énergie causés par les coups de foudre directs ou proches et les commutations du réseau électrique avant que la surtension n'atteigne le tableau de distribution principal.
Norme d’essai et forme d’onde : Évalué selon les normes IEC 61643 en utilisant la forme d’onde de courant impulsionnel 10/350 μs (Iimp), qui simule des décharges d’énergie à crête élevée.
Parafoudre de Type 2
Les parafoudres de Type 2 servent de protection secondaire et sont installés côté charge du sectionneur principal de service, généralement dans les tableaux de sous-distribution ou les panneaux de commande de dérivation.
Fonction principale : Limite les tensions impulsionnelles résiduelles qui traversent les parafoudres de Type 1 et atténue les surtensions générées en interne par les charges de commutation inductives (par ex., unités CVC, moteurs et variateurs de fréquence).
Norme d’essai et forme d’onde : Testé en utilisant la forme d’onde de courant 8/20 μs, caractérisée par le courant de décharge nominal (In) et le courant de décharge maximal (Imax).
Parafoudre de Type 3
Les parafoudres de Type 3 assurent une protection localisée au point d’utilisation pour les équipements terminaux très sensibles.
Fonction principale : Filtre les surtensions transitoires résiduelles de faible niveau directement au terminal de charge pour éviter la rupture d’isolation ou la corruption de données dans les microélectroniques.
Exigence d’installation : Doit être installé en aval avec une distance minimale de conducteur (généralement au moins 10 mètres / 30 pieds) par rapport au parafoudre de Type 2 en amont pour assurer un découplage et une coordination énergétique appropriés.
Parafoudre de Type 1+2 (Type combiné)
Les parafoudres de Type 1+2 (également classés comme Classe I+II) combinent la capacité de décharge d’impulsion à haute énergie d’un dispositif de Type 1 avec le faible niveau de protection en tension (Up) d’un dispositif de Type 2 dans une seule unité compacte.
Fonction principale : Dérive directement les courants de foudre directs à haute énergie tout en limitant simultanément les transitoires de commutation de faible niveau, offrant une protection continue sans nécessiter de distance de découplage minimale entre des unités distinctes de Type 1 et de Type 2.
Norme d’essai et forme d’onde : Doublement testé selon les normes IEC 61643 pour les courants impulsionnels 10/350 μs (Iimp) et les courants de décharge nominaux/maximaux 8/20 μs (In / Imax).
Note d’ingénierie： Une protection efficace contre les surtensions repose sur une protection coordonnée à différents niveaux. Les parafoudres de Type 1 ou de Type 1+2 gèrent les surtensions à haute énergie à l’entrée du système, les parafoudres de Type 2 protègent les circuits de distribution et les parafoudres de Type 3 assurent une protection fine pour les équipements sensibles.
Parafoudres de Type 1, Type 2, Type 3 et Type 1+2 : principales différences
Caractéristique
Parafoudre de Type 1
Parafoudre de Type 1+2
Parafoudre de Type 2
Parafoudre de Type 3
Fonction principale
Dérive le courant de foudre direct
Combine la décharge du courant de foudre et la protection contre les surtensions
Protège contre la foudre induite et les surtensions de commutation
Protection finale pour les équipements sensibles
Emplacement d’installation
Entrée de service
Entrée de service ou tableau de distribution principal
Tableau de distribution principal ou secondaire
À proximité de l’équipement protégé
Forme d'onde d'essai
10/350 μs
10/350 μs et 8/20 μs
8/20 μs
Onde combinée
Paramètres principaux
Iimp, Up
Iimp, In, Imax, Up
In, Imax, Up
Uoc, Up
Étage de protection
Protection primaire
Protection primaire et secondaire
Protection secondaire
Protection finale
Le tableau ci-dessus offre une comparaison rapide des quatre principaux types de parafoudres. En pratique, le choix du parafoudre approprié dépend de l'emplacement de l'installation, du risque d'exposition à la foudre, de la configuration du système et du niveau de protection requis. Dans de nombreuses installations, plusieurs types de parafoudres sont coordonnés pour assurer une protection efficace contre les surtensions dans l'ensemble du système électrique.
Comment choisir le bon parafoudre (SPD)
Choisir le bon parafoudre (SPD) ne se limite pas à sélectionner le courant de décharge nominal le plus élevé. La tension du système, l'emplacement de l'installation, l'exposition à la foudre, le schéma de mise à la terre et la coordination entre les étages de protection jouent tous un rôle essentiel dans la performance globale de la protection contre les surtensions. L'exemple suivant illustre pourquoi une sélection appropriée du parafoudre est essentielle.
