Protection par parafoudre : étude et modélisation de la propagation des ondes de surtension

par Jérôme Marcuz

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Jean-Marie Bilbault et de Stéphane Binczak.

Soutenue en 2009

à Dijon .

mots clés

• Parafoudres
• Ondes -- Propagation

Résumé

Ce manuscrit présente une étude du comportement dynamique des parafoudres dans un circuit électrique, plus précisément l’étude des phénomènes de réflexion et de résonance intervenant sur une ligne interne à une installation protégée par un parafoudre. L’étude comprends une étape de modélisation avec une validation expérimentale des hypothèses puis une comparaison des résultats analytiques à des simulations numériques et des, données expérimentales. Le système étudié est composé d’une source de perturbation, de lignes de transmissions, d’une impédance de charge modélisant un appareil à protéger et du modèle de parafoudre de type limiteur. Les données expérimentales obtenues grâce à un générateur d’impulsions de tension à front de montée rapide (30 ns) valident les ordres de grandeur retenus pour les paramètres du modèle. L’étude analytique aboutit à un modèle utilisé pour une étude paramétrique faisant apparaître les rôles respectifs des différents paramètres du modèle et notamment celui de la capacité parasite du parafoudre. Il apparaît également que, malgré la présence d’un parafoudre, lors de l’apparition de surtensions à front raide une tension trois fois supérieure à la tension de protection du parafoudre peut atteindre l’équipement protégé. La dernière partie du manuscrit présente une approche théorique du système grâce aux outils de l’étude des systèmes dynamiques non linéaires. Cette approche permet une description plus compacte du système et offre une vision plus globale de l’évolution du système.

Titre traduit

Lightning surge protection : analysis and modeling of surge propagation

Résumé

This manuscript presents a study of the dynamic behavior of surge protection devices in an electrical circuit, more precisely a study of the reflection and resonance phenomena occurring on internal lines of a protected installation. This study include a modelling step with experimental validation of assumptions and then a comparison of analytical results with numerical simulations and experimental data. The studied system is composed of a source of disturbance, transmission lines, a load impedance modeling a device to protect and a model of limiting type surge protection device (SPD). Experimental data obtained from a setup inculding a fast front voltage pulse generator (30 ns) validate orders of magnitude chosen for the model parameters. The analytical study ends in a model used in a parametric study showing the respective roles of the model parameters especially that of the stray capacity of SPD. It also appears that, despite the presence of a SPD, when a steep front surge appears a three times higher than the protection voltage of the SPD can reach the protected equipment side. The last part of the manuscript presents a theoretical approach of the system using the tools of nonlinear dynamic systems study. This approach allows a more compact system derscription and offers amore holistic vision of the evolution of the system.