Effet du Multi

L'histoire du flash multi-rafales commence avec Karl Berger, professeur d'ingénierie haute tension à l'ETH Zurich. Il était connu comme le « père de la recherche sur la foudre » pour ses observations pionnières à la station de détection de la foudre du Monte San Salvatore de 1943 à 1972. Son travail est important car il a montré très tôt qu'un éclair consistait en une explosion d'un premier éclair. coup suivi de plusieurs coups ultérieurs, tous espacés de quelques millisecondes, comme illustré par exemple dans son article de 1967 [1].

Grâce aux travaux de Karl, la structure d'un éclair est désormais bien connue, ce qui suggère que des tests de foudre multi-rafales devraient désormais être effectués systématiquement. Mais seuls quelques laboratoires ont construit des équipements pour effectuer des tests multi-rafales (par exemple, Darveniza et ses collègues en Australie, Ray Hill et ses collègues de Georgia Tech, et récemment Zhang et ses collègues en Chine). Alors pourquoi les tests multi-rafales pour simuler la foudre n’ont-ils pas été plus largement réalisés ? Et pourquoi n’a-t-il pas été intégré aux normes ?

Une raison possible remonte à l'observation de Bodle et al. en 1976 [2] que,

« Pour les tests de conception de la capacité de résistance à la foudre des éléments d'installation et des équipements associés, tant dans les secteurs des communications que de l'énergie, une seule grande impulsion est utilisée. Il s'agit d'un test de type « équivalence » dicté par des considérations pratiques. L’expérience a cependant indiqué qu’il s’agit d’une simulation acceptable de l’exposition réelle sur le terrain, qui comprend plusieurs coups de composants.

Donc, ce que disent Bodle et ses co-auteurs, c'est que, oui, nous connaissons les flashs à composants multiples, mais les tests à surtensions multiples ne sont pas nécessaires car les tests à grande rafale unique fonctionnent assez bien. Cela serait probablement vrai s’ils testaient des tubes à gaz ou des blocs de carbone, qui étaient les principaux types de dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) utilisés en 1976.

Une deuxième raison possible est que l’équipement permettant d’effectuer des tests multi-rafales n’est pas disponible dans le commerce et serait probablement coûteux s’il l’était. Quoi qu’il en soit, les tests multi-rafales ne sont généralement pas effectués sur les SPD.

Alors, qu'est-ce que nous manquons en testant avec une seule grande surtension, ou avec des surtensions multiples mais largement espacées (ce qui ressemble à une série de tests de surtension unique) ? Si nous testons des SPD à commutation (par exemple, des tubes à gaz ou des thyristors), il se peut qu'il n'y ait pas de problème. Mais il pourrait y en avoir avec les SPD de serrage, car les SPD de serrage, en particulier les varistances à oxyde métallique (MOV), peuvent avoir une longue constante de temps thermique. De longues constantes de temps thermiques peuvent provoquer une accumulation de chaleur dans un SPD soumis à une explosion multi-surtensions (incluant éventuellement un courant continu). L'accumulation de chaleur peut entraîner une élévation de température potentiellement destructrice, ce qui nous échappe lorsqu'un test d'éclatement à plusieurs surtensions est remplacé par une seule surtension importante ou par plusieurs surtensions largement espacées.

La figure 1 montre un exemple d’éclair où l’on pourrait s’attendre à une accumulation de chaleur.

Figure 1 : Exemple d'un éclair multi-rafales (d'après Rakov, [3])

L'opinion selon laquelle des tests de rafale multi-surtensions sont nécessaires est étayée dans un article de Sargent et al. [4]. Dans leur étude, un demi-ensemble d’échantillons MOV de 18 mm ont été soumis à une rafale multi-surtensions de 8/20 au courant nominal. Ces échantillons présentaient des signes de dommages, tandis que l'autre moitié des échantillons testés avec une seule surtension de 8/20 au courant nominal répétée à des intervalles de 60 secondes ou plus ne présentaient aucun dommage. Dans un autre test d'éclatement multi-surtensions, Rousseau et al. [5] a soumis un MOV à soixante surtensions de 20 kA 8/20 espacées de 60 secondes, sans défaillance. Mais lorsque le même type de MOV a été soumis à seulement cinq surtensions de 20 kA 8/20 espacées de 50 ms, une défaillance s'est produite.

Pour la plupart, les travaux de flash multi-rafales sur le serrage des SPD ont été effectués sur des MOV, car les MOV ont une longue constante de temps thermique. En raison de la longue constante de temps, l'énergie déposée dans un MOV à partir de l'une d'une série de surtensions rapprochées peut ne pas se dissiper avant l'arrivée de la prochaine surtension, permettant ainsi à l'énergie de s'accumuler. Il en va de même pour les dispositifs à base de silicium, mais dans une moindre mesure, car les constantes de temps thermiques des dispositifs au silicium sont plus courtes que celles des MOV. Nous allons donc nous concentrer sur les MOV ; et pour un exemple illustratif, l'application des MOV à la protection des alimentations CC des têtes radio distantes (comme discuté dans [6]).