Fin 2023, un violent orage a balayé une usine de fabrication industrielle du centre du Texas. Un coup de foudre direct a frappé la ligne électrique à moins de 200 mètres du poste de distribution principal de l'installation. L'usine disposait d'un parasurtenseur de base installé dans le tableau basse tension principal, ce qui laissait croire à la direction que leurs opérations étaient entièrement protégées.
En quelques millisecondes, la réalité d'une protection incomplète contre les surtensions s'est révélée :
Perte financière massive : L'impulsion initiale à haute énergie a submergé le protecteur unique du panneau, envoyant une surtension transitoire sévère à travers le réseau de distribution interne.
Dommages matériels catastrophiques : Plus de 15 variateurs de fréquence (VFD), des dizaines d'automates programmables industriels (PLC), des réseaux de capteurs sensibles et des centres d'usinage CNC informatisés ont subi une rupture immédiate de l'isolation et une défaillance des cartes de circuits imprimés.
Arrêt de production coûteux et imprévu : Toute la ligne de production automatisée a été mise hors ligne pendant 16 jours, le temps de se procurer les composants de remplacement et de les réintégrer, entraînant plus de 1,2 million de dollars de coûts directs de remplacement du matériel et de perte de productivité opérationnelle.
Une analyse technique judiciaire menée après l'incident a révélé la cause profonde : l'absence de protection en cascade à plusieurs étages. L'installation reposait sur un seul dispositif de protection à l'entrée principale, censé absorber les courants de foudre à haute énergie tout en limitant simultanément les pointes de tension de faible niveau pour les microélectroniques sensibles en aval — une tâche qu'aucun dispositif unique n'est conçu pour accomplir seul.
Les surtensions transitoires — qu'elles soient générées de l'extérieur par des coups de foudre directs ou indirects, ou de l'intérieur par la commutation de charges inductives lourdes — suivent des chemins physiques prévisibles. La protection d'une infrastructure industrielle, commerciale ou résidentielle nécessite une architecture de protection étagée et dégressive définie par des normes internationales reconnues telles que IEC 61643-01 et UL 1449.
Pour choisir le bon parafoudre, plusieurs facteurs clés doivent être pris en compte, notamment le système d'alimentation, la tension de service, le type de parafoudre, le niveau de protection et les exigences d'installation.
Sélection du parafoudre en un coup d'œil
Étape 1 : Confirmer le système d'alimentation et sélectionner Uc
Étape 2 : Sélectionner le type de parafoudre en fonction de l'emplacement d'installation et de la zone de protection contre la foudre (LPZ)
Étape 3 : Déterminer Iimp, In et Imax
Étape 4 : Vérifier le niveau de protection de tension Up
Étape 5 : Confirmer le nombre de pôles, le dispositif de déconnexion, la signalisation à distance et la protection de secours
Étape 6 : Vérifier la coordination énergétique entre plusieurs parafoudres
Les sections suivantes expliquent chaque étape plus en détail et montrent comment ces facteurs influencent le choix du parafoudre.
Étape 1 : Confirmer le système d'alimentation et sélectionner Uc
Réseau électrique
Sélection typique de Uc
Remarque de sélection
Réseau 230/400 V TN-S, TN-C-S ou TT
275 V CA pour la protection L–N
Sélection courante pour les réseaux de distribution standard 230 V CA
Réseau IT 400 V
Sélectionner selon la tension phase-terre la plus élevée possible
La tension par rapport à la terre peut augmenter lors du premier défaut d’isolement
Réseau CC photovoltaïque
Ucpv doit être supérieure à la tension maximale en circuit ouvert du champ photovoltaïque
Tenir compte de l’augmentation de Voc à basse température et de la tension du système, par exemple 600 V, 1000 V ou 1500 V CC
Étape 2 : Sélectionner le type de parafoudre en fonction de l'emplacement d'installation et de la zone de protection contre la foudre (LPZ)
Les types de parafoudres doivent être choisis selon l’emplacement de l’installation, la zone de protection contre la foudre, le risque de courant de foudre et la tenue aux chocs des équipements en aval. Les catégories courantes de parafoudres pour les réseaux basse tension comprennent les parafoudres de type 1, de type 2, de type 3 et les parafoudres combinés type 1+2.
Parafoudre de type 1 – Protection contre le courant de foudre
Emplacement d'installation : Entrée de service du bâtiment, tableau général basse tension et limite entre LPZ 0 et LPZ 1.
Fonction principale : Évacue les courants de foudre à haute énergie susceptibles de pénétrer dans l'installation électrique via l'alimentation électrique entrante.
Paramètres clés : Testé avec une forme d'onde de 10/350 μs. Les valeurs nominales Iimp courantes incluent 12,5 kA, 25 kA et des valeurs supérieures. Le niveau de protection en tension, Up, est généralement d'environ 2,5 kV, selon la conception du produit.
Applications typiques : Installations industrielles, installations extérieures, grands bâtiments et installations dotées de systèmes de protection externe contre la foudre ou présentant un risque élevé de courants de foudre directs.
Un parafoudre de Type 1 est principalement destiné à gérer l'énergie élevée des courants de foudre. Une protection supplémentaire en aval de Type 2 ou de Type 3 peut encore être nécessaire pour réduire la tension résiduelle atteignant les équipements sensibles.
Parafoudre de Type 2 – Protection contre les surtensions au niveau de la distribution
Emplacement d'installation : Tableaux de distribution principaux, tableaux de distribution secondaires, panneaux d'alimentation d'atelier et armoires de commande industrielles.
Fonction principale : Protège contre les surtensions de foudre induites, les transitoires de commutation et l'énergie de surtension résiduelle traversant un parafoudre de Type 1 en amont.
Paramètres clés : Testé avec une forme d'onde de 8/20 μs. Les valeurs nominales courantes incluent un In de 20 kA et un Imax de 40 à 80 kA. Le niveau de protection en tension, Up, est généralement compris entre 1,5 et 1,8 kV.
Applications typiques : Bâtiments résidentiels, installations commerciales et systèmes de distribution électrique industriels généraux.
Les parafoudres de Type 2 protègent les systèmes électriques contre les surtensions de foudre induites, les transitoires de commutation et l'énergie de surtension résiduelle traversant un parafoudre de Type 1 en amont.
Parafoudre de Type 3 – Protection finale pour les équipements sensibles
Emplacement d'installation : À proximité des automates programmables, des variateurs de fréquence, des serveurs, des instruments, des prises de courant et d'autres équipements terminaux sensibles.
Fonction principale : Limite davantage la surtension résiduelle et assure une protection de dernier niveau pour les équipements électroniques sensibles.
Paramètres clés : Testé avec une onde combinée. Les principaux paramètres sont Uoc et Up, bien que certains produits puissent également spécifier un courant de décharge nominal.
Applications typiques : Systèmes d'automatisation, équipements de communication, serveurs, instruments de mesure et autres charges électroniques sensibles.
Les parafoudres de Type 3 ont une capacité de gestion d'énergie limitée et doivent normalement être coordonnés avec un parafoudre de Type 1, de Type 2 ou de Type 1+2 en amont.
Parafoudre combiné Type 1+2 – Protection contre les courants de foudre et les surtensions
Emplacement d'installation : Entrées de service des bâtiments, tableaux généraux, panneaux de distribution CA pour systèmes photovoltaïques, tableaux de distribution compacts et installations de rénovation.
Fonction principale : Combine la capacité de décharge des courants de foudre et la limitation des surtensions dans un seul dispositif.
Paramètres clés : Iimp, In, Imax et Up doivent tous être pris en compte. Les valeurs nominales Iimp courantes incluent 12,5 kA et 25 kA par pôle, tandis que In est généralement de 20 kA ou plus. Les valeurs finales doivent être confirmées selon les spécifications du produit et les exigences du projet.
Applications typiques : Installations industrielles, bâtiments commerciaux, systèmes photovoltaïques, tableaux de distribution compacts et projets où l'espace d'installation est limité.
Un parafoudre de Type 1+2 répond aux exigences de protection de Type 1 et de Type 2 dans un seul dispositif. Il combine une capacité de décharge des courants de foudre à haute énergie avec une protection de limitation de tension.
Guide de sélection des parafoudres par application
Condition d'application
Type de parafoudre recommandé
Emplacement d'installation typique
Paramètres clés
Bâtiment doté d'un système de protection externe contre la foudre
Type 1 ou Type 1+2
Entrée de service ou tableau général
Iimp, Up
Système de distribution résidentiel ou commercial général
Type 2
Tableau de distribution principal ou secondaire
In, Imax, Up
Équipement électronique sensible
Type 3
À proximité de l’équipement protégé
Uoc, Up
Installation industrielle à forte exposition à la foudre
Type 1+2 avec protection de Type 2 en aval
Tableau général et tableaux de distribution secondaires
Iimp, In, Up
Système photovoltaïque CC
Type CC 1+2 ou Type CC 2
Coffret de regroupement PV ou tableau de distribution CC
Ucpv, Iimp ou In, Up
Charges sensibles situées loin du tableau de distribution principal
Type 2 ou Type 3 supplémentaire
À proximité de l’équipement en aval
Up, coordination
Étape 3 : Déterminer Iimp, In et Imax
Le courant nominal de décharge d’un SPD doit être choisi en fonction de l’énergie de surtension attendue, de l’emplacement d’installation, de l’exposition à la foudre et du type de SPD. Les trois principaux paramètres de courant sont Iimp, In et Imax.
Iimp – Courant de décharge impulsionnel
Iimp représente le courant impulsionnel de foudre qu’un SPD de Type 1 ou Type 1+2 peut décharger sous une forme d’onde de 10/350 μs. Il est principalement utilisé pour évaluer la capacité du SPD à supporter des courants de foudre à haute énergie à l’entrée de service ou à la frontière LPZ 0–LPZ 1.
Les valeurs nominales In courantes comprennent :
10 kA pour la protection terminale à usage léger
20 kA pour la distribution résidentielle et commerciale générale
30–40 kA ou plus pour les installations industrielles et à forte exposition
Pour la plupart des tableaux principaux et de sous-distribution, une valeur nominale In de 20 kA ou plus est couramment choisie.
Imax – Courant de décharge maximal
Imax représente le courant de surtension maximal de 8/20 μs qu’un SPD peut décharger une fois ou un nombre limité de fois sans défaillance. Imax est normalement supérieur à In, mais il ne doit pas être utilisé comme seul critère de sélection car il ne représente pas la capacité de fonctionnement répété du SPD.
Les valeurs nominales Imax typiques comprennent :
20–40 kA pour les systèmes de distribution généraux
40–80 kA pour les installations industrielles
Des valeurs plus élevées pour les environnements à fortes surtensions
Guide pratique de sélection
Condition d’installation
Paramètre recommandé à privilégier
Entrée de service du bâtiment avec système de protection contre la foudre
Privilégier Iimp
Tableau de distribution principal ou secondaire
Privilégier In et Imax
Installation industrielle à forte exposition à la foudre
Iimp et In plus élevés
Équipement terminal sensible
Un Up plus faible est généralement plus important qu’une valeur nominale de courant très élevée
Parafoudre de Type 1+2
Vérifier Iimp, In, Imax et Up ensemble
Note d’ingénierie Une valeur nominale de courant de décharge plus élevée ne signifie pas automatiquement une meilleure protection. La sélection du SPD doit équilibrer la capacité de décharge, le niveau de protection de tension, l’emplacement d’installation, la protection de secours et la coordination énergétique. Un SPD avec un Imax très élevé mais un Up ou Uc inadapté peut encore ne pas fournir une protection efficace.
Étape 4 : Vérifier le niveau de protection de tension Up
Le niveau de protection de tension, En haut, indique la capacité du SPD à limiter la tension de surtension dans des conditions d’essai spécifiées. C’est une valeur déclarée fournie par le fabricant et elle représente le niveau de protection atteint lorsque le SPD décharge le courant impulsionnel spécifié. Un Up plus faible signifie généralement que moins de tension de surtension est autorisée à passer vers l’équipement en aval. Cependant, Up ne doit pas être évalué seul. Il doit être considéré avec la tension du système, la tension de service continu maximale Uc, la capacité de courant de décharge, la capacité de tenue aux surtensions temporaires et la tension de tenue aux impulsions de l’équipement protégé.
Comparer Up avec la tension de tenue aux impulsions de l’équipement
Le SPD sélectionné doit limiter la tension de surtension à un niveau inférieur à la tension de tenue aux impulsions de l’équipement en aval. Un principe de sélection pratique est :
Le niveau de protection effectif à l’équipement doit rester inférieur à la tension de tenue aux impulsions nominale de l’équipement.
Une marge de sécurité suffisante doit être prévue car la tension réelle atteignant l’équipement peut être supérieure à la valeur Up indiquée dans la fiche technique.
Considérer la longueur des câbles d’installation
La valeur Up est mesurée aux bornes du SPD dans des conditions de laboratoire spécifiées. Dans une installation réelle, l’inductance des conducteurs de connexion peut ajouter une tension supplémentaire pendant la décharge de surtension.
Par conséquent :
Garder les conducteurs de connexion aussi courts et directs que possible.
Éviter les boucles inutiles et les courbures brusques.
Positionner le SPD à proximité du circuit protégé.
Installer une protection en aval supplémentaire lorsque l’équipement protégé est éloigné du SPD principal.
Des câbles de connexion longs peuvent réduire l’efficacité même d’un SPD à faible Up. Une installation correcte est donc tout aussi importante que le choix du produit. Phoenix Contact note également que des conducteurs de connexion excessivement longs peuvent créer des problèmes d’installation et recommande de prêter attention à la longueur et à la disposition des câbles.
Axe de sélection pratique
Position de protection
Axe de sélection principal
Entrée de service du bâtiment
Équilibrer Iimp et Up
Tableau de distribution principal ou secondaire
Vérifier In, Imax et Up
Équipement électronique sensible
Sélectionner un Up suffisamment bas et installer le SPD à proximité de la charge
Type 1+2 combined SPD
Check Iimp, In, and Up together
Long distance between distribution boards
Consider an additional downstream SPD
Note d’ingénierie： Do not select an SPD based only on the lowest Up value. An SPD with a low Up but insufficient discharge capacity may be damaged by the expected surge current. Conversely, an SPD with high discharge capacity but an excessively high Up may not adequately protect sensitive equipment. The final selection should balance: Uc + Up + Iimp/In/Imax + equipment withstand voltage + installation distance
Étape 5 : Confirmer le nombre de pôles, le dispositif de déconnexion, la signalisation à distance et la protection de secours
After selecting the SPD type and electrical ratings, confirm that the device matches the system configuration and installation requirements. The number of poles, internal disconnection function, remote signaling option, and backup protective device all affect the safety and reliability of the installation.
Confirm the Number of Poles
The SPD pole configuration should match the power system, conductor arrangement, and protection mode.
Réseau électrique
Common SPD Configuration
Single-phase L–N system
1P+N or 2P
Three-phase three-wire system
3P
Three-phase four-wire system
3P+N or 4P
TN-C system
Protection between phase conductors and PEN
TN-S or TN-C-S system
Protection between L–N and N–PE, depending on the selected circuit
TT system
Commonly uses a 3+1 or 1+1 circuit
DC or PV system
Select the pole configuration according to system voltage, polarity, and grounding arrangement
The number of poles alone is not enough to determine suitability. The protection circuit must also match the system earthing arrangement and the voltage that may appear between conductors.
Check the Disconnection Device
Most SPDs include an internal thermal disconnection device that separates the protective component from the power system when it reaches the end of its service life or overheats. The disconnection device helps reduce the risk of:
Thermal runaway
Overheating
Short circuit
Fire caused by a failed MOV or other protective component
The SPD should also provide a clear status indicator so that maintenance personnel can identify when the protection module needs replacement.
Determine Whether Remote Signaling Is Required
A remote signaling contact allows the SPD operating status to be monitored from a control panel, alarm system, PLC, or building management system.
Remote signaling is particularly useful in:
Unattended substations
Industrial production lines
Data centers
Telecom facilities
Solar PV plants
Critical power systems
When remote monitoring is required, check the contact type, terminal arrangement, rated voltage, and rated current of the signaling contact.
Select the Backup Protective Device
An SPD may require an upstream fuse or circuit breaker to protect the circuit if the SPD fails or develops an internal short circuit.
The backup protective device should be selected according to:
The manufacturer’s specified maximum backup fuse or circuit breaker
The available short-circuit current at the installation point
The SPD’s short-circuit current rating
The type and cross-sectional area of the connecting conductors
Coordination with the upstream protective device
Do not select the backup fuse or circuit breaker only according to the SPD discharge-current rating. Follow the manufacturer’s coordination table and installation instructions.
Guide pratique de sélection
Élément de sélection
Main Point to Confirm
Nombre de pôles
Match the phase conductors, neutral conductor, and earthing system
Disconnection device
Confirm internal thermal disconnection and visible status indication
Remote signaling
Confirm whether remote alarm or system monitoring is required
Backup protection
Follow the manufacturer’s recommended fuse or circuit-breaker rating
Replaceable module
Check whether the protection cartridge can be replaced without changing the base
Short-circuit rating
Confirm suitability for the prospective short-circuit current
Note d’ingénierie An SPD with the correct Uc, Up, and discharge-current rating may still be unsuitable if the pole configuration or backup protection is incorrect. Always verify the complete installation arrangement rather than selecting the SPD only from its front-label parameters.
Étape 6 : Vérifier la coordination énergétique entre plusieurs parafoudres
When several SPDs are installed at different levels of the electrical system, they must operate in a coordinated sequence. The upstream SPD should discharge the highest surge energy, while the downstream SPD further reduces the residual voltage before it reaches sensitive equipment. Proper energy coordination prevents a downstream SPD from being overloaded before the upstream device has diverted the main surge current.
Typical Cascaded Protection Arrangement
Protection Level
Typical SPD Type
Emplacement d'installation typique
Fonction principale
First stage
Type 1 ou Type 1+2
Entrée de service ou tableau général
Discharge high-energy lightning currents
Second stage
Type 2
Sub-distribution board or control cabinet
Limit residual surges and switching overvoltages
Final stage
Type 3
Close to sensitive equipment
Further reduce residual voltage
Check the Distance Between SPDs
Cable length between two SPDs affects how surge energy is shared. The inductance of the connecting cable can help create the voltage difference required for the upstream and downstream SPDs to operate in the correct sequence. However, there is no single spacing rule that applies to every SPD combination. The required distance depends on:
SPD technology and internal design
Upstream and downstream Up values
Discharge-current ratings
Cable routing and conductor length
Manufacturer-tested coordination data
Some installations use cable length to provide natural decoupling. Where the available distance is insufficient, a coordinated SPD combination or a specified decoupling element may be required.
Use Manufacturer-Verified Combinations
The safest method is to select upstream and downstream SPDs that have been tested and confirmed as an energy-coordinated combination by the manufacturer. Check the manufacturer’s documentation for:
Permitted upstream and downstream SPD combinations
Minimum separation distance
Whether an additional decoupling element is required
Maximum discharge-current capability
Backup protective device requirements
Effective voltage protection level at the load
Do not assume that two SPDs are coordinated simply because one is Type 1 and the other is Type 2.
Consider the Distance to the Protected Equipment
When sensitive equipment is located far from the main SPD, an additional downstream SPD may be necessary. Long cables can pick up new induced surges and can also increase the voltage reaching the equipment. For long distribution circuits, consider installing:
Type 2 protection in downstream distribution boards
Type 3 protection close to sensitive terminal equipment
Additional SPDs where required by the project design or manufacturer’s instructions
Practical Coordination Checklist
Item to Verify
Selection Requirement
SPD sequence
Type 1 or Type 1+2 upstream, followed by Type 2 and Type 3 where required
Energy capacity
Upstream SPD handles the highest surge energy
Voltage limitation
Downstream SPD provides a lower effective protection level
Separation distance
Follow manufacturer-tested requirements
Cable layout
Keep all SPD connections short and direct
Product compatibility
Use verified coordinated combinations where possible
Protected-equipment distance
Add downstream protection when the load is far from the main SPD
Note d’ingénierie Energy coordination is not achieved simply by installing several SPDs in series. The devices must share surge energy correctly without overloading the downstream unit. A poorly coordinated system may cause the Type 2 or Type 3 SPD to operate too early and absorb more energy than it can withstand. Final coordination should therefore follow the manufacturer’s tested combination data and installation instructions.
Where Are Surge Protective Devices Commonly Used?
Surge protective devices are widely used in residential, commercial, industrial, communication, renewable energy, transportation, and outdoor electrical systems. Their main purpose is to protect electrical and electronic equipment from transient overvoltages caused by lightning, switching operations, and power system disturbances. The required SPD type depends on the system voltage, installation location, earthing arrangement, equipment sensitivity, and expected surge exposure.
Application
Typical Equipment Protected
Common Protection Approach
Residential buildings
Household appliances, computers, security systems, and smart home devices
Type 2 at the main distribution board; Type 1 or Type 1+2 may be required for buildings with external lightning protection
Commercial buildings
Elevators, HVAC systems, fire alarms, CCTV, servers, and building management systems
Type 1 or Type 1+2 at the service entrance, followed by Type 2 protection in downstream boards
Industrial facilities
PLCs, variable-frequency drives, sensors, automation equipment, and production lines
Coordinated Type 1, Type 2, and Type 3 protection
Data centers and communication systems
Servers, UPS systems, network equipment, communication devices, and signal lines
Power-line SPDs combined with dedicated data and signal-line protection
Systèmes solaires photovoltaïques
PV modules, combiner boxes, inverters, and AC/DC distribution circuits
DC SPDs on the PV side and AC SPDs on the inverter output side
EV charging stations
AC chargers, DC fast chargers, controllers, payment modules, and communication equipment
SPD protection at the incoming supply and charging equipment
Wind power and energy storage systems
Converters, inverters, battery management systems, control cabinets, and monitoring equipment
AC and DC SPDs selected according to the system architecture
Outdoor equipment and LED lighting
Streetlights, traffic systems, cameras, electronic signs, and outdoor control cabinets
Local SPD protection close to exposed outdoor equipment
In practice, larger or more complex systems usually require multi-stage surge protection. A high-energy SPD may be installed at the main service entrance, while additional Type 2 or Type 3 SPDs are installed closer to downstream distribution boards and sensitive equipment.
Where Should a Surge Protective Device Be Installed?
The effectiveness of a surge protective device depends not only on selecting the correct SPD type, but also on installing it at the appropriate location within the electrical system. Proper installation helps ensure that surge energy is safely diverted to earth before it reaches sensitive electrical or electronic equipment. In most low-voltage installations, SPDs are installed in stages to provide coordinated protection from the service entrance to the final load.
Typical SPD Installation Locations
Emplacement d’installation
Type de parafoudre recommandé
Primary Purpose
Entrée de service
Type 1 ou Type 1+2
Divert high-energy lightning currents entering the building
Main distribution board
Type 2
Protect downstream electrical circuits from switching surges and residual lightning surges
Sub-distribution board
Type 2
Provide additional protection for branch circuits
Close to sensitive equipment
Type 3
Reduce the remaining surge voltage before it reaches sensitive electronic equipment
Coffret de regroupement PV ou tableau de distribution CC
Type CC 1+2 ou Type CC 2
Protect photovoltaic DC circuits and inverters
Control cabinets and communication systems
Type 2, Type 3, or signal-line SPDs
Protect PLCs, communication equipment, and control electronics
Installation Recommendations
To achieve the best protection performance, SPDs should be installed as close as possible to the equipment or distribution point they protect. The connecting conductors should be short and direct to minimize additional inductive voltage during surge discharge. When the distance between the main SPD and the protected equipment is relatively long, an additional downstream SPD may be required to maintain an effective protection level.
When planning an SPD installation, the following principles should always be considered:
Install the appropriate SPD type at each protection level.
Keep all connecting conductors as short and straight as possible.
Ensure reliable bonding to the earthing system.
Follow the manufacturer’s recommendations for backup protection and coordination.
Use coordinated multi-stage protection for large or complex electrical installations.
Common SPD Installation Mistakes
Even a correctly selected surge protective device may fail to provide effective protection if it is installed incorrectly. Common installation mistakes can increase the residual voltage, reduce the SPD’s service life, or prevent the surge current from being safely diverted.The following issues should be checked during installation and commissioning.
Common Mistake
Why It Is a Problem
Recommended Practice
Installing the wrong SPD type
A Type 2 or Type 3 SPD may not be able to withstand the surge energy expected at the service entrance
Match the SPD type to the installation location and surge exposure
Selecting an incorrect Uc
A Uc value that is too low may cause premature operation or damage; a value that is too high may reduce protection effectiveness
Select Uc according to the system voltage and earthing arrangement
Using excessively long connecting conductors
Long conductors add inductive voltage during surge discharge and increase the effective protection level
Keep the connection path short, direct, and free from unnecessary loops
Poor earthing or equipotential bonding
A high-impedance earth path can prevent surge current from being discharged effectively
Ensure reliable earthing and equipotential bonding
Ignoring backup protection
An internal SPD fault may not be safely disconnected from the power system
Install the fuse or circuit breaker specified by the manufacturer
Installing only one SPD in a large system
A single SPD may not provide sufficient protection for distant distribution boards or sensitive loads
Use coordinated multi-stage protection where required
Using an incorrect pole or circuit configuration
The SPD may not protect all required conductors or may be unsuitable for the earthing system
Match the SPD circuit to the phase, neutral, polarity, and grounding arrangement
Failing to coordinate multiple SPDs
A downstream SPD may absorb more surge energy than it can withstand
Use manufacturer-verified coordinated combinations
Installing the SPD too far from the protected equipment
Long downstream cables may allow additional induced surges or increase the voltage reaching the equipment
Add downstream Type 2 or Type 3 protection when necessary
Failing to inspect or replace a failed SPD
Once the SPD reaches end of life, the circuit may no longer be protected
Check the status indicator and replace failed modules promptly
To avoid these mistakes:
Select the SPD according to the system voltage, earthing arrangement, and installation location.
Keep the total connection path as short and direct as practical.
Use the correct backup protective device.
Ensure reliable earthing and equipotential bonding.
Verify coordination between upstream and downstream SPDs.
Inspect the SPD status indicator during routine maintenance.
Note d’ingénierie The SPD itself is only one part of the surge protection system. Its actual performance also depends on conductor routing, earthing quality, backup protection, installation distance, and coordination with other SPDs. A high-performance SPD can still provide poor protection if the installation layout is incorrect.
Frequently Asked Questions About Surge Protective Devices
Can an SPD Be Used Without a Backup Fuse or Circuit Breaker?
It depends on the SPD design and the manufacturer’s installation requirements. Some SPDs require an external backup fuse or circuit breaker, while others may include integrated overcurrent protection. The backup protective device is used to disconnect the SPD safely if it develops an internal short circuit or reaches the end of its service life. Its rating should not be selected only according to the SPD’s discharge-current rating. Always follow the manufacturer’s specified maximum backup fuse or circuit-breaker rating, short-circuit current requirements, and coordination instructions.
How Should a Surge Protective Device Be Maintained?
SPD maintenance mainly involves regular inspection rather than internal repair. During routine electrical maintenance, check the status indicator, remote signaling contact, terminal tightness, signs of overheating, and the condition of the backup protective device. The SPD should also be inspected after severe thunderstorms, lightning events, major power-system faults, or repeated tripping of the upstream protective device. Replace the SPD or plug-in protection module if:
The status indicator shows failure.
A remote alarm is activated.
The enclosure is discolored, cracked, or overheated.
The backup fuse or circuit breaker has operated because of an SPD fault.
The manufacturer’s replacement criteria have been reached.
How Long Does a Surge Protective Device Last?
An SPD does not have a fixed service life. Its lifespan depends on the number, magnitude, and duration of the surges it absorbs, as well as system voltage, temporary overvoltages, environmental conditions, and product quality. An SPD may remain operational for many years in a low-surge environment, but a single severe surge can significantly reduce its remaining capacity or cause immediate failure. The status indicator and remote signaling contact should therefore be used to determine whether the SPD is still operational. Replacement should be based on actual condition and manufacturer guidance rather than a fixed number of years alone.
Do I Need Both AC and DC Surge Protection?
Both AC and DC surge protection may be required when a system contains separate AC and DC circuits. An AC SPD cannot automatically replace a DC SPD because the two devices are designed for different voltage characteristics, arc-extinguishing requirements, and system configurations. For example, a solar PV system may require:
A DC SPD on the PV array, combiner box, or inverter DC input.
An AC SPD on the inverter output or AC distribution board.
Energy storage systems, EV charging systems, and industrial DC control circuits may also require separate AC and DC protection. The selected SPD must be rated for the actual system voltage, polarity, grounding arrangement, and maximum continuous operating voltage.
Can a Damaged SPD Continue Protecting Equipment?
A damaged SPD should not be assumed to provide effective protection. Some SPDs contain an internal disconnection device that isolates the failed protection component while allowing the electrical circuit to remain energized. In this condition, the connected equipment may continue operating, but surge protection may already be partially or completely lost. If the status indicator shows failure or the remote alarm is activated, replace the SPD or protection module as soon as possible. Continuing to operate without replacement may leave downstream equipment unprotected.
Are SPDs Required for Solar PV Systems?
SPD requirements for solar PV systems depend on the applicable electrical standard, lightning protection design, installation risk, cable routing, and local regulations. PV systems are particularly exposed to induced surges because modules and DC cables are usually installed outdoors and may cover a large area. SPDs are commonly installed on the DC side, AC side, or both. Typical locations include:
PV combiner boxes
Inverter DC inputs
Inverter AC outputs
Main AC distribution boards
The required SPD type depends on whether the building has an external lightning protection system, the separation distance, the system voltage, and the lightning exposure level. Therefore, SPDs are not selected simply because the system is photovoltaic. The need, type, and installation position should be determined by the applicable project requirements and risk assessment.
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ABOUT THIS GUIDE
This guide was prepared to help engineers, panel builders, electrical contractors, system integrators, and industrial buyers better understand surge protective devices (SPDs), their operating principles, selection criteria, installation practices, and common applications.
Electrical Engineer | Low-Voltage Power Distribution
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I am an electrical engineer with 10 years of experience in low-voltage electrical equipment, circuit protection, and power distribution systems. I specialize in product selection, application engineering, and technical support for industrial, commercial, and renewable-energy projects.
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